Методы измерения температуры

Цель работы – закрепление знаний по разделу «Термодинамические пара

метры системы». Ознакомление с методами и приборами

измерения температуры.

Теоретическая основа эксперимента. Понятие температуры.

Согласно молекулярно – кинетической теории все тела состоят из молекул, находящихся в беспорядочном тепловом движении. Нагревание усиливает беспорядочное движение молекул, увеличивает внутреннюю энергию тела, которая складывается из кинетической энергии давления молекул и их взаимной потенциальной энергии.

Температура есть мера интенсивности теплового движения молекул, мера нагретости тела: ее численная величина однозначно связана с величиной средней кинетической энергией молекул вещества. Для идеального газа при неслишком низких температурах эта зависимость известна в виде:

(1)

где Т– абсолютная температура:

– средняя кинетическая энергия поступательного движения моле- кул;

k – постоянная Бльцмана.

Для реальных газов, жидкостей и твердых тел зависимость между температурой и внутренней энергией значительно более сложная.

Температура – статическая величина. Ее измерение имеет смысл только в телах, состоящих из огромного числа молекул. Определение температуры одной молекулы бессмысленно, т.к. кинетическая энергия отдельных молекул тела может значительно отличаться от его средней кинетической энергии.

Практически измерить кинетическую энергию составляющих тело молекул невозможно и нельзя создать прибор для измерения температуры, конструкция которого логически бы вытекала из определения температуры. Поэтому для измерения температуры используют различные косвенные методы. Во всех этих методах используют изменение каких – либо свойств вещества, изменяющихся с температурой и по величине изменения этих свойств судят об изменении температуры.

Свойства веществ, которые можно использовать для измерения температуры, называют термометрическими. К ним относят объем, плотность, длина, электрическое сопротивление, термоэлектродвижущая сила и т.д.

Температура представляет собой величину переменного уровня. Это значит, что при ее изменении происходит последовательное изменение уровня теплового состояния вещества. Поэтому при определении температуры необходимо знать непрерывный ряд значений термометрического свойства вещества, т.е. надо иметь температурную шкалу.

Для построения температурной шкалы выбирают две опорные точки, называемые реперами. В качестве репер t₁ и t₂ обычно выбирают температуры фазового равновесия однокомпонентных систем, т.к. эти температуры могут быть легко воспроизведены. Температурам t₁ и t₂ приписывают произвольные числовые значения.

Расстояния между реперами t₂ – t₁ носит название основного температурного интервала. Его разбивают на N частей. часть основного интервала была названа градусом, который таким образом, равен .

В настоящее время принята Международная практическая шкала температур (МШТ). В качестве реперных точек этой шкалы используют температуры затвердения и кипения некоторых чистых веществ при нормальном атмосферном давлении (за исключением тройной точки воды). Значения реперных точек, выраженные в градусах Цельсия ⁰С, приведены ниже:

точка кипения кислорода -182,97⁰С

тройная точка воды (основная реперная точка) 0,01⁰С

точка кипения воды 100⁰С

точка кипения серы 444,6⁰С

точка затвердения серебра 960,8⁰С

точка затвердения золота 1063,0⁰С.

В термодинамике используется термодинамическая шкала температур – шкала Кельвина. Размер градуса в ней тот же, что и в МШТ. Соотношение числовых значений температур в абсолютной термодинамической шкале определяется по формуле:

К (2)

Экспериментальное измерение температуры. Описание экспериментальной установки.

Установка для измерения температуры нагреваемой воды с помощью ртутного термометра, термопары, термометра сопротивления изображена на стенде. Резервуар 1 с водой помещен на электроплитку 2. Резервуар закрыт крышкой, в которой закреплены ртутный термометр 3, хромель – копелевая термопара ХКТ в техническом исполнении 4 и медный термометр сопротивления 5 также в техническом исполнении. Чувствительные элементы всех измерительных устройств находятся вблизи друг от друга в объеме жидкости с одинаковой температурой. Кроме того, они погружены в воду на значительную глубину для уменьшения утечки тепла от чувствительных элементов по защитному корпусу датчиков.

Термопара подключена к автоматическому показывающему электронному потенциометру с вращающимся циферблатом – ЭПВ 2-0,1. шкала прибора проградуирована в диапазоне от –50 до 100 ⁰С именно для хромель – копелевой термопары.

Медный термометр сопротивления подключен к электронному показывающему уравновешенному мосту с вращающимся циферблатом ЭВМ 2– 201. шкала прибора в диапазоне от 0 до 150⁰С, причем его градуировка ГР 23 требует подключения к нему медного термометра сопротивления, сопротивление которого при 0⁰С равно 53 ом.

Конструктивно приборы ЭПВ 2– 01 и ЭВМ 2– 201 выполнены одинаково, поэтому для их отличия на корпусах сделаны соответственно надписи «Термопара», «Термометр сопротивления».

Проведение эксперимента.

Приборы включить только после разрешения преподавателя!

Включить в сеть приборы ЭПВ 2– 01 и ЭВМ 2– 201 с помощью общей вилки. Выждать 3 – 4 минуты, пока они прогреются. Во время прогрева, шкалы приборов сначала совершают переход из одного крайнего положения в другое, затем несколько колебаний около некоторого положения и останавливаются. В момент остановки они показывают температуру, которую имеют чувствительные элементы. После остановки шкалы приборов готовы к работе.

Включить электроплитку в сеть. Вода в резервуаре начинает медленно нагреваться.

Начиная с момента включения, производить через каждые 3мин. одновременно отсчеты температур t₁ по ртутному термометру, t₂ по прибору «Термопара» и t₃ – по прибору «Термометр сопротивления». Данные занести в таблицу 1.

Измерения производить до тех пор, пока температура воды, показываемая ртутным термометром, не достигнет значения, указанного преподавателем перед началом работы. После этого электроплитку отключить, а затем запись показаний приборов продолжить в том же порядке и при охлаждении воды.

После окончания работы отключить все приборы и привести в порядок рабочее место.

Обработка результатов.

По данным эксперимента построить три зависимости температуры воды, измеряемой ртутным термометром t₁, термопарой t₂ и термометром сопротивления t₃ от времени t (мин.). Все три зависимости построить на одном рисунке.

Сравнить полученные результаты и попытаться объяснить их. Например, таким образом. Термометр сопротивления обладает значительной тепловой инерцией, поэтому при нагреве воды его показания отстают от показаний ртутного термометра и термопары, а при охлаждении – превышают их.

По результатам работы сделать выводы.

Таблица 1

Поиск по сайту: