WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |
Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ПОСОБИЕ для выполнения лабораторных работ в спецпрактикуме по теплофизике Выпуск первый Понятие температуры и температурные шкалы Лабораторная работа № 1.

Изучение и градуировка ртутного термометра Лабораторная работа № 2.

Изучение и градуировка термометра электрического сопротивления Саратов 2005 УДК 621.317.7 Составители пособия:

Новоселов Владимир Владимирович, Бочкова Елена Владимировна ОГЛАВЛЕНИЕ «Понятие температуры и температурные шкалы».

Температура.

Термометрические свойства и эмпирические шкалы.

Различные термометры.

Абсолютная термодинамическая шкала Кельвина и абсолютная идеально-газовая шкала.

Стандартная международная температурная шкала (СМТШ).

Лабораторная работа № 1.

«Изучение и градуировка ртутного термометра».

Жидкостные стеклянные термометры.

Значение ртутного термометра.

Принцип измерения ртутным термометром.

Ртуть-термометрическое вещество.

Виды ртутных термометров.

Укороченные термометры.

Термометр Бекмана.

Поправки к показаниям ртутного термометра.

Определение точки 0°С.

Определение точки 100°С.

Определение цены деления шкалы термометра.

Практическая часть.

Лабораторная работа № 2.

«Изучение и градуировка термометров электрического сопротивления».

Расчет температуры.

Устройство термометра.

Источники ошибок платинового термометра.

Измерение сопротивления платинового термометра методом компенсации.

Практическая часть.

Упражнение: Градуировка платинового термометра.

Порядок выполнения работ.

Литература.

«Понятие температуры и градуировка термометров».

Температура.

Температура – это особый внутренний термодинамический параметр, который, наряду со всеми внешними термоэлектрическими параметрами, однозначно определяет величину любого другого внутреннего параметра. Это видно из простейшего уравнения состояния:

f (P, V, T) = 0, где давление P – внутренний параметр, который определен объемом V как внешним параметром и абсолютной температурой T.

Температура – параметр равновесного состояния термодинамической системы. Характерным признаком таких состояний является отсутствие релаксационных процессов переноса в части теплопередачи.

При отсутствии в системе теплопередачи, ее телам приписывается одинаковая температура. Если теплопередача есть, то тело, от которого теплота передается другим телам, характеризуется большей температурой.

Такая направленность теплопередачи нашла свое отражение в определении температуры, которое дал Максвелл:

«Температура тела есть термическое состояние, рассматриваемое с точки зрения его способности сообщать тепло другим телам».

Изолированная система стремится к своему равновесному состоянию с единой температурой, в результате теплопередачи между телами, которые ее составляют.

Для того чтобы прояснить физическую сущность термодинамических параметров и явлений, скрытую на молекулярном уровне, термодинамику сочетают с молекулярной физикой. Последняя, исходя из так называемых молекулярно-кинетических представлений, объясняет физический смысл температуры, недостаток которого явно ощущается в «термодинамической» формулировке Максвелла. С позиции молекулярной физики запишем основное уравнение кинетической теории газов:

PV = N E, где:

N – число молекул, образующих давление;

mvE = - средняя кинетическая энергия теплового движения молекул;

m – масса молекулы;

v2 - средний квадрат скорости хаотического движения.

Сопоставим это уравнение с уравнением состояния идеального газа:

PV = NkT, (1) где:

-23 -k = 1,38 10 Дж К - постоянная Больцмана.

Из сопоставления следует:

2 E T =, (2) 3k т.е., абсолютная температура с точностью до постоянного размерного множителя равна средней кинетической энергии поступательного дви3k жения молекул идеального газа, в котором равновесное состояние отвечает Максвелловскому распределению молекул по скоростям теплового хаотического движения. При T = 0 тепловое движение молекул должно отсутствовать.

Из определения (2) следует, что понятие температуры оказывается правомерным только для такого установившегося состояния, к которому применимы статистические представления. Если молекул слишком мало или, из-за очень малой плотности, они не образуют статистического ансамбля с Максвелловским распределением, то о температуре не говорят.

Усреднение упомянутых молекулярных энергий в этих случаях нецелесообразно для использования в (2). Поэтому нельзя говорить о «температуре» одной или нескольких молекул, «горячих» или «холодных» молекулах, а также о «температурах» в неравновесном состоянии. На основании вышеизложенного, температуру идеального газа можно определить как параметр, характеризующий равновесное Максвелловское распределение по скоростям.

Физическая модель идеального газа часто используется в термодинамике из-за сравнительной простоты своего математического описания уравнением Менделеева-Клапейрона. Поэтому термодинамические и молекулярные понятия предлагаются, прежде всего, на ее примере. Модель реального газа, а также тел в других агрегатных состояниях, сложнее из-за более сложного молекулярного взаимодействия.

Говоря о температуре, следует иметь в виду, что тепловое хаотическое движение молекул, конечно, имеется также в жидкостях и твердых телах. Обобщая смысл «молекулярного» определения температуры для тел в жидком или твердом агрегатном состоянии, можно говорить о ней, как о характеристике средней кинетической энергии теплового движения микроэлементов, составляющих эти тела. Под микроэлементами понимаются молекулы, которые в твердых телах колеблются относительно положения своего равновесия, а в жидкостях попеременно проявляют особенности «газового» и «твердотельного» движения. Микроэлементами в металлах, наряду с ионами, жестко связанными в узлах кристаллической решетки, являются еще и свободные электроны, совокупность которых подобна идеальному электронному газу. Поэтому, в некоторых случаях, говорят о «решеточной» и «электронной» температурах в металлах.



Традиционная термодинамика определяет температуру как единый термодинамический параметр, характеризующий равновесное состояние какого-либо тела. В пределах рассматриваемого тела, с точки зрения этой науки, температура едина и не может изменяться в зависимости от места ее наблюдения. Таким образом, в традиционной термодинамике исключается возможность возникновения температурных перепадов и полей. Этот недостаток компенсируется нетрадиционной, неравновесной термодинамикой, которая предлагает принцип локального термодинамического равновесия. Согласно этому принципу, физически бесконечно малые объемы, обладая бесконечно малыми размерами, заключают в себе достаточное количество молекул для образования статистического ансамбля. Причина такой возможности состоит в реальной микроскопичности молекул и их чрезвычайно большой плотности. Поэтому, выбрав в качестве окрестности некоторой точки (x, y, z) такой физически бесконечно малый объем и произведя оправданное упомянутыми причинами усреднение тепловой молекулярной энергии, можно прийти к понятию локальной температуры, представленной температурным полем T (x, y, z) бесконечно малого пространственного изменения температуры dT (x, y, z), а также температурных перепадов T, возникающих в телах.

Термометрические свойства и эмпирические шкалы Согласно вышесказанному, измерение температуры можно производить только косвенным путем, основываясь на зависимости от нее других физических свойств исследуемого тела. Таких свойств много, но не все они целесообразны для определения температуры. Поэтому, выбираемые в качестве целесообразных, так называемые термометрические свойства (параметры), должны отличаться своей однозначной, монотонной, хорошо воспроизводимой и, наконец, точно определяемой простым и удобным способом зависимостью от температуры.

Тело, которое обладает выбранным термометрическим свойством, называется термометрическим. Для измерения температур используют различные термометрические тела и свойства. Техническое устройство, использующее то или иное термометрическое тело для измерения температуры, называется термометром или пирометром.

При измерениях термометр приводится в непосредственный контакт с телом, температуру которого нужно измерить, для достижения с ним теплового равновесия. После его установления считают, что термометрическое тело термометра имеет ту же температуру, что и у измеряемого тела.

Термометрическое тело термометра выражает эту температуру значением своего термометрического свойства. По этому значению судят о температуре, которую определяют термометром. Для того, чтобы измерения термометром были наглядны, в состав его устройства включают термометрическую шкалу или определяют так называемую термометрическую градуировочную кривую. Эта кривая выражает зависимость термического свойства от температуры.

Чтобы суждение о значении температуры было конкретным, ее нужно охарактеризовать количественно. Исторически для этого было осуществлено несколько различных национальных и межнациональных договоренностей, устанавливающих закономерности в количественном определении температуры. Искусственно образованные закономерности называются температурными шкалами. Каждая температурная шкала устанавливает размер единицы температуры – градус и начало его отсчета. Таким образом, общая математическая модель температурных шкал, в соответствии с определением температуры (2), выражается уравнением:

t = c1 E + c2, (3) c1 cгде совокупности постоянных и соответствуют различным температурным шкалам, в частности Цельсия, Фаренгейта, Реомюра и абсолютной термодинамической шкале Кельвина (АТШК). В уравнении (3) постоянная c1 cопределяет цену единицы температуры – градуса, – начало отсчета температуры. Например, для АТШК:

c1 =, c2 = 0;

3k единица температуры в этой шкале называется Кельвином (К).

Недостатком выражения (3), мешающим его непосредственному использованию, является невозможность экспериментального измерения E.

Поэтому подход к практическому определению большинства температурных шкал носит эмпирический характер. Такой подход опирается на использование реперных (основных, постоянных) точек и температурных свойств различных термометров. Реперные точки характеризуют двухфазные состояния плавления (затвердевания) или кипения (конденсации). Использовать их удобно потому, что, во-первых, они очевидны, во-вторых, возникают при строго определенных и не зависящих от соотношения фаз, а потому стабильных, температурах.

Рассмотрим температурное свойство f (t), линейно (пропорционально) зависящее от температуры. Согласно уравнению (3), для него можно получить выражение:

f (t)=c3t + c4 =c3(c1E + c2)+ c4 =c3c1 E + c3c2 + c4 = A E + B, (4) где A = c3c1, B = c3c2 + c4 - постоянные величины.





Таким образом, отвечающее упомянутому условию, температурное свойство f (t) само оказывается пропорциональным средней кинетической энергии теплового движения молекул E. Поэтому, наряду с уравнением (3), такое f (t) также обладает шкалообразующим свойством для температуры, которая, в соответствии с эмпирическим подходом к ее определению, сама называется эмпирической.

Для того, чтобы эмпирически определить шкалы Цельсия, Фаренгейта и Реомюра, использовали реперные точки таяния льда (t1 ) и кипения воды (t2 ), приписывая им температуры 0 и 100°С, 32 и 212°Ф, 0 и 80°R соответствующих единиц температуры. Цену единицы определяли, поделив полученную измерениями разность f (t2 ) - f (t1) на N - количество градусов, которое содержит этот интервал на соответствующей температурной шкале. У Цельсия N = 100 ; у Фаренгейта N = 180 ; у Реомюра N = 80. Таким образом, в общем, цена градуса равна:

f (t2 ) - f (t1).

N Деля на цену градуса интервал f (t) - f (t1), где f (t) - значение темпеt ратурного свойства при температуре, получим:

f (t) - f (t1) tN = N, f (t2 ) - f (t1) tN где - температура по соответствующей шкале.

С учетом вышесказанного, очевидна связь между температурами, измеренными в градусах Цельсия (°С), Фаренгейта (°Ф), Реомюра (°R):

t, °С = (1,8 t + 32), °Ф = (0,8 t), °R.

Наиболее важной из этих шкал, использование которой в быту и технике регламентировано международными соглашениями, является шкала Цельсия. Однако приборы, отградуированные по другим шкалам, например, по Фаренгейту, по-прежнему существуют и используются, например, в Англии и США.

Различные термометры Шкалообразующее свойство (4), дополнительное по отношению к упомянутым ранее термометрическим свойствам, в широком температурном диапазоне встречается редко. Например, длина различных металлических проволок неравномерно изменяется с температурой в разных диапазонах этого изменения. При этом характер отступления от линейности у всех металлов различен, что привело бы к разной неравномерности эмпирических шкал, образованных с помощью таких «металлических» термометров.

Однако специальные поиски позволили найти ряд веществ с температурными свойствами, наилучшим образом отвечающих линейности (4).

Прежде всего, это идеальные газы, уравнение состояния которых (1) указывает на линейную зависимость P и V от температуры. Для того чтобы сделать зависимость одного из этих термодинамических параметров от температуры линейной, другой параметр нужно зафиксировать. Такое положение называется дополнительным условием для образования термодинамического свойства. Его реализация в термометре с постоянным объемом V приведет к однозначной зависимости P (t), а с неизменным давлением P - к однозначной зависимости V (t).

По своим индивидуальным свойствам, к идеальным газам лучше всего приближаются водород и гелий. Поэтому основным газовым термометром стал водородный с постоянным объемом. Его устройство, по сравнению с другими термометрами, громоздко и неудобно для практического использования. Оно включает термометрический объем, заполненный водородом, устройство для его заполнения и стабилизации этого объема, а также ртутный манометр для измерения термометрического давления. По международному стандарту водородный манометр заполняется таким количеством газа, чтобы его давление при 0° С составляло P(0) =1000 мм рт.

ст. При измерениях температуры термометрический объем этого термометра приводят в идеальный контакт с исследуемым телом и ждут установления равновесного состояния, в котором давление водорода изменяется до P (t). Измеренное давление применяется для определения температуры по формуле, полученной с помощью закона Гей-Люссака:

P (t) = P (0)(1+ t ), где коэффициент температурного изменения давления в изохорическом t процессе =, если измеряется в ° С.

o 273,16 С Поэтому температура в ° С, в которых водородный термометр и был изначально градуирован по реперным точкам плавления льда и кипения воды, определяется по формуле:

1 P (t ) t = - 1.

P (0) Водородный термометр изредка используют для точных научных измерений температур, в частности, температур различных реперных точек. Чаще он используется для градуировки образцовых вторичных термометров (прежде всего ртутных). В свою очередь, последние служат для градуировки термометров, которые «во втором поколении наследуют» шкалообразующие свойства водородного термометра. Это термометры, которые используются непосредственно в быту, технике, науке и делятся, в свою очередь, на жидкостные, термометры сопротивлений, термоэлементы (термопары), оптические пирометры. Последние определяют температуру по значению теплового излучения тела, если непосредственное соприкосновение с ним по каким-либо причинам невозможно или нецелесообразно.

Абсолютная термодинамическая шкала Кельвина и абсолютная идеально-газовая шкала Достоинства идеального газа для использования в термометре ограничены пределами области, в которой он идеален. За пределами этой области газ называется вырожденным. В состояниях вырождения, которые наступают при низких температурах, даже молекулы водорода и гелия подчиняются распределению Бозе-Энштейна, а не Максвелла. Последнее обстоятельство приводит к нарушению линейной зависимости между температурой и E. Поэтому любая эмпирическая температурная шкала, связанная со свойствами какого-либо вещества, обладает более или менее выраженными недостатками.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.