Абсолютная температура. Эталон единицы температуры

Н.Н. Акифьева

Метрология, стандартизация и сертификация

Конспект лекций

Часть 2. Методы и средства измерений в теплоэнергетике

1 Измерение температуры. Физические принципы, методы и средства. 1

1.1 Абсолютная температура. Эталон единицы температуры. 2

1.2 Международная практическая температурная шкала. 4

1.3 Классификация технических средств измерения температуры.. 6

1.4 Термометры расширения. 8

1.4.1 Стеклянные жидкостные термометры.. 8

1.4.2 Манометрические термометры.. 14

1.4.3 Дилатометрические и биметаллические термометры.. 17

1.5 Термометры сопротивления. 18

1.5.1 Принцип действия и устройство термометров сопротивления. 18

1.5.2 Термометры сопротивления платиновые. 21

1.5.3 Термометры сопротивления медные. 22

1.5.4 Термометры сопротивления никелевые. 23

1.6 Измерительные схемы металлических термометров сопротивления. 24

1.6.1 Компенсационная измерительная схема. 24

1.6.2 Измерение сопротивления термометра мостом. 24

1.6.3 Измерение сопротивления термометра магнитоэлектрическим логометром 27

1.7 Термоэлектрические преобразователи. 29

1.7.1 Принцип действия термоэлектрических преобразователей. 29

1.7.2 Стандартные термоэлектрические преобразователи. 31

2 Измерение расхода жидкостей и газов методом переменного перепада давления 33

2.1 Общие сведения. 33

2.2 Уравнения расхода для несжимаемой жидкости. 36

2.3 Уравнения расхода для сжимаемой среды.. 38

2.4 Стандартизация сужающих устройств. 41

Измерение температуры. Физические принципы, методы и средства

Абсолютная температура. Эталон единицы температуры.

Температура является одним из важнейших теплоэнергетических параметров, характеризующих тепловое взаимодействие тел. Контроль температур технологических сред и элементов энергооборудования (далее термоконтроль) на ядерных энергетических установках и тепловых электростанциях составляет более половины всего технологического контроля. Значительное место термоконтроль занимает и на энергетических установках с нетрадиционными и возобновляемыми источниками энергии.

Температура может быть определена как параметр теплового состояния. Значение этого параметра обуславливается средней кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела. К такому понятию температуры приходит термодинамика и статистическая физика. Окончательно понятие абсолютной температуры было сформулировано в середине XIX века в работах Уильяма Томсона (лорда Кельвина). До этого температуру определяли как меру тепла, переданного при тепловом взаимодействии. На явлении передачи тепла был основан принцип термометрии.

Как известно, при взаимодействии двух тел с разной кинетической энергией молекул происходит обмен энергией: тело с более высокой энергией движения молекул (более нагретое тело) передает свою энергию более холодному телу до тех пор, пока средние кинетические энергии движения их молекул не будут равны. Если две системы находятся в тепловом равновесии с третьей системой, то они находятся в тепловом равновесии и друг с другом. Это свойство теплового равновесия сделало возможным применение пробных тел, которые получили название термометров, для измерения температуры.

Значение некоторого физического параметра t, которое показывает пробное тело-термометр, находящееся в тепловом равновесии с исследуемой системой, называлось температурой системы, измеренной с помощью данного термометрического параметра t данного термометра. Отсюда следует, что температурой мог быть любой физический параметр, реагирующий на степень нагретости пробного тела, а именно: давление, геометрические размеры, электрическое сопротивление и т.п. Но даже если два различных термометра, изготовленные из разных веществ имеют термометрические параметры одинакового типа, они не обязательно дадут одинаковое значение температуры данного тела.

Для обеспечения единства измерения температуры физики размечали шкалы, приводя термометры в равновесие с системами, находящимися в состоянии фазового перехода, чаще всего с льдом в состоянии таяния и водой в состоянии кипения при атмосферном давлении (101,325 кПа или 760 мм рт.ст.). На этом принципе были основаны температурные шкалы Реомюра, Цельсия и Фаренгейта. За один градус этих шкал принималась 1/(Тк – Тз), где Тк – температура, предписанная точке кипения воды, а Тз – температура, предписанная точке таяния льда.

На шкале Реомюра 0⁰ Р соответствует точке таяния льда, а 80⁰ Р – точке кипения воды.

На шкале Цельсия 0⁰С соответствует точке таяния льда, а 100⁰С – точке кипения воды.

На шкале Фаренгейта –32⁰F соответствует точке таяния льда, а 212⁰F- точке кипения воды. Самую низкую точку Фаренгейт получил, смешивая лед, поваренную соль и нашатырь.

Итак до середины XIX века употреблялось понятие эмпирической температуры, определяемой по изменению (чаще по расширению) какого-либо параметра того или иного термометрического вещества. Но термометры с различными термометрическими телами, кроме основных точек 0 и 100⁰С, по которым они были отградуированы, будут показывать во всех других условиях разную температуру (что связано с нелинейной зависимостью термометрических параметров от температуры). Это особенно ясно указывает на произвольность и неудовлетворительность такого определения температуры как объективной меры интенсивности движения молекул тел.

Именно стремления физиков определить температуру как абсолютный параметр, не зависящий от свойств термометрического вещества и нелинейности этих свойств, а зависящий только от внутреннего состояния тела и являющийся мерой фундаментальных свойств тела лежит в основе построения термодинамической или абсолютной шкалы температур, предложенной Кельвином в 1848 году. В основании построения термодинамической шкалы Кельвина лежат следующие положения, вытекающие из второго закона термодинамики. Если в обратимом цикле Карно рабочее тело поглощает тепло Q₁ при абсолютной температуре Т₁, а отдает тепло Q₂ при абсолютной температуре Т₂, то отношение абсолютнх температур Т₁/Т₂ равно отношению количеств тепла Q₁/Q₂, значение этого отношения не зависит от свойств рабочего тела.

Статистическая физика углубила понятие абсолютной температуры, связав его со строением вещества: если система имеет абсолютную температуру Т, то величина kТ, где k – постоянная Больцмана, имеет порядок средней энергии (отсчитанной от энергии основного состояния), приходящийся на одну степень свободы системы.

XIII Генеральная конференция по мерам и весам (1968г.) определила кельвин как единицу абсолютной температуры, равную 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

Такой выбор стандарта температуры удобен тем, что существует лишь одно-единственное значение давления (609 Па) и температуры (273,16 К), при которых три формы воды могут сосуществовать, находясь в равновесии. Опыт показывает, что температура такой системы не зависит от относительных количеств находящихся в равновесии газа, жидкости и льда. Поэтому тройная точка является легко воспроизводимым стандартом температуры. Выбор числа 273,16 в качестве тройной точки воды является произвольным и связан со стремлением согласовать абсолютную шкалу с прочими традиционными шкалами.

На рис.4.1 приведена схема эталонной установки для получения тройной точки воды.

Установка используется для калибровки эталонного термометра, в качестве которого применяется платиновый термометр сопротивления.

Поиск по сайту: