Измерение температуры

Измерение температуры

Представления о температуре. В геометрии вводят одну основную величину – длину. Остальные величины: площадь и объем – производные. В кинематике добавляют еще одну величину – время. В теории тепловых явлений единственная новая основная величина, которую надо ввести, - это температура.В коже нашего тела, кроме чувствительных приемников, реагирующих на прикосновение, давление и болевые раздражения, есть приемники, реагирующие на раздражение ощущениям тепла и холода. Руководствуясь этим, можно все тела расположить в ряд по их способности вызывать ощущения тепла и холода. Причину способности тел по разному воздействовать на органы чувств можно связать с различной степенью нагретости тел – температурой. Это только качественное, субъективное определение температуры, не содержащее указаний на методы ее измерения. В отличие от измерения длины, времени, массы и т.д. прошло длительное время, прежде чем на смену субъективным впечатлениям о температуре пришли точные и единые способы ее измерения. Развитие методов измерения температуры стало возможно лишь тогда, когда была установлена зависимость от температуры таких величин, как длина, объем и т.д., которые можно измерять непосредственно.

Первые термометры. Количественные методы измерения температуры тел начали развиваться в XVII веке. Первый прообраз термометра демонстрировал на своих лекциях Г. Галилей в 1592 г. Термометр Галилея (термоскоп) состоял из трубки, частично заполненной водой, и стеклянного шарика. Конец трубки был опущен в открытый сосуд с водой. При нагревании шарика давление воздуха в нем увеличивалось, и уровень воды в трубке опускался. При охлаждении, наоборот, уровень поднимался вверх. Таким образом, о температуре можно было судить по уровню воды в трубке. Первое применение термоскоп нашел в медицине.

Современные термометры. Для измерения температуры можно воспользоваться изменением любой макроскопической величины в зависимости от температуры: объема, давления, электрического сопротивления и т.д. Чаще всего на практике используют зависимость объема жидкости (ртути или спирта) от температуры. При градуировке термометра обычно за начало отсчета (0) принимают температуру тающего льда; второй постоянной точкой (100) считают температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении (шкала Цельсия). Шкалу между точками 0 и 100 делят на сто равных частей, называемых градусами (1 °C). Перемещение столбика жидкости на одно деление соответствует изменению температуры на 1 °C (смотрите рисунок).Обычный жидкостный термометр – очень «умный» прибор. Жидкости при нагревании незначительно увеличивают свой объем, и ее расширение было бы почти незаметным, если бы жидкость расширялась только в узкой трубке. Поэтому в термометре используется простой, но хитроумный механизм усиления. Большая часть жидкости находится в шарике на конце трубки, а не в самой трубке. Поэтому даже двух процентное изменение полного объема жидкости приводит к изменению длины столбика в 10 и более раз. Так как различные жидкости расширяются при нагревании не совсем одинаково, установленная таким образом шкала будет до некоторой степени зависеть от свойств жидкости. Опорные точки 0 °C и 100 °C будут, конечно, совпадать у всех термометров, но, скажем, отметки 50 °C совпадать не будут. Какое же вещество выбрать, чтобы избавиться от этой зависимости? Было замечено, что в отличие от жидкостей все разреженные газы - водород, гелий, кислород - расширяются при нагревании одинаковым образом и одинаково меняют свое давление при изменении температуры.

По этой причине в физике для установления температурной шкалы используют изменение объема определенного количества разреженного газа при постоянном давлении или изменение давления при постоянном объеме. Это так называемая газовая шкала температур. В интервале от 0 до 100 °C ртутная и газовая шкалы температур практически совпадают. Наиболее простым газовым термометром является термометр постоянного объема. Измерение температуры с помощью этого термометра основано на законе Шарля.

Газовый термометр представляет собой сосуд, заполненный тем или иным газом: азотом, аргоном или гелием. Сосуд соединен гибкой трубкой с ртутным манометром, которым измеряют давление газа и поддерживают его постоянный объем. Сначала измеряют давление при некоторой фиксированной температуре T0 (А). Затем измеряют давление при температуре T (Б). Зная давление P0 при температуре T0 и давление P при температуре T, температуру T определяют по формуле: .Газовый термометр для точных измерений – очень сложное устройство. Для измерения температуры при физических исследованиях он применяется редко. Основное его назначение – использование для градуировки более простых, вторичных термометров.

Демонстрационный жидкостный термометр предназначен для измерения температуры в диапазоне от -10 до +104 °C. Крупная шкала, четкие деления, хорошо видимые цифры шкалы, удобный способ крепления термометра к штативу, защищенность чувствительного элемента – баллона с жидкостью легкосъемным кожухом, - все это несомненные достоинства демонстрационного жидкостного термометра.

Существенным недостатком демонстрационного жидкостного термометра является его сравнительно высокая теплоемкость, которая проявляется в том, что измерение температуры требует до двух минут времени на установление теплового равновесия термометра и измеряемой среды. Поэтому демонстрационный жидкостный термометр используется в таких демонстрациях, где термометр позволяет вести непрерывное измерение температуры. При этом температура должна изменяться сравнительно медленно.

Большая собственная теплоемкость термометра этого типа приводит к тому, что внесение чувствительного элемента термометра в измеряемую среду вызывает изменение температуры самой среды. Так, если поместить баллон термометра с стакан нагретой воды весом 200 г, то это вызовет понижение температуры воды на 8 °C, прежде чем установится тепловое равновесие между водой и баллоном термометра, поэтому демонстрационный жидкостный термометр, с ошибкой, допустимой в демонстрационном эксперименте, можно применять для измерения температуры воды массой не менее 250 г.

Термометр на терморезисторе: Прибор состоит из датчика, измерительного моста и дополнительной шкалы к демонстрационному гальванометр. Он предназначен для измерения температур в двух интервалах: от 0 до +100 °C и от 0 до +300 °C. Электропитание измерительного моста осуществляется или от батареи 3336Л, которая может быть помещена в специальный отсек корпуса измерительного моста, или от внешнего источника постоянного тока напряжением до 4,5 В. Датчик состоит из терморезистора типа КМТ-14, укрепленного на трубке так, что он может быть закрыт защитным наконечником. При снятом наконечнике чувствительный элемент терморезистора, имеющий небольшие размеры, может быть не только помещен в среду, температура которой измеряется, но даже просто прижат к телу для измерения его температуры. Малые размеры и масса чувствительного элемента терморезистора обеспечивают его малую теплоемкость и тем самым незначительное влияние измерительного прибора на саму измеряемую среду, малые затраты времени на проведение измерении. Датчик термометра может длительное время находиться в измеряемой среде, и потому термометр этого типа удобен для наблюдения хода температур в таких процессах как нагревание и кипение воды, нагревание и кипение вещества.
Существенным недостатком термометра на терморезисторе является его низкая чувствительность: одно деление шкалы соответствует изменению температуры на 10 °C.

Более совершенный термометр на терморезисторе. Недостатки приведенных выше способов измерения температуры можно уменьшить, используя более сложную мостовую схему и полупроводниковые терморезисторы, которые имеют более значительный температурный коэффициент. Мостовой метод позволяет осуществлять более точное измерение сопротивлений. Три плеча моста образуют образцовые сопротивления R1, R2, R3, а четвертое - измеряемое сопротивление RT. Баланса добиваются изменением нескольких или одного сопротивлений. В качестве индикатора баланса используется гальванометр магнитоэлектрической системы. Величина термосопротивления RT=R2*R3/R1. При использовании данной схемы в режиме измерения температуры окружающей среды переменным резистором R устанавливают стрелку гальванометра на нужное деление шкалы при температуре 0 °С. Вторая реперная точка определяется при температуре 20 °С и т.д. Приведенная схема позволяет измерять температуру в пределах от -10 °С до 100 °С с погрешностью 1 °С при хорошей чувствительности и вполне достаточно для проведения демонстраций. Практически собранное устройство стабильно работает в качестве высокоскоростного контактного термометра.