WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
Министерство образования Российской Федерации РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА Кафедра физики И.Н. Евдокимов МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЙ Часть 1.

Т Е М П Е Р А Т У Р А Определение понятия.

Методы получения и контроля.

Измерительная аппаратура.

МОСКВА 2004 I. Введение.

Повышение эффективности промышленных объектов идет по пути совершенствования как самих технологических процессов, так и процессов управления ими. Немаловажным фактором, затрудняющим построение систем управления, является то, что технологи, хорошо знающие, что следует измерять в объекте, как правило, плохо осведомлены о возможностях современной измерительной техники.

Весьма важно, чтобы с новыми приборами и методами были хорошо знакомы как производственники, так и лица, занимающиеся исследовательской работой. При этом они должны совершенно отчетливо представлять себе, в каких областях эти новые приборы и методы наиболее целесообразно использовать, с какими это сопряжено затратами времени (и средств) и какова точность получаемых с их помощью результатов.

Роль измерений при наблюдении за производственными процессами заметно отличается от роли измерений при проведении лабораторных опытов (физико-химических экспериментов). В первом случае задачей измерений является лишь получение численного значения наблюдаемой характеристики объекта измерений для контроля за правильностью осуществления известных операций производства. При проведении же опытов результат измерений рассматривается как отклик на целенаправленное изменение условий эксперимента, проводимого с целью получения неизвестных ранее сведений об исследуемом объекте. Различие между двумя типами измерений отмечалось еще в "Кратком руководстве к физике", изданном в Санкт-Петербурге почти два столетия назад, в начале XIX века. В этом руководстве говорится : "Физика есть сколько приятная, столько и полезная наука, толкующая свойства тел или предметов, нас окружающих. Свойства тел познаются или через наблюдения, когда тело рассматривается в естественном состоянии, то есть так, как оно есть, или через опыты, когда тело доводят в такое состояние, до которого оно само дойти никогда не может".

Одним из важнейших параметр как лабораторных экспериментов, так и технологических процессов многих отраслей промышленности является температура. По оценкам отечественных и зарубежных специалистов технические измерения температуры составляют 40-50% общего числа всяких измерений. Поэтому качество температурного контроля часто обуславливает успех процесса производства.

В данном пособии изложена физическая трактовка понятия температуры, описаны принципы построения температурных шкал.

Специальные разделы посвящены изложению физических основ методов получения температур в широком диапазоне - от "гелиевых" до "плазменных", а также описанию принципов действия некоторых термометрических приборов, в том числе – современных методов термометрии в нефтяной и газовой промышленности. Пособие не является самостоятельным учебником по термометрии, а составлено как дополнение к курсам лекций, читаемым в РГУ нефти и газа им. И.М.

Губкина.

II. Основные предпосылки. Исторические сведения.

Процесс измерения характеризуется с одной стороны восприятием и отображением физической величины, а с другой стороны нормированием, т.е. присвоением ей определенного значения (размера).

Размер х величины Х представляет собой отношение измеряемой величины к величине N, принимаемой за эталон (единицу измерения) :

X = x N (1) Для проведения указанных операций измерения должны быть удовлетворены две основные предпосылки :

1) подлежащая измерению физическая величина должна быть однозначно определена;

2) единицы измерения должны быть установлены соглашением.

Обе предпосылки не являются само собой разумеющимися. В то время как величины "длина", "вес", "время" воспринимаются всеми как вполне определенные из опыта, величина "коэффициент полезного действия" уже нуждается в конкретном определении. Такие величины как "степень комфортности" из области климатотехники или "коэффициент умственного развития" (I. Q.) до сих пор не имеют общепризнанного определения и поэтому не могут быть воспроизводимо измерены.

Аналогично, понятие "температуры" возникло из весьма неопределенных понятий теплоты и холода, которые располагались в сознании человека где-то рядом с запахом и вкусом. Никто не пытался связать с этими понятиями какие-либо количественные соотношения : до сих пор не ставится вопрос, во сколько раз жареный окунь вкуснее манной каши.

По-видимому, впервые необходимость применения количественной меры к тепловым ощущениям осознали древние медики. Они давно заметили, что здоровье человека как-то связано с теплотой его тела и что лекарства могут влиять на здоровье, принося с собой, в частности, теплоту или холод. Так, знаменитый врач Гален (II век н.э.) использовал классификацию лекарственных препаратов по "градусам" (латинское gradus - ступень) : градус тепла, градус холода, градус влажности, градус сухости. Градусов было четыре и каждый градус еще разбивали на три части. Препараты смешивались и эти смеси имели разные градусы (при этом холод и тепло не считали противоположными качествами - тепло побеждалось влажностью, а холод - сухостью). Для каждой болезни составлялось свое лекарство (надлежащая смесь препаратов), которое называлось "температура" (от лат. temperatura - надлежащее смешение, правильное соотношение ). Таким образом, в медицине впервые была сделана попытка установить 12-градусную шкалу теплового действия лекарств ("температур"). Однако задача теоретического определения градуса смеси по градусам компонент так и осталась нерешенной.



Отсутствовали также средства измерений теплового воздействия - приборы либо для качественного обнаружения изменений степени нагрева ("термоскопы"), либо для количественного измерения характеристик теплового состояния ("термометры").

Изготовление первых практически применимых термоскопов обычно приписывают Галилею (около 1597 г.). Эти приборы состояли из стеклянного шара, наполненного воздухом. Тонкая трубка, выходящая из шара, была опущена в подкрашенную жидкость. Высота столбика жидкости в трубке была очень чувствительна к изменениям теплового состояния, но она зависела не только от температуры, но и от атмосферного давления, так что отсутствовала возможность установления воспроизводимой температурной шкалы и проведения количественных измерений.

Ньютон в 1701 г. предложил ввести температурную шкалу, разделенную на 12 градусов (как у древних медиков) и воспроизводимую по сопоставлению с характеристиками природных процессов (по реперным точкам). Ноль он отождествил с точкой замерзания воды, а 12 градусов - с температурой тела здорового человека.

Первые воспроизводимые термометры, аналогичные современным и градуируемые по природным реперным точкам, были изготовлены Габриелем Даниелем Фаренгейтом, стеклодувом из Голландии. В 1714 г.

он использовал шкалу, в которой за нуль принималась наинизшая температура смеси льда, поваренной соли и нашатыря, а за 12 градусов - температура человеческого тела. Полученная шкала оказалась слишком грубой для практических измерений, поэтому Фаренгейт впоследствии приписал телу здорового человека температуру 96 градусов. В таком виде шкала Фаренгейта до сих пор используется в США и Великобритании (но сейчас за реперные точки принимают температуры замерзания и кипения воды - соответственно 32 и 212 градусов по шкале Фаренгейта).

Во Франции и некоторых других европейских странах имела широкое распространение (и до сих пор иногда используется) шкала Р.

Реомюра (1730 - 1740 г.), с самого начала строившаяся на точках замерзания воды (ноль градусов) и ее кипения (80 градусов). Такое деление шкалы использовалось Реомюром так как его измерения показывали, что вода в жидкостном термометре расширяется между этими двумя реперными точками на 80 тысячных своего объема (современные измерения дают величину 84 тысячных).

Известная стоградусная шкала была введена в 1742 г. А. Цельсием.

Для того, чтобы исключить появление отрицательных значений температуры в медицине и метеорологии, Цельсий поместил ноль градусов в точку кипения воды, а 100 градусов - в точку ее замерзания. Однако такая "перевернутая" шкала оказалась неудобной и вскоре она была приведена к современному виду.

Во всех последующих температурных шкалах, в том числе и в принятых в настоящее время в качестве стандартных, величина "градуса" в точности равна величине деления стоградусной шкалы Цельсия. Реперные же точки могут быть иными - так в "абсолютной" температурной шкале (Кельвина) имеется лишь одна основная реперная точка, а именно тройная точка воды, которой приписано значение 273,16 кельвин для обеспечения точного соответствия единицы этой шкалы - кельвина (К) градусу Цельсия (оС). единице стоградусной шкалы уже получившей широкое распространение а науке и технике.

III. Физическая трактовка понятия температуры.

Измерение температуры затрагивает несколько вопросов, которые вытекают из приведенного выше определения измерения. В противоположность таким физическим величинам, как длина, масса и т.д., температура является не экстенсивной (параметрической), а интенсивной (активной) величиной. При соединении двух тел их длины складываются;

аналогично делится пополам масса гомогенного тела при его делении на две равные части. Температура, являющаяся интенсивной величиной, таким свойством аддитивности не обладает. Определение температуры - первая основная предпосылка измерения - исходит из обнаруженного экспериментально явления термического равновесия. Согласно ему температура систем (тел), находящихся в термическом равновесии, одинакова. Это явление не дает непосредственных путей построения температурной шкалы; не представляется возможным создать эталон температуры, аналогично тому как создаются эталоны экстенсивных величин.

Построение температурной шкалы аналитическими методами, например, с помощью коэффициента полезного действия цикла Карно, законов идеального газа и статистической газодинамики, не пригодно для использования как метрологически, так и вследствие непреодолимых теоретических трудностей.

Задача построения температурной шкалы может быть решена путем измерения какого-либо термического свойства некоторого тела (термометра), находящегося в термическом равновесии с контролируемой системой. Свойство и вид тела должны быть выбраны по соответствующему соглашению. Должна быть также выбрана нулевая точка шкалы (что для экстенсивных величин не требуется). Такой принцип построения шкалы позволяет создать эталон температуры с экстенсивными свойствами.

Так как выбор термометра и измеряемого свойства принципиально ничем не ограничен, то могут быть обеспечены воспроизводимость и практическая применимость, а также удовлетворены требования расчета теоретической температурной шкалы IV. Возможные теоретические определения температуры и применимость этих определений.





1. Температура как термодинамическая величина.

Термодинамическими называют физические величины, характеризующие макроскопические состояния тел. Особенностью термодинамики является возможность вывода целого ряда таких соотношений между термодинамическими величинами, которые имеют место независимо от того, к каким конкретным телам эти величины относятся. При этом обычно пренебрегают флуктуациями, считая что термодинамические величины меняются лишь при изменении макроскопического состояния тел.

Понятие температуры как термодинамической величины вводится при рассмотрении нескольких тел, находящихся в тепловом равновесии друг с другом и составляющих замкнутую систему. При этом доказывается, что показателем теплового равновесия является равенство для всех тел системы производных энтропии тела S = ln Г (Г - статистический вес) по его энергии Е. Отсюда, учитывая традиционную качественную трактовку температуры как показателя теплового равновесия, вводят термодинамическую абсолютную температуру Т как величину, обратную упомянутой производной:

dS =. (2) dE T Так как энтропия S - безразмерная величина, то из данного определения следует, что температура имеет размерность энергии и может измеряться, например, в джоулях. Для обеспечения соответствия с существовавшими шкалами термометров (и эмпирическими уравнениями состояния), где единицей измерения "эмпирической температуры" является условный "градус" Цельсия (или "кельвин" [K], равный "градусу"), ввели постоянный переводной коэффициент (постоянную Больцмана), равный числу джоулей в "градусе" k = 1,3810-23 Дж/К :

dS =. (3) dE kT В последней формуле термодинамическая абсолютная температура Т измеряется в эмпирических единицах - кельвинах ("градусах").

Введение понятия термодинамической температуры позволяет (по крайней мере принципиально) построить теоретическую термодинамическую шкалу температур, для произвольного рабочее тела, не используя какой либо явной формы уравнения состояния. Впервые возможность построения термодинамической шкалы температур продемонстрировал Кельвин, в связи с чем вместо термина "термодинамическая шкала" часто используют наименование "шкала Кельвина", а единица измерения температуры по этой шкале получила наименование "кельвин". Кельвин рассмотрел идеальную тепловую машину, работающую по циклу Карно, включающему два адиабатических процесса и два изотермических процесса - с получением количества тепла Qн от "нагревателя", имеющего термодинамическую температуру Tн, и с передачей количества тепла Qх "холодильнику" с термодинамической температурой Тх. Он показал, что для любых рабочих тел отношение этих количеств тепла одинаково и равно отношению соответствующих термодинамических температур. :

Qн Tн (4) = QХ TХ Впоследствии было показано, как для произвольного рабочего тела можно установить зависимость T=T() между термодинамической абсолютной температурой T и чисто условной шкалой "температур", определяемой произвольно градуированным "термометром". [При выводе неявно предполагается наличие взаимно однозначного соответствия между T и т.е то, что T() - монотонная непрерывная функция]. Получаемое соотношение:

V ( )P d(lnT ) = -. (5) Q d ( ) P В правой стороне равенства (5) стоят величины, которые могут быть непосредственно измерены как функции условной температуры :

Q ( ) P определяется количеством тепла, которое должно быть сообщено телу, для того, чтобы при расширении поддерживать его "температуру" (показание V "термометра") постоянной, а производная ( )P определяется изменением объема тела при нагревании. Таким образом, приведенная формула решает поставленную задачу, принципиально позволяя определить искомую зависимость T=T().

В практическом смысле, однако, приведенные выше соотношения оказываются не очень полезными. Решаемая задача не становится ни легче, ни понятнее - вместо трактовки "температуры" теперь требуется не менее сложная трактовка "тепла" и нахождение способов измерения этого "тепла" Поэтому термодинамическая шкала осуществляется не непосредственно (проведением цикла Карно или процессов, определяемых уравнением..(5).), а с использованием других термодинамических соотношений, выражаемых через однозначно измеряемые величины, и справедливых уже лишь для определенных типов рабочих тел с хорошо известными уравнениями состояния.

2. Температура как параметр уравнений состояния.

Наиболее простым является уравнение состояния молекулярных систем, называемых «идеальными газами» :

m PV = RT (6) Исходя из этого уравнения, температурой можно назвать коэффициент пропорциональности между давлением P и обратным объемом 1/V системы молекул с известными значениями полной массы m и молекулярного веса. Температурную шкалу, устанавливаемую на основании уравнения состояния идеальных газов, иногда называют «шкалой газового термометра». Шкала газового термометра практически совпадает с идеальной термодинамической шкалой температуры.

Измерения с помощью газового термометра можно осуществить, например, определяя давление «идеального газа» в сосуде постоянного объема. Как показано на рисунке 1, при этом связь термодинамической температуры с давлением должна описываться прямой линией, продолжение которой проходит через начало координат.

Необходимыми свойствами идеальных газов являются пренебрежимо малые значения как размеры молекул, так и сил взаимодействия между ними. В большинстве практически доступных газов систем эти значения нельзя считать малыми, в связи с чем уравнение состояния имеет гораздо более сложный вид :

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |










© 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.