Т е м п е р а т у р н ы е ш к а л ы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

«Приборы контроля температуры. Единицы измерения.

Шкалы температур. Классификация термометров»

Цель работы: изучение конструкций и принципов действия приборов контроля температуры.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

ТЕМПЕРАТУРА. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ

1.1 Т е м п е р а т у р а, е ё и з м е р е н и е

Температурой называется степень нагретости тела. Это представление о температуре основано на теплообмене между двумя телами, находящимися в тепло­вом контакте. Тело, более нагретое, отдающее тепло, имеет и более высокую температуру, чем тело, восприни­мающее тепло. При отсутствии передачи тепла от одного тела к другому, т.е. в состоянии теплового равновесия, температуры тел равны.

Переход тепла от одного тела к другому указывает на зависимость температуры от количества внутренней энер­гии, носителями которой являются молекулы вещества.

Согласно молекулярно-кинетической теории, сообщаемая телу тепловая энергия, вызывающая повышение его тем­пературы, преобразуется в энергию движения молекул.

Зависимость между средней кинетической энергией молекул, движущихся поступательно, и температурой идеального газа определяется уравнением:

Е = (3/2) k Т, (1.1)

где k = 1, 38 · 10 ^{– 23} Дж · К ^{- 1} – постоянная Больцмана,

Т – абсолютная температура тела, К.

Измерить температуру какого-либо тела непосредст­венно, т.е. так, как измеряют другие физические величи­ны, например длину, массу, объем или время, не представ­ляется возможным, ибо в природе не существует эталона или образца единицы этой величины. Поэтому определе­ние температуры вещества производят посредством наблю­дения за изменением физических свойств другого, так называемого термометрического (рабочего) вещества, ко­торое, будучи приведено в соприкосновение с нагретым телом, вступает с ним через некоторое время в тепловое равновесие.

Т е м п е р а т у р н ы е ш к а л ы

Изменение агрегатного состояния химически чистого вещества (плавление или затвердевание, кипение или кон­денсация), как известно, протекает при постоянной тем­пературе, значение которой определяется составом ве­щества, характером его агрегатного изменения и давле­нием. Значения этих воспроизводимых температур равновесия между твердой и жидкой или жидкой и газообраз­ной фазами различных веществ при нормальном атмос­ферном давлении¹ (¹Нормальное атмосферное давление условно принято равным среднему давлению воздушного столба земной атмосферы), равном 101325Па (760 мм рт.ст.), на­зываются реперными (базовыми) точками.

Если принять в качестве основного интервал темпера­тур между реперными точками плавления льда и кипения воды, обозначив их соответственно 0 и 100, в пределах этих температур измерить объемное расширение какого-либо рабочего вещества, например ртути, находящейся в узком цилиндрическом стеклянном сосуде, и разделить на 100 равных частей изменение высоты её столба, то в результате будет построена так называемая температур­ная шкала.

Для измерения температуры, лежащей выше или ниже выбранных значений реперных точек, полученные деле­ния наносят на шкале и за пределами отметок 0 и 100. Деления температурной шкалы называются градусами.

Международный комитет мер и весов в 1968г. в соответствии с решением XIII Генеральной конференции по мерам и весам (1967г.) принял Международную практическую темпера­турную шкалу (МПТШ-68), градусы которой обо­значаются знаком ° С (градус Цельсия), а условное значе­ние температуры - буквой t.

На практике обычно применяют условную международную шкалу температур (УМТШ), которая основана на шести реперных точках, для которых температуры равновесия с высокой точностью определяли с помощью газовых термометров. Температуры в этих точках обычно выражают в стоградусной шкале при абсолютном давлении 0, 1МПа:

- температура кипения кислорода - 182, 97⁰С;

- температура тройной точки воды 0, 01⁰С;

- точка кипения воды 100⁰С;

- точка кипения серы 444, 6⁰С;

- точка затвердевания серебра 960, 8⁰С;

- точка затвердевания золота 10630⁰С.

В процессе исследований выяснилось, что температурные шкалы, построенные на одних и тех же реперных точках, но использованные для разных термометрических веществ, дают разные значения температуры. Это объясняется тем, что термометрические свойства веществ по-разному изменяются с температурой, при чём все эти зависимости нелинейные. В связи с этим возникла проблема создания температурной шкалы, не зависящей от термометрических свойств веществ. Такая шкала была предложена в 1848г. Кельвином и называлась термодинамической. Однако для практического измерения температуры эта шкала была неудобна: необходимо было либо измерять количество теплоты, либо при использовании термометров, заполненных реальными газами, вводить для каждого значения температуры разные поправки.

Кроме МПТШ-68 и термодинамической шкалы Кельвина, существует еще шкала Фаренгейта¹ (¹ Шкала Фаренгейта применяется в Англии и США), предложенная в 1715г. Шкала построена путем деления интервала между реперными точками плавления льда и кипения воды на 180 равных частей (градусов), обозначаемых знаком ° Ф. По этой шкале точка плавления льда равна 32, а кипения воды 212 ° Ф.

Для пересчета температуры, выраженной в Кельвинах или градусах Фаренгейта, в градусы Цельсия пользуются равенством:

t °C = Т К – 273, 15 = 0, 556 (n °Ф – 32), (1.2)

где Т К – температура по шкале Кельвина,

n °Ф - число градусов по шкале Фаренгейта.