Лабораторная работа: Термометрия
Цель работы: Углубить представления о температуре, изучить принципы и освоить некоторыеметоды измерения температуры.
Оборудование: Жидкостные термометры, термопара, термометр сопротивления,термистор, оптический пирометр «Промiнь», лампа накаливания с блоком питания,электроплитка, потенциометр постоянного тока ПП-63, аккумулятор, мост реохордныйР – 33, блок питания ВСШ на 4 и 6 В, индикатор сопротивления ММВ, металлическийстаканчик и другие принадлежности.
1.Теоретическая часть
1.1Понятие температуры .
Температура в обычном понимании характеризуетстепень нагретости тела. Строгое определение температуры даётся вмолекулярно–кинетической теории, где под температурой понимают меру среднейкинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа: = (3\2)kT, где k = 1.38·10-23 Дж/К – постояннаяБольцмана, m – масса молекулы, V – скорость её поступательного движения.
Из последнего определения ясно, что обычнаяизмеренная температура относится к огромному числу молекул и даёт определениеоб их средней кинетической энергии. Понятие температуры применимо таким образомтолько к массиву молекулы поэтому температура является макроскопическим параметромсостояния вещества.
1.2 Принципы термометрии .
1.2.1.Термометрические параметры.
Измерение температуры обычно производитсякосвенным путём, т. е. не сводится к измерению кинетической энергии молекул.Оно основывается на измерении некоторых физических параметров, зависящих оттемпературы. К параметрам предъявляются следующие требования: выбранныйпараметр должен существенно, непрерывно, однозначно и просто изменяться простымисредствами; измерен6ия величины параме5тра не должно вносить значительныхизменений в температурный режим измеряемой среды.
Список наиболее употребляемых термометрическихпараметров имеет следующий вид:
- объём тела ( тепловое расширение,/>/> ,жидкостные и газовые температуры);
- электрическое сопротивление (R=R0(1+t), проводники-терморезисторы и полупроводники-термисторы);
- термо ЭДС ( термопары илитермоэлементы, Тэдс=сt);
- линейные размеры ( линейноерасширение L=L0(1+t),биметаллические пластины);
- спектр излучения ( энергетическаясветимость Rэ=T4, спектральный состав min=b/T, радиационный, яркостный и цветовой пирометры );
Применяются также зависимостьот температуры скорости распространения звука, показателя преломления светавеществом и многие другие параметры.
К внешним принципам методикитермометрии относится строгое соблюдение следующего условия – термометрическоетело и среда должны войти в состояние теплового равновесия. Поэтому оченьважно, чтобы тепловая «инерционность» измерительного прибора быланезначительной, тогда он скорее примет температуру измеряемой среды, а собственнаятеплоёмкость – минимальной, при этом он не внесёт искажений в состояние среды.
В отдельных случаях, при точных и локальныхизмерениях геометрические размеры рабочей части термометра должны бытьточечными.
1.2.2 Температурные шкалы.
В настоящее время применяются несколькотемпературных шкал, отличающихся выбором опорных ( реперных ) точек. В школеЦельсия интервал между точкой плавления льда и точкой кипения воды принормальном давлении делится на сто равных долей – градусов Цельсия (0С).В шкале Фаренгейта за нуль принимается температура смеси льда и соли ( -320С),а точка кипения воды принимается за 212 градусов.
Третья шкала – это наиболее употребляемая внаучной литературе абсолютная шкала температур. Физический смысл нулевойтемпературы в этой школе – полное отсутствие молекулярного движения.
Связь между температурными шкалами имеет вид:
Тс= (5/9)Ч(TF-32); TF=32+(9/5)ЧTc; Tc=t=Tk-273
1.3 Виды термометров.
1.3.1 Газовые термометры.
Наиболее строго требованиюлинейной и существенной зависимости от температуры отвечают параметрыидеального газа – объём и давление. Поведение реального газа при небольшихдавлениях и достаточно высоких температурах практически не отличается отповедения идеального газа. При этой причине газовые температуры используютсякак эталонные, по ним градуируют и проверяют другие термометры.
Простейший газовый термометр может представлятьсобой запаянную с одной стороны трубку, в которой некоторая масса газаотделена от атмосферы капелькой ртути (рис.1). При нагревании газ расширяется,а его давление остаётся равным атмосферному. В соответствии с уравнениемКлайперона-Менделеева объём и температура находятся в состоянии: v=(mR/мр)ЧT. Для конкретного термометра выражение в скобкахиграет роль постоянного коэффициента, зависящего от количества газа и отатмосферного давления.
Процедура измерения температуры газовымтермометром сводится к тому, что его помещают в исследуемую среду, затем,дождавшись установления равновесия, определяют объём v и по графику T = f(v) находят Т. На практике часто линейка Л служит шкалой температур.
1.3.2. Жидкостные термометры.
Если ёмкость газового термометра заполнитьжидкостью с достаточно большим коэффициентом теплового объёмного расширения, тополученный прибор станет жидкостным термометром. В настоящее время такимижидкостями является ртуть, или подкрашенные спирт, толуол, пентан и некоторыедругие вещества.
Для повышения чувствительности и точности измеренийтермометр состоит из двух сообщающихся объёмов, один из которых содержитосновную массу жидкости, а второй служит индикатором изменения объёма ( см.рис. 2 ), для чего ему придаётся форма цилиндра капиллярных размеров.
Жидкостные термометры запаяны с обеих концов,поэтому более удобны в обращении, что послужило причиной их широкогораспространения.
К недостатком их можно отнести нелинейностьтемпературной зависимости объёмов, что делает необходимым калибровать их погазовым термометрам. Они отличаются также инерционностью (время вхождения вравновесное состояние со средой не менее 10 минут ), большой собственнойтеплоёмкостью до 10 Дж/К и размерами рабочей части. Диапазон их работыограничен с одной стороны температурой кристаллизации, а с другой – температуройкипения жидкости.
1.3.3. Твердотельные термометры.
1.3.3.1. Биметаллические термометры -используют различие в коэффициентах тепловоголинейного расширения разных металлов. Скреплённые вместе, как показано нарис.3, пластинки при изменении температуры изгибаются или закручиваются.Величина деформации зависит от температуры, поэтому снабдив пластинымеханизмами и шкалами можно снимать прямые показания температуры.
Достоинства биметаллических термометров –простота изготовления, механическая прочность. Возможность встраивания всистемы автоматики и телемеханики. Недостатки – низкая чувствительность,проявление «усталости» металлов и отсюда – необходимость частой проверки икалибровки по эталонным термометрам.
1.3.3.2. Термопары – представляют собой два различных проводника,соединенных сваркой или пайкой. Металлы должны иметь как можно большую разницув работе выхода электронов, тогда между ними устанавливается контактнаяразность потенциалов, величина которой зависит от температуры зоны контакта.Для термопары используют обычно хорошо изученные пары металлов, например, медьконстант, хромель-алюмель, платина-родий и другие.
/>
Для измерения температуры термопарой её спайвводится в исследуемую среду, разность потенциалов её свободных концовизмеряется каким либо потенциометром или переводится в градусы посредствомградуировочного графика или переводного коэффициента ,получаемого из формулы ЭДС=Т.
Для абсолютных измерений термопару калибруют погазовому или иному эталонному термометру. Значительно чаще приходится измерятьразность температур, тогда применяют дифференциальную термопару. Она представляетсобой две одинаковые термопары, включённые навстречу друг другу ( рис.4 ). Спаипомещают в те места, разность температур которых необходимо измерить. Если спайодной из них поместить в среду с известной и стабильной температурой, например,в тающий лёд, то после соответствующей градуировки дифференциальной термопаройможно производить и абсолютные температурные измерения.
Достоинства термопар – малые, практически, точечныеразмеры рабочего тела, малая инерционность и теплоемкость, возможностьдистанционных измерений, большой диапазон измеряемых температур – отсверхнизких до точки плавления применяемых металлов. Недостаток – зависимостьтермоЭДС от температуры носит нелинейный характер, что влияет на точностьизмерений.
1.3.3.3. Термометры сопротивления используют свойство чистых металлов сплавов иполупроводников менять своё сопротивление при изменении температуры. Дляметаллов это свойство описывается выражением R=R0Ч(1+t), где R0- сопротивление при 0 С, — температурный коэффициент сопротивления данного металла, t – температура пошкале Цельсия. Для металлов величина равна0.4-0.6% при изменении температуры на один градус. Для полупроводниковзависимость иная – с ростом температуры сопротивление убывает, причём, болеесущественно ( в 8-10 раз ), чем у металлов.
Термометры сопротивления уступают термопарам поинерционности, собственной теплоёмкости, размерами. Нелинейность зависимости R= f(t) у них больше, поэтому точность измерения ниже. К достоинствам можноотнести измерительную схему, где за счёт использования внешнего источника можноповысить чувствительность измерений. Как правило измерение производитьсямостовым методом.
1.3.4. Оптическая термометрия.
При наличии теплового движения молекул веществатело всегда является источником электромагнитного излучения. Интенсивностьэтого излучения и его спектральный состав связаны с температурой. Для идеализированногоабсолютного чёрного тела энергия, излучаемая с единицы поверхности в единицувремени определяется законом Стефана-Больцмана: Rэ=T4 , где, — постоянная величина, Т – абсолютная температура. Основанные на этом законетермометры носят название радиационных пирометров (рис.5).
Измерить величину R технически очень трудно,поэтому более распространены яркостные пирометры, в которых яркость свеченияисследуемого тела сравнивается с яркостью тела, температура которого известна.Схематически устройство яркостного пирометра показывает рис.6. Обычно вкачестве тела сравнения берут вольфрамовую нить специальной электролампы,питаемой от стабильного источника тока. Меняя ток этой лампы можно выровнять еёяркость с яркостью исследуемого тела, в этом состоянии температуры телодинаковы. Температуру нити лампы сравнения определяют по току, при этом шкалу миллиамперметра градуируют непосредственно в градусах.
Пирометр представляет собой зрительную трубу,позволяющую рассматривать удаленные объекты. Нить лампы сравнения устанавливается в фокальной плоскости окуляра. В эту же плоскость вращениемобъектива проецируется изображение объектива. При правильной настройкеоптической части нить лампы сравнения наблюдается на фоне объекта.
Нить лампы сравнения нельзя нагревать вышеопределенной температуры (14000С), поэтому для расширения пределаизмеряемых температур в оптическую схему пирометра включают светофильтр,ослабляющий яркость исследуемого тела с точно известной кратностью.
Яростный пирометр показывает действительнуютемпературу лишь тогда, когда тело и нить одинаково близки по оптическимсвойствам к абсолютно черному телу. Поэтому для получения истинного значениятемпературы в полученный результат вводят поправку, которая зависит как отматериала излучающего тела, так и от его температуры. В данном случае для этогоиспользуют специальные таблицы ( см. приложение. ). Сначала по таблице 1выбирают коэффициент излучательной способности ,зависящий от материала излучающего тела. Затем по таблице 2 находят истинноезначение температуры. При этом используют метод интерполяции – усреднения.Пусть, например, излучающий материал – никель, а показанная пирометромтемпература 15500С. Тогда по таблице 1 находим =0.36, ас помощью табл. 2 вычисляем истинную температуру как бы «организуя» недостающиестроки и колонки в табл. 2. Измеренная температура лежит в интервале 1400-16000С.Из колонок 1400 и 1600 берем значения для =0.35 и0.40 и вычисляем сколько градусов приходится на 0.01 излучательнойспособности. (( 1550-1530 )/(0.40-0.35))Ч0.01=40С;(( 1790-1760)/( 0.40-0.35))Ч0.01=60С
Строим дополнительный фрагмент табл.2 1400 1600 0.35 1550 1790 0.36 1546 1784 0.37 1542 1778
и т.д.
По средней строке полученной таблицы находимистинную температуру
/>
В отдельных случаях применяют так называемыйцветной пирометр, когда температуру определяют на основании закона Вина,связывающий температуру излучающего тела с длиной волны, на которую приходитсямаксимум его излучатель ной способности. Цветной пирометр включает в себяспектральный прибор, разлагающий нагретого тела в спектр, и фотоэлектроннуюприставку, измеряющую распределения интенсивности в этом спектре. Оптическиепирометры имеют невысокую точность, но позволяют производить дистанционныеизмерения, что во многих процессах металлургии, в химии, физике и астрономииочень актуально.
2. Практическая часть.
2.1.Температурные шкалы
а) Какова температурачеловеческого тела в шкалах Цельсия, Кельвина и Фаренгейта?
б) Сколько градусов Цельсия в одном градусеФаренгейта?
в) Переведите 500F в градусы Кельвина.
2.2 Градуировка термометра сопротивления.
Термометр сопротивленияизготовлен из тонкой медной проволоки, намотанной на бумажный каркас,помещенный в защитный стеклянный футляр ( в пробирку ). В холодном состояниисопротивление провода близко к 80 Ом.
Сопротивления термометра в данной работеизмеряется при помощи индикатора сопротивления ММВ ( рис. 7 ).
Правилапользования прибором.
- Источником питания индикатораслужит батарея 3336. Питание индикатора также может осуществляться от внешнегоисточника с напряжением 3.8-4.4В.
- Перед началом работы установитьиндикатор в горизонтальное положение.
- Проверить соответствие нулевогоположения указателя гальванометра и, при необходимости, установить указатель нанулевую отметку шкалы при помощи корректора К.
- Подключить термометр сопротивленияк А и В.
- Поставить в соответствующееположение переключатель диапазона Д, нажать кнопку Кн. и вращать ручку переходаот тех пор, пока стрелка не становиться на нулевую отметку. Величинаизмеряемого сопротивления равна произведению отсчета по шкале реохорда и порукоятке переключателя диапазона измерения.
При измерениях на средней отметке «5» шкалы реохордаосновная погрешность не превышает />2%.
Для градуировки термометра сопротивления соберитеустановку, показанную на рис.8а. Жидкостный термометр вставляете в отверстие вкрышке пробирки. Пробирку, укрепленную в лампе штатива, опустите в алюминиевыйсосуд с водой. Сосуд устанавливается на электроплитку.
Включите электроплитку в сеть. Электроплиткаможет быть включена через ЛАТР ( лабораторный автотрансформатор ), с помощьюкоторого можно подавать напряжения и регулировать скорость нагревания воды. Помере нагревания через каждые 100измеряете и записываетесопротивление термометра сопротивления ( таб. 1 отчета ).
По полученным данным постройте градуировочныйграфик термометра сопротивления, откладывая по горизонтальной оси температуру,а по вертикальной – величину сопротивления. Если экспериментальные точки имеютнекоторый разброс, следует «не глаза» провести прямую. Такой градуировочныйграфик позволяет измерять температуру среды, в которую может быть помещентермометр сопротивления.
По градуировочному графику определитетемпературный коэффициент сопротивления меди: /> ( град-1).
Значения t1и t2 исоответствующие им значения сопротивлений R1 и R2выбираются по графику произвольно.
2.2 Градуировка термистора.
Термистор – этополупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от температуры. Вработе используется термистор марки ММТ – 4. В холодном состоянии егосопротивление приблизительно равно 1кОм. Градуировка выполняется на установке,описанной в задании 1.
По полученным экспериментальным точкам ( таб. 2отчета ) постройте градуировочную кривую. Следует учитывать, что зависимостьсопротивления термистора от температуры имеет нелинейный характер и соединятьточки следует не прямой линией, а плавной кривой.
2.3. Градуировка термометры.
В работе используетсяхромель-алюмелевая дифференциальная термопара. Для выполнения градуировкисоберите установку, показанную на рис.8б. Обычно «холодный» спай термопарыпогружается в тающий лед и выполненная в этом случае градуировка является«стандартной», т.е. полученной в строго определенных условиях. Онапозволяет определять температуру в градусах Цельсия, начиная с 00.Внашей работе «холодный» спай погружен в воду комнатной температуры и, строгоговоря, полученная градуировка справедлива только при данной комнатнойтемпературе.
«Горячий» спай «скрепите»с помощью прищепки с жидкостным термометром и погрузите в сосуд с водой,установленный на электроплитке. Электроплитка может быть подключена через ЛАТР(лабораторныйавтотрансформатор), на котором устанавливается напряжение 150-180В для болеемедленного нагревания .
Для измерения термо ЭДС вданной работе используется потенциометр постоянного тока ПП-63. При измеренияхследует выполнять следующее:
- Перед началом работы установитекорректором стрелку с гальванометром на «0».Прибор установите в горизонтальноеположение.
- Соблюдая полярность подключитеисточник питания- аккумулятор, к клеммам «БП» (батарея питания)потенциометра.(В переносном варианте могут использоваться встроенные элементытока).Тумблер «БП» переведите в положение «Н»- наружный.
- Тумблер «НЭ» – нормальный элемент,переведите в положение «В»- внутренний. Клеммы «БИ» и тумблер под ними в данномслучае не задействованы
- Тумблер «Питание 1,2-1.65В»переведите в положение «ВКЛ».
- Подключите термопара к клеммам«Х».Переключателем введите измерительное сопротивление 0,6 Ом. Оноприблизительно равно сопротивлению хромель-алюмелевой термопары.
- Переключатель рода работ поставьтев положение «Потенц»-потенциометрические измерения.
- Штекер делителя поставьте вположение 0,5.При этом отсчитанное по прибору напряжение необходимо умножать на0,5.
- Провести установку рабочего токапотенциометра, для чего: а) установить переключатель «К-И» в положение«К»-контроль; б)установить стрелку гальванометра на «0» вращением рукояток«Грубо» (верхняя) и «Точно» (нижняя) реостата «Рабочий ток», вначале принажатойкнопке «Грубо», а затем «Точно». (Кнопки можно зафиксировать в нажатомположении, повернув их в ту или другую стороны).\
- Для измерения термо ЭДСпереключатель «К-И» переведите в положение «И» – измерение. Пока температурыспаев термопары одинаковы и на обеих шкалах потенциометра установлены нули, принажатии кнопок «Грубо» и «Точно» стрелка гальванометра не отклоняется. Принагревании одного из спаев термопары появляется термо ЭДС и стрелкагальванометра отклоняется при нажатой кнопке «Точно».
- Вращением рукоятки «0-2 мВ» ипереключением ручки «0-48 мВ» необходимо вернуть стрелку гальванометра на нуль.После этого производится отсчет показания, — суммируются показания обеих шкал.
Записавначальную температуру и сбалансировав потенциометр, включите электроплитку. Входе измерения произведите измерения термо ЭДС при различных температурах (7-9точек в пределах до точки кипения воды).
По полученнымданным постройте градуировочный график для термопары. Прямую можно провести наглаз.
Дополнительноезадание: получите и постройте градуировочную кривую по результатам измеренийпри охлаждении термопары от точки кипения воды до 40- 30 0С. Объяснитерасхождение с первым графиком.
По графикуопределите удельную термо ЭДС хромель-алюмелевой термопары =Е/t (мВ/град), используя любые две точки градуировочногографика.
Используюградуировочный график, измерьте температуру вашего тела, зажав спай термопарыпальцами.
2.4.Определение температуры оптическим пирометром.
Исследуемое тело – вольфрамоваянить лампы накаливания КГМ. Лампа питается от блока питания при пониженномнапряжении.
- Включите питание лампы КГМ. Иустановите средний режим её работы.
- Включите питание пирометра(«спуск» пистолета) и вращением барабана реостата установите небольшое свечениенити пирометрической лампы. Вращением кольца окуляра добейтесь резкогоизображения нити пирометра.
- Наведите пирометр на исследуемыйисточник так, чтобы совместились нить накала лампы КГМ и пирометрической лампы.Вращением объектива добейтесь резкого изображения нити исследуемой лампы.
- Введите красный светофильтр.
- Вращением барабана реостатавыровняйте яркости нитей накала – нить пирометра при этом должна исчезнуть нафоне раскаленной нити лампы КГМ.
- Снимите показания со шкалыпирометра.
- Если исследуемое тело раскаленослишком сильно и выровнять яркости не удается, введите в световой потокослабитель. В этом случае снимать показания нужно по другой шкале.
- С помощью таблиц (см. приложение),используя метод интерполяции определите истинную температуру нити накала лампыКГМ.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Спектральная(монохроматическая) излучательная способность некоторых металлов в красныхлучах с длиной волны =0,65мкм.(таблица 1)
Таблица 1
Материал
Спектральная излучательная способность материалов, Вольфрам 0,43 Железо 0,35 Никель 0,36
Зависимость действительнойтемпературы от яркостной температуры, измеренной оптическим пирометром, приразличных значениях коэффициентов излучательной способности для =0,65мкм. (таблица 2)
Таблица2Коэффициент излучательной способности
Измеренные яркостные температуры, 0С 1200 1300 1400 1600 1800 2000
0,25 1350 1480 1600 1850 2120 2380
0,30 1330 1450 1570 1820 2070 2330
0,35 1310 1430 1550 1790 2030 2280
0,40 1300 1410 1530 1760 2000 2240
0,45 1280 1400 1510 1740 1970 2210