ТЕМПЕРАТУРА
И ЕЁ ИЗМЕРЕНИЕ.
Температура
– это физическая величина, характеризующая
степень нагретости тела. Если два тела
разной температуры привести в
соприкосновение, то, как показывает
опыт, более нагретое тело будет
охлаждаться, а менее нагретое –
нагреваться, т.е. происходит теплообмен
– передача энергии от более нагретого
тела к менее нагретому без совершения
работы.
Энергия,
передаваемая при теплообмене, называется
количеством
теплоты.
Через
некоторое время после приведения тел
в соприкосновение они приобретают
одинаковую степень нагретости, т.е.
приходят в состояние теплового
равновесия.
Тепловое
равновесие
– это такое состояние системы тел,
находящихся в тепловом контакте, при
котором теплообмен не происходит и все
макропараметры тел остаются неизменными,
если внешние условия не меняются.
При
этом два параметра – объём и давление
– могут быть различными для разных тел
системы, а третий, температура, в случае
теплового равновесия одинаков для всех
тел системы. На этом основано определение
температуры.
Физический
параметр, одинаковый для всех тел
системы, находящихся в состоянии
теплового равновесия, называется
температурой
этой системы.
Например,
система состоит из двух сосудов с газом.
Приведём их в соприкосновение. Объём и
давление газа в них могут быть различными,
а температура в результате теплообмена
станет одинаковой.
Для
измерения температуры используют
физические приборы – термометры, в
которых о величине температуры судят
по изменению какого-либо параметра.
Для
создания термометра необходимо:
При
измерении температуры термометр приводят
в тепловой контакт с телом, температура
которого измеряется, и после того, как
установится тепловое равновесие
(показания термометра перестанут
меняться), считывается показание
термометра.
Параметры,
описывающие состояние системы,
взаимозависимы. Установить зависимость
друг от друга сразу трёх параметров
сложно, поэтому немного упростим задачу.
Рассмотрим процессы, при которых
а)
количество вещества (или масса) постоянно,
т.е. ν=const
(m=const);
б)
значение одного из параметров фиксировано,
т.е. постоянно либо давление, либо объём,
либо температура.
Такие
процессы называются изопроцессами.
1).Изотермический
процесс, т.е.
процесс, происходящий с одним и тем же
количеством вещества при постоянной
температуре.
Исследован
Бойлем (1662 г.) и Мариоттом (1676 г.).
Упрощённая
схема опытов такова. Рассмотрим сосуд
с газом, закрытый подвижным поршнем, на
который устанавливаются грузики,
уравновешивающие давление газа.
Опыт
показал, что произведение давления на
объём газа при постоянной температуре
есть величина постоянная. Это значит
Объём
V
данного количества газа ν при постоянной
температуре t0
обратно пропорционален его давлению,
т.е.
.
График
зависимости давления от объёма при
постоянной температуре называется
изотермой. Чем больше температура, тем
выше на графике располагается изотерма.
2).Изобарный
процесс, т.е.
процесс, происходящий с одним и тем же
количеством вещества при постоянном
давлении.
Исследован
Гей-Люссаком (1802 г.).
Упрощённая
схема такова. Сосуд с газом закрыт
подвижным поршнем, на котором установлен
грузик, уравновешивающий давление газа.
Сосуд с газом нагревается.
Опыт
показал, что при нагревании газа при
постоянном давлении его объём изменяется
по следующему закону:
где
V0
– объём газа при температуре t0
= 00C;
V
– объём газа при температуре t0,
αv
– температурный коэффициент объёмного
расширения,
Объём
данного количества газа при постоянном
давлении линейно зависит от температуры.
График
зависимости объёма газа от температуры
при постоянном давлении называется
изобарой.
Если
экстраполировать (продолжить) изобары
в область низких температур, то все они
сойдутся в точке, соответствующей
температуре t0=
– 2730С.
3).Изохорный
процесс,
т.е. процесс, происходящий с одним и тем
же количеством вещества при постоянном
объёме.
Исследован
Шарлем (1802 г.).
Упрощённая
схема такова. Сосуд с газом закрыт
подвижным поршнем, на который
устанавливаются грузики, уравновешивающие
давление газа. Сосуд нагревается.
Опыт
показал, что при нагревании газа при
постоянном объёме его давление изменяется
по следующему закону:
где
P0
– объём газа при температуре t0
= 00C;
P
– объём газа при температуре t0,
αp
– температурный коэффициент давления,
Давление
данного количества газа при постоянном
объёме линейно зависит от температуры.
График
зависимости давления газа от температуры
при постоянном объёме называется
изохорой.
Если
экстраполировать (продолжить) изохоры
в область низких температур, то все они
сойдутся в точке, соответствующей
температуре t0=
– 2730С.
Английский
учёный Кельвин предложил переместить
начало температурной шкалы влево на
2730
и назвать эту точку абсолютным нулём
температуры. Масштаб новой шкалы такой
же, как и у шкалы Цельсия. Новая шкала
называется шкалой Кельвина или абсолютной
термодинамической шкалой. Единица
измерения – кельвин.
Нулю
градусов Цельсия соответствует 273 К.
Температура по шкале Кельвина обозначается
буквой Т.
T
= t0C
+ 273
t0C
= T
– 273
Новая
шкала оказалась более удобной для записи
газовых законов.
В быту и на производстве мы часто обращаемся к “температуре” и “измерение температуры” “термометрами”:
– меряем температуру тела;
– смотрим на уличный термометр за окном, чтобы решить как одеться;
Обычно под температурой мы понимаем просто степень нагретости тела: горячо – жарко, холодно – тепло.
Для точного измерения температуры в рамках какого-либо технологического процесса необходимо создать измерительную систему с учетом всех влияющих факторов. Тот же процесс инкубации яиц, чтобы вывести яйца в инкубаторе необходимо регулировать температуру.
Из четырёх величин Международной системы единиц (СИ), неразрывно связанных с человеческой деятельностью: массой, длиной, временем и температурой, последняя оставалась полной загадкой для человечества вплоть до 18 века.
Но и сегодня , кто пользуется различными средствами измерения температуры, , же они .
То же давление легко воспринимается, так как оно связано с силой и может быть без труда определено количественно. С температурой невозможно связать количественную величину.
Теория (кратко).
В быту мы оцениваем температуру по ощущениям: горячо, тепло, холодно. Казалось бы, если одно тело горячее другого, то и его температура должна быть больше. Но это не так. Попробуйте взять в разогретой сауне в руку деревянный ковшик и металлический ковшик. Совершенно разные ощущения, хотя температура одна. Но если мы хотим сравнить температуру одинаковых по своей природе объектов, то можем сделать это с высокой точностью.
Совершенно обратная ситуация с влажностью воздуха: очень трудно определить влажность воздуха по своим ощущениям. Однако эта характеристика прекрасно понимается в количественном выражении – это количество молекул воды в единице объёма.
Существуют несколько определений температуры. Одно из них наиболее близкое людям, занимающимся практическими измерениями и исходит из нулевого закона термодинамики:
если два тела находятся в состоянии теплового равновесия, то они имеют одинаковую температуру.
Таким образом, если мы обеспечим хороший тепловой контакт термометра с измеряемой средой, то по прошествии некоторого времени, необходимого для установления теплового равновесия, температуры термометра и среды будут одинаковы. Естественно, что данный вывод будет верен, только если наша система изолирована от других тел и не совершается никакой работы.
Ну а само понимание физической природы температуры приходит только после изучения статистической механики, где температура представлена как мера кинетической энергии тела.
Для корректного изложения вопросов измерения температуры необходимо дать ее точное физическое определение.
— физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или вещества.
Из определения следует, что она не может быть колличественно измерена непосредственно и судить о ней можно по изменению других физических свойств тел (объема, давления, электрического сопротивления, термоЭДС, интенсивности излучения и т.д.).
В зависимости от диапазона измеряемых температур различают две основные группы методов измерения:
Кроме того, в системах, не требующих высокой точности измерений, в определенном диапазоне температур полупроводниковые датчики температуры на диодах, транзисторах и специальных интегральных микросхемах.
Историческая справка.
Первое достоверно известное устройство для измерения температуры было создано Г. Галилеем около 1595 г. Этот прибор (термоскоп) использовал явление изменения объема газа при нагревании и охлаждении. Однако этот прибор (и последующие аналоги) имел большой недостаток: его шкала была относительной и показания не могли быть выражены в численной форме.
Крупным шагом в развитии термометрии было введение изобретателем ртутного термометра Г.Фаренгейтом (G. Fahrenheit) в начале 18 века первой температурной шкалы, названной его именем, опирающейся на две опорные точки. В качестве нижней опорной точки (0°F) он использовал температуру замерзания солевого раствора, самую низкую воспроизводимую в то время, а в качестве верхней точки температуру тела человека (96°F – в старину было удобнее считать дюжинами). Сам изобретатель определял вторую эталонную точку как температуру под мышкой здорового англичанина.
Привычная нам десятичная температурная шкала была предложена А. Цельсием (A. Celsius) в 1742 году. В качестве опорных точек для нее используются температура плавления льда (0°C) и температура кипения воды (100°C).
Наконец, в начале 19 века английским ученым лордом Кельвином (Kelvin) была предложена универсальная абсолютная термодинамическая температурная шкала, ставшая стандартной в современной термометрии. Одновременно Кельвин обосновал понятие абсолютного нуля температуры.
Перевести температуру из одной шкалы в другую можно с помощью следующих простых соотношений:
T(°C)= (T(°F) – 32)*5/9
T(K)=T(°C) + 273,15
0°C соответствует 32°F и 273,15 К,
а 100°C — 212°F и 373,15 К.
Выбор между этими опорными точками 100 делений у шкалы Цельсия и 180 делений у шкалы Фаренгейта является чисто условным (как, впрочем, и выбор самих опорных точек).
Для обеспечения единства измерений температуры в качестве международного стандарта в 1968 году принята Международная Практическая Температурная Шкала МПТШ68 (в настоящее время в качестве стандарта принята уточненная в 1990 году версия шкалы ITS90), использующая в качестве опорных точек температуры изменения агрегатного состояния определенных веществ, которые могут быть воспроизведены. Кроме того, стандарт определяет типы образцовых средств измерения во всем диапазоне температур.
Перечень основных фиксированных точек МПТШ68
Принято считать, что первый термометр, работающий на расширении воздуха, был изобретён Галилеем примерно в 1592 г. А в 1641 году появился первый, реально работающий спиртовой стеклянный термометр, созданный герцогом Тосканским. С этого момента началось быстрое развитие термометрии. В начале 18-ого века Фаренгейт первым изготовил ртутный стеклянный термометр и предложил температурную шкалу, в которой одной из фиксированных точек служила температура человеческого тела, которую он принял за 96 градусов, а другой – температура таяния льда -32 градуса. Ну а кульминационной точкой в развитии практической термометрии явилось принятие в 1927 году Международной температурной шкалы МТШ-27. В дальнейшем температурная шкала совершенствовалась и расширялась практически до 0 К.
Температура – параметр, который можно измерить только косвенно, по изменению других физических параметров. Термометрию различают на первичную и вторичную. В первичной термометрии температура явно описывается через другие физические параметры, например для газовых термометров это давление и объём. Примерами вторичных термометров являются термометры сопротивления и термопары. В промышленности термометры сопротивления и термопары являются основными средствами контроля температуры, закрывая диапазон измерения от минус 200 до + 2500⁰С и более.
В последнее время платиновые термосопротивления активно начали вытеснять медные и . Связано это с появлением на рынке недорогих платиновых плёночных термочувствительных элементов, которые в отличие от медных являются более стабильными и работают в более широком диапазоне температур. А по сравнению с термопарами – обеспечивают более высокую точность измерения и не требуют использования дорогого термокомпенсационного кабеля.
Однако в России медные термометры до сих пор находят широкое применение. Одно из основных преимуществ меди – это очень хорошая линейная зависимость её сопротивления от температуры в диапазоне от минус 50 до + 200⁰С и более высокая чем у платины чувствительность. Свыше 200⁰С медь начинает очень быстро окисляться на воздухе, поэтому обычно верхний предел измерения для медных термосопротивлений устанавливается до 180⁰С. При производстве используется проволока диаметром от 30 до 80 мкм. При дальнейшем уменьшении диаметра стоимость проволоки резко возрастает, а изготовление термосопротивления с заданными параметрами становится проблематичным.
Большое значение имеет схема соединения проводников термосопротивления. Различают три основных схемы: 2-х, 3-х и 4-х проводную.
При двухпроводной схеме к сопротивлению ЧЭ добавляется сопротивление внешних проводов, что приводит к появлению дополнительной погрешности измерения. Ясно, что такой способ можно использовать только для ЧЭ с большим сопротивлением. Из наиболее употребляемых – это Pt1000. Легко подсчитать, что для обеспечения точности измерения 0,1⁰С общее сопротивление внешних проводников не должно быть больше 3,8 Ом.
Четырёхпроводная схема используется в основном только для точных измерений и в эталонных приборах. Данная схема позволяет автоматически компенсировать влияние на результат измерения не только сопротивления проводников, но и ЭДС в местах контактов.
Советы при выборе и монтаже термометров сопротивления
При монтаже датчика температуры нужно максимально увеличить его тепловой контакт с контролируемой средой и одновременно уменьшить отток тепла от места подключения. Необходимо помнить, что чувствительный элемент имеет конечную длину, поэтому глубина погружения датчика должна быть как минимум на несколько диаметров зонда больше, чем длина ЧЭ. При монтаже датчиков контроля поверхности очень важно место соединения предварительно смазать каким-либо вязким веществом. Также важно обеспечить тепловой контакт кабеля с контролируемым объектом, чтобы минимизировать отвод тепла от ЧЭ датчика по кабелю. Ещё лучше, если и датчик и подводящий кабель будут закрыты хорошим теплоизолятором, например пенополиуретаном, или пенополиэтиленом.
Датчики температуры воздуха лучше устанавливать в тех местах помещения, которые наиболее важны для контроля. При плохой конвекции воздуха в помещении градиент температуры может составить до 5-ти и более градусов.
При экспресс контроле температуры поверхности теплоёмкость датчика должна быть минимальной. Дело в том, что самое большое зло при контактном способе измерения температуры поверхности состоит в том, что датчик уменьшает температуру поверхности в месте установки. Процесс восстановления начальной температуры может идти очень долго, что зачастую приводит к неправильным результатам и выводам. Примером может служить ситуация с «занижением» показаний медицинских электронных термометров.
По сравнению с термометрами сопротивления термопары обладают рядом очень больших преимуществ и таких же больших недостатков. По большому счёту эти два класса приборов очень органично дополняют друг друга. И задача киповца – определить, какой датчик температуры ему нужен для той или иной задачи.
Термопары имеют очень большой диапазон рабочих температур. При этом, чем больше максимальная рабочая температура термопары, тем меньше её чувствительность. С этим фактом связан большой ассортимент применяемых термопар. При помощи термопар можно измерять температуру очень маленьких объектов. Для этого достаточно сварить между собой две термоэлектродные проволоки маленького диаметра. Естественно, что такая термопара имеет и очень незначительную инерционность. Термопара из недрагоценных металлов малой длины дешевле термосопротивления. Однако при увеличении длины стоимость её значительно возрастает. В то же время термопары значительно уступают термосопротивлениям в точности измерения. Связано это с рядом причин. Сигнал с термопары значительно более нелинеен. Для получения абсолютной измеренной температуры необходимо знать температуру холодного спая термопары. А это означает, что общая погрешность измерения сложится из двух: погрешности измерения разности температур рабочего и холодного спая термопары и погрешности измерения температуры холодного спая. На практике же всё ещё сложнее. Очень непросто измерить с хорошей точностью температуру выводов термопары на входе вторичного прибора. На практике эта погрешность составляет около 1⁰С. При измерении высоких температур значение данной погрешности несколько нивелируется.
Советы по выбору и применению термопар
Для использования в диапазоне до +200⁰С лучше применять платиновые или медные термосопротивления. В случае контроля температуры очень небольшого объекта малой теплоёмкости можно использовать термопару медь-константан, которая замечательна тем, что очень легко сваривается над поверхностью раствора медного купороса, имеет самую высокую чувствительность и очень низкую стоимость.
Для измерения температуры вплоть до +1700⁰С применяют термопары, изготовленные из драгоценных металлов платиновой группы. Они отличаются высокой стабильностью параметров, но имеют крайне низкую чувствительность при низких температурах и очень высокую стоимость. Наиболее высокотемпературные термопары – вольфрам-рениевые. Но они не могут работать в окислительной атмосфере при температуре уже выше 500⁰С. Оболочку этих датчиков необходимо наполнять инертным газом. Так как герметичный корпус для высоких температур изготовить проблематично, то для продолжительной работы по внутренней полости этих термопар постоянно пропускают инертный газ.
Для контроля температуры поверхности или воздуха лучше применять гибкую термопару без защитного чехла. Для контроля поверхности нужно обеспечить хороший тепловой контакт с поверхностью не только рабочего конца термопары, но и термоэлектродов на расстоянии не менее 50 мм, чтобы уменьшить теплоотвод от места контроля. При использовании термопары при высокой температуре в окислительной или агрессивной атмосфере может наблюдаться деградация параметров, связанная с окислением и изменением химического состава термоэлектродов. Необходимо периодически контролировать качество термопары хотя бы по её полному сопротивлению постоянному току. Для использования в экстремальных условиях в течение непродолжительного времени существуют ТП разового применения и ТП кратковременного применения.
Понятие температуры
Температура
– физическая величина, характеризующая
состояние термодинамического равновесия
макроскопической системы. Температура
одинакова для всех частей изолированной
системы, находящейся в термодинамическом
равновесии. Если изолированная
термодинамическая система не находится
в равновесии, то с течением времени
переход энергии (теплопередача) от более
нагретых частей системы к менее нагретым
приводит к выравниванию температуры
во всей системе (нулевое начало
термодинамики). В равновесных условиях
температура пропорциональна средней
кинетической энергии частиц тела.
Температура
не может быть измерена непосредственно.
Об изменении температуры судят по
изменению других физических свойств
тел (объёма, давления, электрического
сопротивления, эдс, интенсивности
излучения и др.), однозначно с ней
связанных (так называемых термодинамических
свойств). Любой метод измерения температуры
связан с определением температурной
шкалы.
Методы
измерения температуры различны для
различных диапазонов измеряемых
температур, они зависят от условий
измерений и требуемой точности. Их можно
разделить на две основные группы:
контактные и безконтактные. Для контактных
методов характерно то, что прибор,
измеряющий температуру среды, должен
находиться в тепловом равновесии с ней,
т.е. иметь с ней одинаковую температуру.
Основными узлами всех приборов для
измерения температуры являются
чувствительный элемент, где реализуется
термометрическое свойство, и измерительный
прибор, связанный с элементом.
Согласно
молекулярно–кинетической теории
идеального газа температура есть
величина, характеризующая среднюю
кинетическую энергию поступательного
движения молекул идеального газа.
Учитывая термодинамический смысл
температуры, можно свести измерение
температуры любого тела к измерению
средней кинетической энергии молекул
идеального газа.
Однако
на практике измеряют не энергию молекул
по их скорости, а давление газа, которое
находится в прямопропорциональной
зависимости от энергии.
По
молекулярно–кинетической теории
идеального газа температура Т
является мерой средней кинетической
энергии поступательного движения
молекул:
Дж/К
– постоянная Больцмана;
Т
– абсолютная температура в кельвинах.
Основное
уравнение молекулярно–кинетической
теории идеального газа, устанавливающее
зависимость давления
– число молекул в единице объёма, т.е.
концентрация.
Используя
уравнение (1) и (2), получаем зависимость
между
давлением и температурой, которая
позволяет установить, что давление
идеального газа пропорционально его
абсолютной температуре и концентрации
молекул, где
Измерение
температуры основано на следующих двух
опытных фактах:
а)
если имеются два тела, каждое из которых
находится в тепловом равновесии с одним
и тем же третьем телом, то все три тела
имеют одну и ту же температуру;
б)
изменение температуры всегда сопровождается
непрерывным изменением по меньшей мере
одного из параметров, не считая самой
температуры, характеризующего состояния
тела, например: объём, давление,
электропроводность и др. Первое из этих
положений позволяет сравнивать
температуры различных тел, не приводя
их в соприкосновение между собой.
Второе
положение позволяет выбрать один из
параметров в качестве термометрического.
В
общем случае температура определяется
как производная от энергии в целом по
его энтропии. Так определяемая температура
всегда положительная (поскольку
кинетическая энергия всегда положительная),
её называют температурой или температурой
по термодинамической шкале температур
и обозначают Т.
За единицу абсолютной температуры в
системе СИ (Международная система
единиц) принят кельвин (К).
См. «Введение». Часто температуру
измеряют по шкале Цельсия (
– термический коэффициент объёмного
расширения газа.
