Файл: molfizБІО2011кін_вар.pdf

На практиці для вимірювання температури використовують також шкали: Цельсія, Реомюра та Фаренгейта.

В термометрах з шкалою Цельсiя вiдстань мiж сталими точками термометра подiляється на 100 рiвних частин. Є й iншi способи подiлу шкали: за Реомюром ця вiдстань подiляється на 80 рiвних частин, за Фаренгейтом – 180 частин (в термометрах Фаренгейта точка танення льоду позначається числом 32, а точка кипiння води — числом 212).

Формула переходу вiд практичної (шкали Цельсiя) до абсолютної

температури шкали (шкали Кельвiна) має вигляд Т К = 273,15 + 0С

Для переводу значень температур між шкалами Цельсія, Реомюра

та Фаренгейта слiд користуватись такими спiввiдношенями: 1 0С = 4/5 0P або 9/5 0Ф

1 0Р = 5/4 0С або 9/4 0Ф 1 0Ф = 5/9 0С або 4/9 0Р

Безпосередньо виміряти кінетичну енергію теплового руху молекул неможливо. Тому вимiрювання температури грунтується на ряду фiзичних явищ: теплового розширення тiл (ртутнi, спиртовi, газовi термометри); залежностi електрорушiйної сили термоелемента вiд рiзницi температури (термопара); залежностi опору провiдника вiд температури (термометр опору), випромінювальної здатності тіла

температури в межах від –30 до +550оС.В процесі вимірювання термометр повинен знаходитися у вертикальному положенні. Для простих лабораторних вимірювань використовують звичайні лабораторні термометри, а для вимірювань з високою точністю – прецизійні зразкові термометри. Найменші ціни поділок у лабораторних та зразкових термометрів складають 0,1; 0,2; 0,5; 1оС.

При точному вимірюванні температури рідинним термометром вводиться багато поправок. Основні із них:

–поправка на температуру виступаючого стовпчика ртуті;

–поправка на зовнішній тиск. (Балончик термометра виготовлено

зтонкого скла, яке в певній мірі деформується під впливом різниці

тисків, тому збільшення зовнішнього тиску приводить до збільшення показів термометра).

– поправка на зміщення нульової точки ( Термометричне скло, розширюючись при нагріванні, при послідуючому охолодженні не

53

зразу набуває свого початкового об’єму. Ця властивість викликає зміщення нульової точки по відношенню до паспортних даних термометра)

Суттєві недоліки рідинного термометра

–велика теплова інертність ( не придатний для вимірювання температур, які швидко змінюються з часом);

–значні геометричні розміри (не придатний для вимірювання температури малих об’єктів);

–малий інтервал робочих температур.

Термопари. Термопарою (термоелементом) (рис.9.4а) називають пристрій з двох різнорідних провідників, з'єднаних між собою надійним контактом (зварені або спаяні). В основу роботи

Рис. 9.4. Електричні схеми термопари (а) і термоелектричного термометра (б)

термопари покладено термоелектричне явище Зеебека. У електричному колі, що складається із двох різнорідних провідників (рис.9.4а), спаї яких знаходяться при різних температурах, виникає електрорушійна сила (її називають термоелектрорушійною силою термопари, скорочено позначають – термо-е.р.с.) величина якої пропорційна різниці температур між ними

«спай» має температуру навколишнього середовища. Якщо холодний спай термопари підтримувати при постійній температурі T1 , то термо е.р.с. термопари однозначно визначається температурою гарячого спаю T2 . Отже температуру гарячого спаю можна визначити за значенням величини термо е.р.с.. Зручно температуру холодного спаю термопари підтримувати при температурі 273 К

Термопари широко застосовують для вимірювання і контролю за сталістю температури – це так звані термоелектричні термометри, які складаються з термопари (термоелемента, приладу, який вимірює термо–е.р.с. та з’єднувальних провідників 3 4 (рис. 9.4а,).

Термоелемент утворюють термоелектроди 1 2 і 2 3 1 виготовлені із різнорідних провідників (наприклад хромель–копель, мідь–константан та інші термоелектричні пари). Термоелектрод 2 3 1 розрізаний і до його кінців 3 3 за допомогою

з’єднувальних провідників ввімкнено електровимірювальний прилад (мілівольметрт, потенціометр). В точках 3 3 та зажимах приладу 4 4,якщо в них з’єднуються різнорідні провідники можуть виникати додаткові термо-е.р.с.. тому обидві точки 3 3, а також точки 4 4 повинні знаходитися при однакових температурах. Часто з’єднувальні провідники беруть мідними. В такому випадку достатньо термостатувати точки 3 3, помістивши їх у суміш льоду з водою. Більшість лабораторних термопар призначених для лабораторних вимірювань попередню градуюються по зразкових термометрах (рис.9.5). Якщо один спай термопари, наприклад D, підтримувати при сталій температурі (273 К), а другий A нагрівати, то прилад покаже певні значення е.р.с.; за цими значеннями

55

будується графік залежності е.р.с. термопари від температури або складається таблиця. Такий термоелектричний термометр являє собою диференціальну термопару. Диференціальні термопари широко застосовуються в лабораторіях при наукових дослідженнях. При цьому один із спаїв поміщають у посудину Дюара, наповнену подрібненим льодом і дистильованою водою (цим підтримується температура холодного спаю Т0=273 К), а другий знаходиться при температурі Т.

Термо–е.р.с. термопари вимірюють потенціометрами або електронними мілівольтметрами високого класу точності. За виміряною термо–е.р.с. з таблиць визначають або відразу невідому температуру (диференціальна термопара), або різницю між невідомою температурою і температурою навколишнього середовища (проста термопара).Шкала електронного вольтметра може бути прокалібрована не у мілівольтах, а у Кельвінах або градусах Цельсія для даної термопари. Такий прилад називають електронним термопарним термометром або просто електронним термометром.

Переваги термопар:

–мала теплова інерційність;

–малі геометричні розміри;

–висока точність;

–широкий інтервал вимірювання температури;

–можливість автоматизації процесу вимірювання температури. Недоліки:

–відносно висока вартість термоелектричних термометрів;

–необхідність стабілізації температури холодного спаю при точних вимірюваннях;

–вплив на процес вимірювання зовнішніх електромагнітних

полів.

Термометри опору. Електричний опір металів і напіпровідників залежить від температури:

R R(T) .

Якщо залежність R R(T) відома, то, визначивши електричний

опір, наприклад, тонкої металевої дротини, яка знаходиться в певному середовищі, можна обчислити температуру цього середовища.

56

Найкращим матеріалом для термометра опору є платина. Вона має надзвичайно високу хімічну стійкість, значну залежність

стабільністю опору в часі. Платинові термометри опору застосовують для вимірювання температур від -190 до 1000оС. Опір робочого елемента термометра опору вимірюють містками опору або електронними омметрами високого класу точності. Шкалу електронного омметра можна прокалібрувати не в Омах, а у Кельвінах або градусах Цельсія для даного термометра опору. Такий прилад називають електронним термометром опору.

Із інших металів для виготовлення термометрів опору використовують мідь ( до 150оС), нікель ( до 250оС). Метали для виготовлення термометрів опору повинні бути хімічно чистими. Для термометрів опору також використовують напівпровідникові матеріали.

Платинові термометри виготовляють із дроту діаметром від 0,05 до 0,2 мм. Дріт спочатку відпалюється до температури 900–1000оС, шляхом пропускання через нього електричного струму. Намотують

.дріт на каркас термометра біфілярно ( дріт складається вдвоє, після чого намотується на каркас, при такій намотці струм в середині витків тече в різних напрямках) і без натягу.

Вологість повітря. Атмосферне провітря завжди містить водяну пару. Суміш сухого повітря і водяної пари називають вологим повітрям. У вологому повітрі водяна пара перебуває під невеликим парціальним тиском Pп і в перегрітому стані. Очевидно, що парціальний тиск водяної пари значно менший від парціального тиску сухого повітря (при нормальних умовах Pпmax 1 103 Па ,

Pповітря 1 105 Па ), тому вологе повітря можна розглядати як суміш ідеальних газів, за винятком того, що при певних умовах буде конденсуватися водяна пара або випаровуватися вода. Тиск волого повітря для відкритого об’єму рівний атмосферному

Фазовий перехід у загальному випадку – це перехід із однієї фази в іншу. Фаза є сукупністю частин термодинамічної системи, які мають однакові фізичні та хімічні властивості, що не залежать від кількості речовини. Якщо система однофазна, то вона фізично однорідна або гомогенна. Багатофазна система фізично не однорідна або гетерогенна. Фази гетерогенних систем при рівноважних процесах здатні до співіснування і завжди відокремлені одна від одної макроскопічними поверхнями розділу. Прикладом фазових відмінностей можуть бути: агрегатні відмінності ( твердий, рідкий та газоподібний стани), кристалічна чи молекулярна будова ( тверде залізо має чотири фази , , , , вуглець у твердому стані має дві

фази – алмаз та графіт, вода у рідкому стані має дві фази – важка та звичайна вода, кисень у газоподібному стані має дві фази –

звичайний кисень О2 та озон О3 і т. д.).

Поділ речовини на фази ефект суто фізичний, а не хімічний. Фази гетерогенної системи будуть існувати в рівновазі лише при певних значеннях параметрів стану. Фазові переходи поділяють на фазові переходи першого та другого роду. Найбільш типовими переходами першого роду є агрегатні перетворення. Вони характеризуються стрибкоподібними змінами внутрішньої енергії, ентальпії, ентропії та об’єму і завжди супроводжуються виділення або поглинанням

де: питома прихована теплота фазового перетворення, речовини, що змінює агрегатний стан.

Агрегатні перетворення можуть протікати у двох напрямках. В одному з них відбувається перехід до фази, яка існує при вищих температурах ( наприклад: плавлення, випаровування, сублімація), а в другому – навпаки. Температура і тиск системи, при цьому залишається сталим.

Фазовий перехід речовини з рідкого стану у стан пари називають пароутворенням. Тут можливі два процеси: випаровування та кипіння.

58