Термометры

Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. При изменении температуры изменяются различные свойства вещества. Поэтому для создания термометра необходимо выбрать какое-либо термометрическое тело и определенную величину, характеризующую свойства вещества (термометрическую величину), например, железный стержень и его длину. Необходимо также установить единицу температуры – градус и начало отчёта шкалы температур.

Современная термометрия основана на шкале идеальногогаза, устанавливаемой с помощью газовоготермометра постоянногообъёма. Газовый термометр является эталонным первичным термометром, по которому градуируют все вторичные термометры. При изохорном процессе (V = const) по закону Шарля
p / T = const или p _K/ p ₀ = T _K/ T ₀, где Т ₀ и Т _К – температуры таяния льда и кипения воды. Отношение p _K/ p ₀ = 1,3661 легко определить из опыта. Размер градуса выбирается так: Т _К – Т ₀ = 100 (т.е. делением разности Т _К – Т ₀ на 100 частей). Из двух последних уравнений получают, что Т ₀ = 273,15 К, Т _К = 373,15 К. Но температуры Т ₀ и Т _К зависят от внешнего давления. Поэтому в системе СИ условились определять температуру по одной реперной (опорной) точке - тройной точке воды.

Температура тройной точки воды принята равной 273,16 К. Единица температуры (кельвин) определяется как 1/273,16 температуры тройной точки воды.

Выбрав газ в качестве термометрического тела, а его давление в качестве термометрической величины, можно определять температуру по формулам Т = 273,16 р / р _тр.т или Т = 273,15 р / р ₀, где р _тр.т = 4,58 мм рт. ст – давление в тройной точке воды
(t _тр.т = 0,01 °С); р ₀ – давление при 0 °С (273,15 К); р – давление при измеряемой температуре. Определённая таким образом шкала температур называется термодинамической шкалой температур. (Существуют и другие температурные шкалы: Цельсия, Реомюра, Фаренгейта.)

Упрощенная схема газового термометра изображена на рис. 73. Он состоит из колбы с разряженным газом (водород, гелий, азот). Колба соединена с ртутным манометром тонкой трубкой. Поднимая и опуская трубку манометра, поддерживают постоянным объём газа (уровень ртути должен совпадать с опорной меткой). Высота столбика ртути покажет значение температуры газа в колбе. Достоинства: при малых давлениях все газы близки к идеальному, и газовый термометр даёт одинаковые показания независимо от используемого газа. Газовый термометр калибруется по реперным точкам, которыми являются тройные точки водорода, кислорода, воды, температуры плавления олова, цинка, серебра и золота.

Термин «термодинамическая температура» происходит от того, что можно совершенно независимо дать определение температуры из второго начала термодинамики и обратимого цикла Карно. В самом деле, если приравнять формулы, выражающие КПД цикла Карно через температуру и количество теплоты, то можно получить равенство: T ₂/ T ₁ = Q ₂/ Q ₁. Таким образом, для сравнения температур Т ₁ и Т ₂ двух тел необходимо осуществить цикл Карно, в котором одно тело (исследуемое) используется в качестве нагревателя, а второе (например, тающий лед) – в качестве холодильника. Термодинамической величиной будут являться количества теплоты Q ₁ и Q ₂. Согласно теоремам Карно химический состав рабочего тела не влияет на результаты сравнения температур, поэтому такая термодинамическая шкала не связана со свойствами какого-то определенного термометрического тела.

В жидкостных термометрах термометрическим телом является жидкость (пентан, этиловый спирт, толуол, ртуть), а термометрической величиной – объём (а точнее, относительное изменение объёмов, так как жидкость при нагревании расширяется больше, чем стекло). Область применения жидкостных термометров (–200¼+600 °С) ограничена тем, что в области низких температур жидкости замерзают, а при высоких температурах стекло размягчается. Жидкостные термометры обладают невысокой точностью, так как тепловое расширение нелинейно в широком диапазоне температур.

В жидкостных манометрических термометрах давление расширяющейся от нагревания жидкости измеряется манометром, шкала которого проградуирована в единицах температуры.

Существуют укороченные термометры (для увеличения точности отсчета по шкале). Например, термометр со шкалой от +50 до +100 °С; а при более низких температурах жидкость заполняет расширение внизу капиллярной трубки.

Существуют максимальные термометры (например, медицинские), показывающие максимальную температуру. При нагревании ртуть продавливается через сужение в капиллярной трубке, а обратно ртуть не может опуститься из-за несмачивания стекла.

Термометры сопротивления. Термометрическое тело – металлическая проволока, термометрическая величина – электрическое сопротивление: R = R ₀ (1+a t). Наиболее часто применяются платина (–200¼+1100 °С) и медь (–200¼+100 °С).

Разновидностью термометров сопротивления являются полупроводниковые терморезисторы, у которых при нагревании сопротивление уменьшается (рис. 74).

Термопары основаны на термоэлектричестве (эффект Зеебека). Электрическая цепь составлена из двух разнородных проволок, сваренных концами (рис. 75). Если концы проволок имеют разные температуры Т ₁ и Т ₂, то возникает термоЭДС и в цепи идет ток. ТермоЭДС измеряется милливольтметром, включенным в разрыв цепи. Материалы для термопар: медь – константан, железо – константан, хромель – алюмель, хромель – копель, платина – (платина + 10% родия). Чувствительность термопар составляет 6–75 мкВ/К.

Биметаллический термометр представляет собой биметаллическую пластину, закрученную в спираль, один конец которой закреплен, а другой соединен со стрелкой (рис. 76).

При температурах в тысячи градусов применяются неконтактные методы (так как нет таких тугоплавких термометров). Эти методы основаны на измерении испускаемого телом электромагнитного излучения. До 4000–6000 К используют пирометры, которые измеряют инфракрасное и видимое излучение (сплошной спектр). Свыше 6000 К излучение обусловлено процессами диссоциации и ионизации и используют спектроскопические методы (линейчатый спектр).

Для примера рассмотрим яркостный пирометр с исчезающей нитью накаливания, в котором изображение объекта 1 (рис. 77) при помощи объектива 2 совмещается с плоскостью нити лампы накаливания 4. Рассматривая изображение объекта и нити через красный светофильтр 5 и окуляр 6, наблюдатель визуально сравнивает яркость измеряемого излучения и яркость контрольного излучателя – накаленной нити вольфрама. Если яркости одинаковы, то середина нити накаливания исчезнет (перестанет быть видимой) на фоне изображения измеряемого объекта. Выровнять яркости можно двумя способами: 1) менять ток через нить накаливания; 2) изменять яркость излучения перемещением нейтрального поглотителя с переменной плотностью (оптического клина) 3. Температура определяется по шкале отсчетного устройства, регистрирующего положение клина или ток накала лампы.