Температура и методы ее измерения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Температура и методы ее измерения

В твердых телах происходят колебания молекул относительно положения равновесия. За движение молекул во всех трех направлениях отвечает кинетическая и потенциальная энергия.

Температура характеризует состояние тела независимо от его массы и химического состава. Поэтому температуру называют параметром состояния.

При соприкосновении двух тел, например, газообразных, переход тепла от одного тела к другому будет происходить до тех пор, пока значения средней кинетической энергии поступательного движения молекул этих тел не будут равны. С изменением средней кинетической энергии движения молекул тела изменяется степень его нагретости, а вместе с тем изменяются также физические свойства тела.

Возможность измерять температуру термометром основывается на явлении теплового обмена между телами с различной степенью нагретости и на изменении термометрических (физических) свойств веществ при нагревании. Следовательно, для создания термометра и построения температурной шкалы, казалось бы, возможно выбрать любое термометрическое свойство, характеризующее состояние того или иного вещества и на основании его изменений построить шкалу температур. Однако сделать такой выбор не так легко, так как термометрическое свойство должно однозначно изменяться с изменением температуры, не зависеть от других факторов и допускать возможность измерения его изменений сравнительно простым и удобным способом. В действительности нет ни одного термометрического свойства, которое бы в полной мере могло удовлетворить этим требованиям во всем интервале измеряемых температур.

На примере ртутного и спиртового термометра обычного типа видно, что если шкалы их между точками, соответствующими температурам кипения воды и таяния льда при нормальном атмосферном давлении, разделить на 100 равных частей (считая за 0 точку таяния льда), то очевидно, что показания обоих термометров ртутного и спиртового будут одинаковы в точках 0 и 100, потому что эти температурные точки были приняты за исходные для получения основного интервала шкалы.

Если этими термометрами будем измерять одинаковую температуру какой-либо среды не в этих точках, то показания их будут различны, так как коэффициенты объемного теплового расширения ртути и спирта различно зависят от температуры.

Термометром называют устройство (прибор), служащее для измерения температуры путем преобразования ее в показания или сигнал, являющийся известной функцией температуры. Чувствительным элементом термометра называют часть термометра, преобразующую тепловую энергию в другой вид энергии для получения информации о температуре. Различают термометры контактные и бесконтактные. Чувствительный элемент контактного термометра входит в непосредственное соприкосновение с измеряемой средой. Пирометром называют бесконтактный термометр, действие которого основано на использовании теплового излучения нагретых тел. Термокомплектом называют измерительную установку, состоящую из термометра, не имеющего собственной шкалы, и вторичного прибора, преобразующего выходной сигнал термометра в численную величину.

Температурные шкалы - это системы сопоставимых числовых значений температуры.

Поскольку температура не является непосредственно измеряемой величиной, то её значение определяют по температурному изменению какого-либо удобного для измерения физического свойства термометрического вещества. Выбрав термометрическое вещество и свойство, необходимо задать начальную точку отсчёта и размер единицы температуры - градуса. Таким образом, определяют эмпирические температурные шкалы.

В температурных шкалах обычно фиксируют две основные температуры, соответствующие точкам фазовых равновесий однокомпонентных систем (так называемые реперные или постоянные точки), расстояние между которыми называется основным температурным интервалом шкалы. В качестве реперных точек используют: тройную точку воды, точки кипения воды, водорода и кислорода, точки затвердевания серебра, золота и др. Размер единичного интервала (единицы температуры) устанавливают как определённую долю основного интервала. За начало отсчёта температурных шкал принимают одну из реперных точек.

Так можно определить эмпирическую (условную) температурную шкалу по любому термометрическому свойству х. Если принять, что связь между х и температурой t линейна, то температура

t^x = n (x_t - х₀) / (x_n - x₀)

где x_t, x₀ и x_n - числовые значения свойства х при температуре t в начальной и конечной точках основного интервала, (x_n - x₀) / n - размер градуса, n - число делений основного интервала.

Температурная шкала представляет собой, таким образом, систему последовательных значений температуры, связанных линейно со значениями измеряемой физической величины (эта величина должна быть однозначной и монотонной функцией температуры).

В общем случае температурные шкалы могут различаться по термометрическому свойству (им может быть тепловое расширение тел, изменение электрического сопротивления проводников с температурой и т. п.), по термометрическому веществу (газ, жидкость, твёрдое тело), а также зависеть от реперных точек.

В простейшем случае температурные шкалы различаются числовыми значениями, принятыми для одинаковых реперных точек. Так, в шкалах Цельсия (°С), Реомюра (°R) и Фаренгейта (°F) точкам таяния льда и кипения воды при нормальном давлении приписаны разные значения температуры.

Соотношение для пересчёта температуры из одной шкалы в другую:

n °C = 0,8n °R = (1,8n + 32) °F.

В температурной шкале Цельсия за начало отсчёта принята температура затвердевания воды (таяния льда), а интервал между температурами таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении (101325 паскалей или 760 мм рт. ст.) разделён на 100 равных частей (n = 100). Название данная шкала получила в честь предложившего её (в 1742 году) шведского учёного А. Цельсия (A. Celsius, 1701-1744). Температура по шкале Цельсия выражается в градусах Цельсия (°С), при этом температура таяния льда принимается равной 0 °С, кипения воды 100 °С.

Практическая температурная шкала Реомюра, предложена в 1730 году Р.А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр. Единица шкалы Реомюра - градус Реомюра (°R). 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками: таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R), т. е. 1 °R = 1,25 °С. В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

В температурной шкале Фаренгейта опорными точками являются температура таяния смеси снега и нашатыря (0 °F) и нормальная температура человеческого тела (100 °F), а величина градуса в шкале термометра определяется как сотая часть интервала между опорными точками. Таким образом, температурный интервал между точками таяния льда и кипения воды (при нормальном атмосферном давлении) разделён на 180 частей - градусов Фаренгейта (°F), причём точке таяния льда присвоено значение 32 °F, а точке кипения воды 212 °F. Данная шкала предложена в 1724 нем. физиком Д.Г. Фаренгейтом (1686-1736); традиционно применяется в ряде стран (в частности, в США).

Непосредственный пересчёт для температурных шкал, различающихся основными температурами, без дополнительных экспериментальных данных невозможен. Температурные шкалы, различающиеся по термометрическому свойству или веществу, существенно различны. Возможно неограниченное число не совпадающих друг с другом эмпирических температурных шкал, так как все термометрические свойства связаны с температурой нелинейно и степень нелинейности различна для разных свойств, и вещественную температуру, измеренную по эмпирической температурной шкале, называют условной («ртутная», «платиновая» температура и т. д.), её единицу - условным градусом.

Среди эмпирических температурных шкал особое место занимают газовые шкалы, в которых термометрическим веществом служат газы («азотная», «водородная», «гелиевая» температурные шкалы). Эти температурные шкалы меньше других зависят от применяемого газа и могут быть (введением поправок) приведены к теоретической газовой температурной шкале Авогадро, справедливой для идеального газа.

Абсолютной эмпирической температурной шкалой называют шкалу, абсолютный нуль которой соответствует температуре, при которой численное значение физического свойства х = 0 (например, в газовой температурной шкале Авогадро абсолютный нуль температуры соответствует нулевому давлению идеального газа). температуры t (x) (по эмпирической температурной шкале) и Т (Х) (по абсолютной эмпирической температурной шкале) связаны соотношением

T (X) = t (x) + T₀(x)

где T₀(x) - абсолютный нуль эмпирической температурной шкалы (введение абсолютного нуля является экстраполяцией и не предполагает его реализации).

Принципиальный недостаток эмпирических температурных шкал - их зависимость от термометрического вещества - отсутствует у термодинамической температурной шкалы, основанной на втором начале термодинамики. При определении абсолютной термодинамической температурной шкалы (шкала Кельвина) исходят из цикла Карно. Если в цикле Карно тело, совершающее цикл, поглощает теплоту Q₁ при температуре T₁ и отдаёт теплоту Q₂ при температуре Т₂, то отношениеT₁ / T₂ = Q₁ / Q₂ не зависит от свойств рабочего тела и позволяет по доступным для измерений величинам Q₁ и Q₂ определять абсолютную температуру. Вначале основной интервал этой шкалы был задан точками таяния льда и кипения воды при атмосферном давлении, единица абсолютной температуры соответствовала 1/100 части основного интервала, за начало отсчёта была принята точка таяния льда. В 1954г Х Генеральная конференция по мерам и весам установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой - тройной точкой воды, температура которой принята 273,16 К (точно), что соответствует 0,01°С. Температура Т в абсолютной термодинамической температурной шкале измеряется в кельвинах (К). Термодинамическая температурная шкала, в которой для точки таяния льда принята температура t = 0 °С, называется стоградусной.

Единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды; обозначается К. Названа по имени У. Томсона (Кельвина). До 1968 года именовалась градус Кельвина (°К). По размеру градус Кельвина равен градусу Цельсия (°С).

Соотношения между температурами, выраженными в шкале Цельсия и абсолютной термодинамической температурной шкалой:

T K = t °C + 273,15 K, n K = n °C.

В США и некоторых других странах, где принято измерять температуру по шкале Фаренгейта, применяют также абсолютную температурную шкалу Ранкина (названа по имени шотландского физика Уильяма Ранкина (1820-1872)). Градус по этой шкале равен градусу по шкале Фаренгейта. Шкала Ранкина начинается при температуре абсолютного нуля, точка замерзания воды соответствует 491,67 °Ra, точка кипения воды 671,67 °Ra.

Градусы Фаренгейта переводятся в градусы Ранкина по формуле °Ra = °F + 459,67.

Соотношение между кельвином и градусом Ранкина: n K = 1,8n °Ra.

Международная температурная шкала. При резко возросших потребностях в точной оценке температуры пересчеты с одной шкалы на другую создавали большие трудности и приводили к ряду недоразумений. Поэтому после нескольких лет подготовки и предварительных временных решений VIII Генеральная конференция мер и весов приняла в 1933 г. решение о введении Международной температурной шкалы (МТШ). Это решение было в законодательном порядке утверждено большинством развитых стран мира. В СССР Международная температурная шкала была введена с 1 октября 1934 г. (Общесоюзный стандарт ОСТ ВКС 6954).

Международная температурная шкала является практическим осуществлением термодинамической стоградусной температурной шкалы, у которой температура плавления льда и температура кипения воды

при нормальном атмосферном давлении соответственно-обозначены через 0° и 100°. МТШ основывается на системе постоянных, точно воспроизводимых температур равновесия (постоянных точек), которым присвоены числовые значения. Для определения промежуточных температур служат интерполяционные приборы, градуированные по этим постоянным точкам. Температуры, измеряемые по международной шкале, обозначаются через СС. В отличие от градусов шкалы Цельсия - базирующейся также на точках плавления льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении и имеющей обозначения 0° и 100°С, но построенной на иной основе (на линейной зависимости между температурой и расширением ртути в стекле), градусы по международной шкале стали называть "градусами международными" или "градусами стоградусной шкалы". Основные постоянные точки МТШ и присвоенные им числовые значения температур при нормальном атмосферном давлении приводятся ниже: (так же см. рис. №1):

а) температура равновесия между жидким и газообразным кислородом (точка кипения кислорода) - 182,960°

б) температура равновесия между льдом и водой, насыщенной воздухом (точка плавления льда) 0.000°

в) температура равновесия между жидкой водой и ее паром (точка кипения воды) 100,000°

г) температура равновесия между жидкой серой и ее паром (точка кипения серы) 414,600°

д) температура равновесия между твердым и жидким серебром (точка затвердевания серебра) 961.930°

е) температура равновесия между твердым и жидким золотом (точка затвердевания золота) 1064,430°

Таблица 1. Международная температурная шкала

Методы измерения температуры. Для определения значения температуры какого-либо тела необходимо выбрать эталон температуры, то есть тело, которое при определённых условиях, равновесных и достаточно легко воспроизводимых, имело бы определённое значение температуры. Это значение температуры является реперной точкой соответствующей шкалы температур - упорядоченной последовательности значений температуры, позволяющей количественно определять температуру того или иного тела. Температурная шкала позволяет косвенным образом определять температуру тела путем прямого измерения какого-либо его физического параметра, зависящего от температуры.

Наиболее часто при получении шкалы температур используются свойства вода. Точки таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении выбраны в качестве реперных точек в современных (но не обязательно изначальных) температурных шкалах, предложенных Андерсом Цельсием (1701-1744), Рене Антуаном Фершо Реомюром (1683 - 1757),

Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом (1686-1736). Последний создал первые практически пригодные спиртовой и ртутный термометры, широко используемые до сих пор. Температурные шкалы Реомюра и Фаренгейта применяют в настоящее время в США, Великобритании и некоторых других странах.

Введенную в 1742 году температурную шкалу Цельсия, который предложил температурный интервал между температурами таяния льда и кипения воды при нормальном давлении (1 атм или 101 325 Па) разделить на сто равных частей (градусов Цельсия), широко используют и сегодня, правда в уточненном виде, когда один градус Цельсия считается равным одному кельвину. При этом температура таяния льда берется равной 0 ?C, а температура кипения воды становится приблизительно равной 100 ?C.

Возникающие при этом поправки, как правило, не имеют существенного значения, так как большинство используемых спиртовых, ртутных и электронных термометров не обладают достаточной точностью (поскольку в этом обычно нет необходимости). Это позволяет не учитывать указанные, очень небольшие поправки.

После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы.

Первая шкала - термодинамическая, которая не зависит от свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно. Эта температурная шкала подробно рассмотрена в третьей главе. Отметим только, что единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин (1 К), одна из семи основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина) (1824-1907), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия. Вторая рекомендованная температурная шкала - международная практическая.

Эта шкала имеет 11 реперных точек - температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1 К.

В настоящее время основной реперной точкой, как термодинамической шкалы, так и международной практической шкалы температур является тройная точка воды. Эта точка соответствует строго определенным значениям температуры и давления, при которых вода может одновременно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Причем, если состояние термодинамической системы определяется только значениями температуры и давления, то тройная точка может быть только одна. В системе СИ температура тройной точки воды принята равной 273,16 К при давлении 609 Па.

Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство тела, описывающееся физической величиной, изменение которой является признаком изменения температуры или термометрическим признаком. Это свойство должно быть достаточно легко воспроизводимо, а физическая величина - легко измеряемой. Измерение указанной физической величины позволяет получить набор температурных точек (и соответствующих им значений температуры), промежуточных по отношению к реперным точкам.

Тело, с помощью измерения термометрического признака которого осуществляется измерение температуры, называется термометрическим телом.

Термометрическими признаками могут быть изменения: объёма газа или жидкости, электрического сопротивления тел, разности электрического потенциала на границе раздела двух проводящих тел и т.д. Соответствующие этим признакам приборы для измерения температуры (термометры) будут: газовый и ртутный термометры, термометры, использующие в качестве датчика термосопротивление или термопару.

По принципу действия все термометры делятся на следующие группы, которые используются для различных интервалов температур:

Термометры расширения от - 260 до +700 °С, основанные на изменении объемов жидкостей или твердых тел при изменении температуры.

Манометрические термометры от - 200 до +600 °С, измеряющие температуру по зависимости давления жидкости, пара или газа в замкнутом объеме от изменения температуры.

Термометры электрического сопротивления стандартные от -270 до +750 °С, преобразующие изменение температуры в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников.

Термоэлектрические термометры (или пирометры), стандартные от -50 до +1800 °С, в основе преобразования которых лежит зависимость значения электродвижущей силы от температуры спая разнородных проводников.

Пирометры излучения от 500 до 100000 °С, основанные на измерении температуры по значению интенсивности лучистой энергии, испускаемой нагретым телом,

Термометры, основанные на электрофизических явлениях от -272 до +1000 °С (термошумовые термоэлектрические преобразователи, объемные резонансные термопреобразователи, ядерные резонансные термопреобразователи).

Контактный метод измерения температуры. Существуют два основных способа для измерения температур - контактные и бесконтактные. Контактные способы основаны на непосредственном контакте измерительного преобразователя температуры с исследуемым объектом, в результате чего добиваются состояния теплового равновесия преобразователя и объекта.

Этому способу присущи свои недостатки. Температурное поле объекта искажается при введении в него термоприемника. Температура преобразователя всегда отличается от истинной температуры объекта. Верхний предел измерения температуры ограничен свойствами материалов, из которых изготовлены температурные датчики.

Кроме того, ряд задач измерения температуры в недоступных вращающихся с большой скоростью объектах не может быть решен контактным способом.

Газовый термометр постоянного объёма (рис. № 2) состоит из термометрического тела - порции газа, заключенной в сосуд, соединенный с помощью трубки с манометром.

Измеряемая физическая величина (термометрический признак), обеспечивающая определение температуры, - давление газа при некотором фиксированном объёме. Постоянство объёма достигается тем, что вертикальным перемещением левой трубки уровень в правой трубке манометра доводится до одного и того же значения (опорной метки) и в этот момент производится измерения разности высот уровней жидкости в манометре. Учет различных поправок (например, теплового расширения стеклянных деталей термометра, адсорбции газа и т.д.) позволяет достичь точности измерения температуры газовым термометром постоянного объема, равной одной тысячной кельвина.

температура термодинамический кельвин жидкостной



Схема газового термометра

Газовые термометры имеют то преимущество, что температура, определяемая с их помощью, при малых плотностях газа не зависит от природы используемого газа, а шкала газового термометра - хорошо совпадает с абсолютной шкалой температур.

Газовые термометры используют для градуировки других видов термометров, например, жидкостных. Они более удобны на практике, однако, шкала жидкостного термометра, проградуированного по газовому, оказывается, как правило, неравномерной. Это связано с тем, что плотность жидкостей нелинейным образом зависит от их температуры.

Жидкостной термометр - это наиболее часто используемый в обыденной жизни термометр, основанный на изменении объёма жидкости при изменении её температуры. В ртутно-стеклянном термометре термометрическим телом является ртуть, помещенная в стеклянный баллон с капилляром. Термометрическим признаком является расстояние от мениска ртути в капилляре до произвольной фиксированной точки. Ртутные термометры используют в диапазоне температур от -35 oC до нескольких сотен градусов Цельсия.

Схема жидкостного термометра

При высоких температурах (свыше 300 °C) в капилляр накачивают азот (давление до 100 атм или 107 Па), чтобы воспрепятствовать кипению ртути. Применение в жидкостном термометре вместо ртути таллия позволяет существенно понизить нижнюю границу измерения температуры до -59 °C.

Другими видами широко распространённых жидкостных термометров являются спиртовой (от -8 °C до +8 °C) и пентановый (от -200 °C до +35°C). Отметим, что воду нельзя применять в качестве термометрического тела в жидкостном термометре: объём воды с повышением температуры сначала падает, а потом растёт, что делает невозможным использование объема воды в качестве термометрического признака.

С развитием измерительной техники, наиболее удобными техническими видами термометров стали те, в которых термометрическим признаком является электрический сигнал. Это термосопротивления (металлические и полупроводниковые) и термопары.

В металлическом термометре сопротивления измерение температуры основано на явлении роста сопротивления металла с ростом температуры. Для большинства металлов вблизи комнатной температуры эта зависимость близка к линейной, а для чистых металлов относительное изменение их сопротивления при повышении температуры на 1 К (температурный коэффициент сопротивления) имеет величину близкую к 4*10-3 1/К. Термометрическим признаком является электрическое сопротивление термометрического тела - металлической проволоки. Чаще всего используют платиновую проволоку, а также медную проволоку или их различные сплавы. Диапазон применения таких термометров от водородных температур (~20 К) до сотен градусов Цельсия. При низких температурах в металлических термометрах зависимость сопротивления от температуры становится существенно нелинейной, и термометр требует тщательной калибровки.

В полупроводниковом термометре сопротивления (термисторе) измерение температуры основано на явлении уменьшения сопротивления полупроводников с ростом температуры. Так как температурный коэффициент сопротивления полупроводников по абсолютной величине может значительно превосходить соответствующий коэффициент металлов, то и чувствительность таких термометров может значительно превосходить чувствительность металлических термометров.

Специально изготовленные полупроводниковые термосопротивления могут быть использованы при низких (гелиевых) температурах порядка нескольких кельвин. Однако следует учитывать то, что в обычных полупроводниковых сопротивлениях возникают дефекты, обусловленные воздействием низких температур.

Это приводит к ухудшению воспроизводимости результатов измерений и требует использования в термосопротивлениях, специально подобранных полупроводниковых материалов.

Другой принцип измерения температуры реализован в термопарах. Термопарапредставляет собой электрический контур, спаянный из двух различных металлических проводников, один спай которых находится при измеряемой температуре (измерительный спай), а другой (эталонный спай) - при известной температуре, например, при комнатной температуре. Из-за разности температур спаев возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС), измерение которой позволяет определять разность температур спаев, а следовательно, температуру измерительного спая.

В таком термометре термометрическим телом является спай двух металлов, а термометрическим признаком - возникающая в цепи термо-ЭДС. Чувствительность термопар составляет от единиц до сотен мкВ/К, а диапазон измеряемых температур от нескольких десятков кельвин (температуры жидкого азота) до полутора тысяч градусов Цельсия. Для высоких температур применяются термопары из благородных металлов. Наибольшее применение нашли термопары на основе спаев следующих материалов: медь-константан, железо-константан, хромель-алюмель, платинородий - платина.



Схема термопары

Следует отметить, что термопара способна измерить только разность температур измерительного и свободного спаев. Свободный спай находится, как правило, при комнатной температуре. Поэтому для измерения температуры термопарой необходимо использовать дополнительный термометр для определения комнатной температуры или систему компенсации изменения температуры свободного спая.

В радиотехнике часто применяют понятие шумовой температуры, равной температуре, до которой должен быть нагрет резистор, согласованный с входным сопротивлением электронного устройства, чтобы мощность тепловых шумов этого устройства и резистора были равными в определенной полосе частот.

Возможность введения такого понятия обусловлена пропорциональностью средней мощности шума (среднего квадрата шумового напряжения на электрическом сопротивлении) абсолютной температуре сопротивления. Это позволяет использовать шумовое напряжение в качестве термометрического признака для измерения температуры. Шумовые термометры используются для измерения низких температур (ниже нескольких кельвинов), а также в радиоастрономии для измерения радиационной (яркостной) температуры космических объектов

Бесконтактный метод измерения температуры. Пирометр представляет собой специальный прибор, предназначенный для эффективного измерения бесконтактным способом температур различных тел. В специализированной литературе можно встретить еще одно название подобного прибора - инфракрасный термометр. Это связано с тем, что принцип работы устройства основан на получении инфракрасного излучения, поступающего от диагностируемого объекта, которое затем преобразуется в электрический сигнал.

Пирометры получили широкое распространение, как в промышленном производстве и в некоторых областях технологического производства, так и в нашем повседневном быту. Уникальность подобных приборов заключается в том, что они позволяют измерять температуру тел в труднодоступных местах, на объектах, опасных для человеческого здоровья, а также температуру объектов, находящихся в движении.

На сегодняшний день, практически, ни одна промышленная отрасль (сталелитейная, нефтеперерабатывающая) не обходится без применения пирометров.

Существует широкий спектр подобного оборудования, представленный, как отечественными, так и западными производителями: яркостные, цветовые и радиационные пирометры, низкотемпературные и высокотемпературные, которые используются в той или иной области.

Среди методов измерения температуры можно выделить 2 основных: измерение температуры контактным и бесконтактным способом. В промышленности в этом случае распространены методы именно бесконтактного измерения ввиду их простоты и эффективности, а также точности и объективности результатов измерения.

Особенности реализации приборов позволяют применять их для измерения температуры практически для любых целей и в любых условиях, где это необходимо.

На данном этапе уровень развития теоретической и практической физики позволяет получать результаты измерения какой-либо величины не прямым, а косвенным способом через обоснованные связи измеряемой физической величины с другими величинами, чье измерение не составляет труда. Так, например, чтобы получить численное значение ускорения движущегося тела, необходимо лишь зафиксировать начальную и конечную скорость, а также пройденный участок пути, не прибегая к помощи акселерометров (приборов для измерения ускорения). По аналогичному принципу достаточно удобно измерять температуру. Измерение температуры совсем незатруднительно проводить оптическим способом: нагретые до какой-либо температуры тела излучают волны соответствующей данной температуре длины волны (лямбда) в диапазоне длин волн, соответствующих инфракрасному диапазону частот (обратная зависимость длины волны).

В основе принципа действия бесконтактных термометров (инфракрасных термометров или же пирометров) как раз положен оптический метод измерения температуры.

Пирометр



Схема пирометра

Температура тела характеризует энергию, с которой движутся его молекулы.

В твердых телах происходят колебания молекул относительно положения равновесия. За движение молекул во всех трех направлениях отвечает кинетическая и потенциальная энергия.

Температура характеризует состояние тела независимо от его массы и химического состава. Поэтому температуру называют параметром состояния.

Многие физические свойства зависят от температуры:

· Объем тела, как правило увеличивается с повышением температуры

· При повышении температуры вещество переходит в жидкое, а затем в газообразное состояние

· У металлов удельное электрическое сопротивление возрастает с повышением температуры, а у полупроводников падает.

· Многие «Константы» вещества (скорость звука, удельная теплоемкость коэффициент теплового расширения и др.) также зависят от температуры.

Большинство физических величин, зависящих от температуры используют для ее измерения.

Начнем с первого, самого элементарного. Зная критические точки для агрегатного состояния вещества можно легко определить температуру визуально. В одном стакане находится лед, а в другом происходят процессы кипения, и вода испаряется. Исходя из этого можно сделать вывод, что температура воды в первом стакане около нуля градусов, температура второго - 100 градусов.

Этот метод очень грубый и позволяет определить лишь температуру перехода, используя метод наблюдения.

Перейдем к более точному методу. Попробуем определить температуру воды на ощупь. Опустив руки в стаканы, мы сразу поймем, где горячая вода, а где холодная. Потом опустим руки в два других сосуда и попытаемся определить температуру воды. Нам будет казаться, что вода в правом стакане будет холоднее, чем в левом. И мы будем неправы, т.к температура в обоих сосудах для воды - одинаковая. Это связано с несовершенством наших органов чувств. Такое определение температуры зависит от температуры нашего тела и вносит в наше измерение долю субъективности.

Так же температуру можно измерить, зная свойства белков. Как вы думаете, какова температура воздуха на данной картинке?

Если вы видите такую картину, значит температура воздуха 42 градуса и выше. При такой температуре происходит денатурация белка.

Природные белковые тела наделены определенной, строго заданной конфигурацией и обладают рядом характерных свойств при значениях температуры.

Под влиянием различных факторов белки подвергаются свертыванию и выпадают в осадок, теряя свои свойства. Таким образом, денатурация - это нарушение общего плана уникальной структуры молекулы белка, приводящее к потере характерных для нее свойств.

Существует способ определения температуры тела основываясь на человеческой физиологии. Нормальный пульс человека - около 75 ударов в минуту, при повышении температуры на один градус, пульс учащается на 10 ударов. Именно таким методом можно определить температуру, не имея при себе градусника.

Люди, занимающиеся металлообработкой, умеют определять температуру стальных изделий, хоть приблизительно, но оперативно и без приборов.

При нагревании некоторых металлов до определенных температур окисные пленки на их поверхности могут приобретать различные цвета, такие цвета и их оттенки, характерные для температур, вызвавших их появление, называют цветами побежалостей. При плавном нагревании можно увидеть широкую цветотемпературную область. По шаблону, как видно на картинке, можно определить температуру нагрева.

Закончим с экзотическими методами определения температуры и перейдем к более привычным.

Специальные приборы, которыми пользуются вот уже 400 лет называются термометрами.

Термометр - прибор для измерения температуры: воздуха, воды, почвы, тела человека и других физических тел. Термометры применяются в метеорологии, гидрологии, медицине и в других науках и отраслях хозяйства.

Сопротивление металлов меняется с температурой. Сила тока в цепи зависит от сопротивления проводника, а, следовательно, и от его температуры. Именно на этом принципе основано действие электронных термометров.

Безусловными преимуществам данных приборов является надежность, безопасность и скорость. К недостаткам можно лишь отнести высокую стоимость и меньшую точность в отличии от ртутных термометров.

Следующий вид термометров - термометры расширения.

Объем тела зависит от температуры. При нагревании тело расширяется. Термометры расширения основываются на этом принципе. В качестве термометрического вещества очень часто используют химически чистую ртуть. Она не смачивает стекло и остается жидкой в широком интервале температур.

К плюсам можно отнести низкую цену и высочайший класс точности. А в минусах стоит указать токсичность и время измерения температуры. Для точных измерений следует держать градусник около 10 минут.

Измерение температуры бесконтактным методом

Бесконтактный метод служит для измерений высоких температур, где невозможно измерять контактными методами и не требуется высокой точности.

Бесконтактный способ измерения температуры основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой лучеиспусканием и воспринимаемой на расстоянии от исследуемого объекта.

Измерение температуры тел по их тепловому излучению называют пирометрией, а средства измерений - пирометрами излучения.

Бесконтактные методы измерения температуры теоретически не имеют верхнего температурного предела своего применения. Так, температура источника со сплошным спектром излучения, близкая к 6000°С измеряется теми же методами, что и температура в 2000 °С

Несмотря на появление точных электронных термометров ртутный градусник до сих пор держит планку качества. Из всех вышеперечисленных методов считаю определение температуры по объемам расширения самым оптимальным, исходя из таких качеств как: доступность, точность и простота.

Заключение

Изучив большинство методов измерения температуры пришел к выводу, что идеальных датчиков не существует. Каждый метод обладает своими преимуществами и недостатками. В критических условиях лучше всего проявляют себя пирометры, т.к им не нужно находиться в непосредственном контакте с объектом, но стоимость данных приборов очень высока и из этого вытекает один из главных недостатков - доступность. Контактные термометры (в быту - градусники) обладают рядом положительных качеств, такие как- цена доступность, простота, прочность и тд. Но они не подходят для измерения движущих объектов и компонентов в экстремальных условиях. В измерениях температуры многое зависит от обстоятельств и зная плюсы и минусы каждого метода, можно выбрать оптимальный способ и тем самым минимизировать ресурсы и траты.

Источники

http://www.aif.ru/health/life/39920 22.04.2016 15-43

http://ralinda.ru/327-proveryaem-temperaturu-tela-bez-termometra 22.04.2016 18-50

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0 22.04.2016 13-32

http://www.t-z-n.ru/precold/int_scale.html 22.04.2016 14-00

Чистяков, С.Ф., Радун Д. В. Теплотехнические измерения и приборы. / С.Ф.

К. Хунг Справочник по физике

Размещено на Allbest.ru