Termometri

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 19 december 2021; kontroller kräver 2 redigeringar .

Termometri  är en gren av tillämpad fysik och metrologi , dedikerad till utvecklingen av metoder och medel för att mäta temperatur . Termometrins uppgift omfattar: upprätta temperaturskalor , skapa standarder, utveckla metoder för kalibrering och kalibrering av instrument för temperaturmätning .

Historik

Temperaturen kan inte mätas direkt. I detta avseende har termometri i sin utveckling kommit en lång och svår väg för att uppnå enhetliga temperaturmätningar. Sedan urminnes tider har metoden för kvalitativ temperaturbedömning med hjälp av taktila förnimmelser varit känd. Därav begreppen: varmt, varmt, kallt. På grundval av den sensoriska uppfattningen av naturfenomen dök begreppen upp: vinterkyla, sommarvärme, kvällssvala, röd och vit värme, värme (i förhållande till förhöjd kroppstemperatur under sjukdom).

Under medeltiden beskrevs upprepade gånger en upplevelse där det föreslogs att hålla ena handen i varmt vatten och den andra i kallt vatten och sedan doppa båda händerna i blandat vatten. Som ett resultat kände den första handen det blandade vattnet som kallt och det andra som varmt. Trots kroppens höga känslighet för förändringar i kroppstemperatur (upp till ) är en kvantitativ mätning av temperaturen med hjälp av våra förnimmelser omöjlig, även i ett mycket snävt intervall.

Behovet av temperaturmätning för kognitiva och tillämpade syften uppstod i mitten av 1500-talet. För sådana mätningar var det nödvändigt att använda det funktionella temperaturberoendet för någon parameter känd från observationer. Luftens förmåga att expandera vid upphettning var känd redan på 1:a århundradet av Heron of Alexandria . Med detta förklarade han varför elden stiger upp. År 1597 föreslog Galileo ett termoskop för temperaturforskning, som bestod av en luftfylld glasbehållare som var förbunden med ett tunt rör till ett kärl fyllt med en färgad vätska. Att ändra temperaturen på burken orsakade en förändring i nivån på den färgade vätskan. En betydande nackdel med sådana termometrar var beroendet av deras avläsningar på atmosfärstryck. Termometerns design, som liknar moderna termometrar för flytande glas, är förknippad med namnet på en elev av Galileo, hertigen av Toscana Ferdinand II. Termometern var ett förseglat glaskärl fyllt med alkohol med en vertikalt placerad pekande kapillär. Gradindelningarna applicerades med emaljdroppar direkt på kapillärröret.

Den metrologiska grunden för termometri lades av Padua-läkaren Santorio . Med hjälp av Galileos termoskop införde han två absoluta punkter, som motsvarade temperaturen under snöfall och temperaturen den varmaste dagen, och reglerade ett verifieringssystem med vilket alla florentinska termometrar kalibrerades enligt det exemplariska Sancorian-Galilean instrumentet. I början av 1700-talet lades en rad förslag fram rörande bindningen av den termometriska skalan till flera lätt och tillförlitligt reproducerbara punkter, vilka senare kom att kallas för "referenspunkter".

En betydande roll i utvecklingen av temperaturmätningar tillhör Fahrenheit . Han var den första som använde kvicksilver som en termometrisk kropp och skapade en reproducerbar temperaturskala. I Fahrenheit-skalan togs temperaturen på blandningen av snö med ammoniak som noll, och den andra punkten motsvarade kroppstemperaturen för en frisk person. Issmältningstemperaturen i den slutliga versionen av skalan är 32 grader, temperaturen på människokroppen är 96 grader och kokpunkten för vatten, som ursprungligen var ett härlett värde, är 212 grader. Fahrenheit, som också var en framgångsrik entreprenör, lyckades för första gången etablera massproduktion av enhetliga termometrar. Fahrenheitskalan används fortfarande i USA för tekniska temperaturmätningar och hushållstemperaturmätningar.

År 1742 föreslog den svenske matematikern och lantmätaren Celsius att dela intervallet mellan isens smältpunkter och vattnets kokpunkt i 100 lika delar i en kvicksilvertermometer. I den första versionen av skalan togs kokpunkten för vatten till 0 grader, och smältpunkten för is togs som 100 grader. År 1750 " konverterades " denna våg av en av Celsius elever, Strömmer. Fram till början av 1900-talet var Reaumur-skalan , föreslagen 1730 av den franske zoologen och fysikern Reaumur , också vanlig . Réaumur använde en 80 % lösning av etylalkohol som termometrisk kropp. En grad av Réaumur-skalan, som den för den florentinska termometern, motsvarade en förändring av vätskevolymen med en tusendel. Issmältpunkten togs som utgångspunkt och vattnets kokpunkt var 80 grader.

År 1848 föreslog Thomson (Kelvin) en absolut termodynamisk skala, som, till skillnad från empiriska skalor, inte är beroende av egenskaperna hos en termometrisk kropp. [1] Läs mer: Termodynamisk temperatur .

Fysisk grund för temperaturmätning

Som nämnts ovan kan temperatur inte mätas direkt. Dess förändringar bedöms av förändringar i andra egenskaper hos kroppar, såsom volym, tryck, elektriskt motstånd, termo-EMF, strålningsintensitet, etc., som är associerade med temperatur genom vissa mönster. Därför är temperaturmätningsmetoder i huvudsak metoder för att mäta ovanstående termometriska egenskaper. När man utvecklar en specifik metod eller enhet är det nödvändigt att välja en termometrisk kropp där motsvarande egenskap är väl reproducerad och förändras mycket avsevärt med temperaturen. Den termometriska egenskapen hos en kropp är en egenskap vars beroende av temperatur är monotont och inte har en märkbar hysteres, vilket gör det möjligt att använda den för att mäta temperatur.

För att mäta temperatur är det också nödvändigt att ha en måttenhet och en skala med vilken dess värden mäts från den valda nivån. Principen för att konstruera en empirisk temperaturskala består i att välja två huvudsakliga lätt reproducerbara referenspunkter, som tilldelas godtyckliga värden på temperatur och . Temperaturintervallet mellan dessa värden är uppdelat i lika många delar och delen tas som temperaturenhet. Därefter väljs en fysisk egenskap - en termometrisk kvantitet , till exempel volymen av vätska, gastryck, elektriskt motstånd, termo-EMF, etc., som konventionellt antas vara linjärt beroende av temperaturen. Av detta följer ekvationen

var är proportionalitetskoefficienten. I integrerad form ─

För att bestämma konstanterna och vi använder ovanstående temperaturer och . Efter transformation tar integralekvationen formen

Det sista uttrycket kallas skalekvationen . Med dess hjälp hittas temperaturvärden från de uppmätta värdena . [2] .

Fram till 1954 baserades temperaturskalan på två referenspunkter: den normala smältpunkten för is och den normala kokpunkten för vatten . Experimentella studier har visat att trippelpunkten för vatten har bättre reproducerbarhet än smältpunkterna för is och kokpunkterna för vatten. I detta avseende antogs ett internationellt avtal om att bygga en temperaturskala baserad på en referenspunkt - vattnets trippelpunkt. I den så kallade absoluta termodynamiska temperaturskalan (Kelvin-skalan) antas det per definition att temperaturen i denna punkt är exakt . Det numeriska värdet för trippelpunktstemperaturen väljs så att intervallet mellan isens normala smältpunkter och vattnets kokpunkt är så exakt som möjligt om en idealisk gastermometer används. [3]

Experiment visar att det i naturen inte finns några ämnen vars fysikaliska egenskaper är strikt linjärt beroende av temperaturen. Själva koefficienten är en funktion av temperaturen. Temperaturskalor byggda på olika temperaturegenskaper, som sammanfaller i huvudpunkterna , ger skillnader i temperaturvärden både inom det angivna temperaturområdet och utanför det. Förutom den tidigare nämnda avvikelsen inkluderar nackdelarna med empiriska temperaturskalor bristen på deras kontinuitet, förknippad med omöjligheten för termometriska kroppar att arbeta i hela intervallet av möjliga temperaturer.

Termometrar

Termometer (av grekiskan thérme ─ värme och metréo ─ jag mäter) är en anordning för att mäta temperatur.

Beroende på mätteknik delas termometrar in i två huvudgrupper:

1. Kontakttermometrar, vars känsliga element (sensorer) kommer i direkt kontakt med det uppmätta objektet;

2. Beröringsfria termometrar som på distans mäter intensiteten av den inbyggda termiska eller optiska strålningen från ett föremål.

3. En speciell grupp består av speciella termometrar, som används för att mäta ultralåga temperaturer.

Kontaktenheter och metoder enligt funktionsprincipen är indelade i:

a) volumetriska kontakttermometrar, som mäter förändringen i volym (volym) av en vätska eller gas med en förändring i temperatur;

b) Dimetriska termometrar, där temperaturen bedöms av den linjära expansionen av olika fasta ämnen med en temperaturförändring. I vissa fall är sensorn en bimetallisk platta gjord av två metaller med olika linjär expansionskoefficient, som böjer sig när den värms eller kyls;

c) Termoelektriska termometrar, vars sensorer är termoelement, som är två olika ledare lödda i ändarna. I närvaro av en temperaturskillnad mellan korsningarna i termoelementet uppstår en termo-emf. Temperaturen mäts med värdet på termo-emf, eller av värdet på strömmen i termoelementkretsen;

d) Motståndstermometrar - vars funktionsprincip är baserad på en förändring av motståndet hos en ledare eller en halvledaranordning (termister) med en temperaturförändring.

Beröringsfria metoder och enheter inkluderar:

a) Radiometri (radiometrar) ─ temperaturmätning av kroppens egen värmestrålning. För låga temperaturer och rumstemperaturer ligger denna strålning i det infraröda våglängdsområdet.

b) Värmeavbildning (värmekamera) ─ radiometrisk temperaturmätning med rumslig upplösning och med omvandling av temperaturfältet till en tv-bild, ibland med färgkontrast. Låter dig mäta temperaturgradienter, mediets temperatur i trånga utrymmen, till exempel temperaturen på vätskor i tankar och rör.

c) Pyrometri (pyrometrar) ─ mätning av höga temperaturer hos självlysande föremål: låga, plasma, astrofysiska föremål. Principen att jämföra antingen ljusstyrkan för ett objekt med en ljusstyrkestandard (ljusstyrka pyrometer och ljusstyrka temperatur) används; eller färgen på objektet med färgen på standarden (färgpyrometer och färgtemperatur); eller termisk energi som emitteras av ett objekt med energi som emitteras av en standardsändare (strålningspyrometer och strålningstemperatur).

Grundläggande ekvationer som termometrin är baserad på

1. Clapeyrons ekvation för gastillstånd . Denna ekvation används för att konstruera den ideala gastemperaturskalan.

2. Ekvationen för termisk expansion av volymen av vätskor och gaser, linjärt beroende av temperatur, är grunden för den volymetriska metoden för att mäta temperaturer.

3. Ekvationerna för termisk linjär expansion av fasta ämnen med temperaturen ligger till grund för den dilatometriska metoden för temperaturmätning.

4. Resistanstermometrar är baserade på ekvationen för det linjära beroendet av ledarnas resistans på temperaturen.

5. Stefan-Boltzmann-lagen , som kopplar den totala energin av termisk strålning och temperatur med ett funktionellt beroende, ligger till grund för beröringsfria metoder för att mäta temperatur.

var  är den integrala emissiviteten för en absolut svart kropp, är Stefan-Boltzmanns konstant.

Magnetisk termometri

För att mäta temperaturer under 1 K används det faktum att en paramagnets magnetiska känslighet beror på temperaturen ( Curies lag ). Det uppmätta värdet på den magnetiska susceptibiliteten används för att hitta den magnetiska temperaturen [4] [5] [6] , som skiljer sig från den termodynamiska temperaturen med ett belopp beroende på graden av avvikelse från Curielagen.

GOST 8.157-75 "Praktiska temperaturskalor" fastställer en skala för temperaturer från 0,01 till 0,8 K, baserad på temperaturberoendet av den magnetiska känsligheten hos en cerium-magnesiumnitrattermometer [ 7] [8] .

Anteckningar

  1. ↑ Rizak, 2006 , sid. 166-172.
  2. ↑ Rizak, 2006 , sid. 181.
  3. ↑ Sivukhin, 2005 , sid. 20;21.
  4. ↑ Magnetisk termometri . TSB (3:e uppl.), 1974, vol. 15 . Hämtad 26 februari 2015. Arkiverad från originalet 27 februari 2015.
  5. ↑ Fysik. Big Encyclopedic Dictionary, 1998 , sid. 368.
  6. ↑ Tribus M., Thermostatics and thermodynamics, 1970 , sid. 443-445.
  7. ↑ Evdokimov I. N. Forskningsmetoder och metoder. Del 1. Temperatur, s. 31. . Ros. stat un-t av olja och gas dem. I. M. Gubkin. Datum för åtkomst: 26 februari 2015. Arkiverad från originalet 5 mars 2016.
  8. ↑ Ivanova G.M. et al., Thermotechnical measurements and devices, 1984 , sid. arton.

Litteratur