Hőmérő

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. december 19-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 2 szerkesztést igényelnek .

A termometria az alkalmazott fizika és metrológia egyik ága , amely a hőmérséklet mérésére szolgáló módszerek és eszközök kifejlesztésére irányul . A hőmérő feladatai közé tartozik: hőmérsékleti skálák felállítása , szabványok létrehozása, kalibrációs módszerek kidolgozása és hőmérsékletmérő műszerek kalibrálása .

Történelem

A hőmérséklet közvetlenül nem mérhető. Ebben a tekintetben a hőmérő fejlesztése hosszú és nehéz utat járt be a hőmérsékletmérés egységének eléréséhez. Ősidők óta ismert volt a tapintási érzetek segítségével történő minőségi hőmérséklet-értékelés módszere. Innen a fogalmak: meleg, meleg, hideg. A természeti jelenségek érzékszervi érzékelése alapján megjelentek a fogalmak: téli hideg, nyári hőség, esti hűvösség, vörös- és fehérmeleg, hőség (a betegség alatti emelkedett testhőmérséklet vonatkozásában).

A középkorban többször leírtak egy olyan élményt, amelyben azt javasolták, hogy az egyik kezét forró vízbe, a másikat hideg vízbe tartsa, majd mindkét kezét vegyes vízbe merítse. Ennek eredményeként az első kéz hidegnek, a második melegnek érezte a kevert vizet. Annak ellenére, hogy a szervezet nagyon érzékeny a testhőmérséklet változásaira (akár ), a hőmérséklet kvantitatív mérése érzeteink segítségével még nagyon szűk tartományban sem lehetséges. $0{,}1\,\mathrm {K}$

A kognitív és alkalmazott célú hőmérsékletmérés igénye a 16. század közepén merült fel. Az ilyen mérésekhez valamilyen megfigyelésekből ismert paraméter hőmérséklettől való funkcionális függését kellett alkalmazni. A levegő hőtágulási képességét már az 1. században ismerte Alexandriai Heron . Ezzel megmagyarázta, miért emelkedik fel a tűz. 1597-ben Galilei hőmérsékletkutatáshoz termoszkópot javasolt, amely egy levegővel töltött üvegtartályból állt, amelyet vékony cső köt össze egy színes folyadékkal töltött edényhez. A kanna hőmérsékletének megváltoztatása a színes folyadék szintjének változását okozta. Az ilyen hőmérők jelentős hátránya volt, hogy leolvasásuk függött a légköri nyomástól. A modern folyékony üveg hőmérőkhöz hasonló hőmérő kialakítása Galilei tanítványának, Toszkána hercegének, Ferdinándnak a nevéhez fűződik. A hőmérő egy lezárt, alkohollal töltött üvegedény volt, függőlegesen mutató kapillárissal. A fokosztásokat zománccseppekkel közvetlenül a kapilláriscsőre vittük fel.

A hőmérő metrológiai alapját Santorio padovai orvos fektette le . Galilei termoszkóp segítségével két abszolút pontot vezetett be, amelyek megfeleltek a havazás alatti hőmérsékletnek és a legmelegebb nap hőmérsékletének, és szabályozott egy ellenőrző rendszert, amellyel az összes firenzei hőmérőt a példaértékű sancori-galilei műszer szerint kalibrálták. A 18. század elején számos javaslat érkezett a hőmérő skála több könnyen és megbízhatóan reprodukálható ponthoz való kötésére vonatkozóan, amelyek később „referenciapontok” néven váltak ismertté.

A hőmérsékletmérés fejlesztésében jelentős szerepe van a Fahrenheitnek . Ő volt az első, aki a higanyt hőmérőként használta, és megalkotott egy reprodukálható hőmérsékleti skálát. A Fahrenheit skálán a hó és az ammónia keverékének hőmérsékletét nullának vettük, és a második pont egy egészséges ember testhőmérsékletének felelt meg. A jég olvadáspontja a skála végleges változatában 32 fok, az emberi test hőmérséklete 96 fok, a víz forráspontja, amely eredetileg származtatott érték volt, 212 fok. Fahrenheitnek, aki szintén sikeres vállalkozó volt, először sikerült egységes hőmérők tömeggyártását létrehoznia. A Fahrenheit skálát továbbra is használják az Egyesült Államokban műszaki és háztartási hőmérsékletmérésre.

1742-ben Celsius svéd matematikus és földmérő azt javasolta, hogy a jég olvadáspontja és a víz forráspontja közötti tartományt higanyhőmérőben osszák fel 100 egyenlő részre. A skála első változatában a víz forráspontját 0 foknak, a jég olvadáspontját 100 foknak vették. 1750-ben ezt a mérleget Celsius egyik tanítványa, Strömmer " átalakította ". A 20. század elejéig a Reaumur francia zoológus és fizikus által 1730-ban javasolt Reaumur skála is elterjedt volt . A Réaumur 80%-os etil-alkohol oldatot használt hőmérő testként. A Réaumur-skála egy foka, akárcsak a firenzei hőmérőé, a folyadék térfogatának ezredrészes változásának felelt meg. A jég olvadáspontját vettük kiindulási pontnak, a víz forráspontja pedig 80 fok volt.

1848-ban Thomson (Kelvin) egy abszolút termodinamikai skálát javasolt, amely az empirikus skálákkal ellentétben nem függ a hőmérős test tulajdonságaitól. [1] Bővebben: Termodinamikai hőmérséklet .

A hőmérsékletmérés fizikai alapja

Mint fentebb említettük, a hőmérsékletet nem lehet közvetlenül mérni. Változásait a testek egyéb tulajdonságainak változásai alapján ítélik meg, mint például a térfogat, nyomás, elektromos ellenállás, termo-EMF, sugárzás intenzitása stb., amelyek bizonyos mintázatok alapján a hőmérséklethez kapcsolódnak. Ezért a hőmérsékletmérési módszerek alapvetően a fenti hőmérős tulajdonságok mérésére szolgáló módszerek. Egy adott módszer vagy eszköz kidolgozásakor olyan hőmérős testet kell választani, amelyben a megfelelő tulajdonság jól reprodukálódik, és nagyon jelentősen változik a hőmérséklettel. A test hőmérsékleti tulajdonsága egy olyan tulajdonság, amelynek hőmérséklettől való függése monoton, és nincs észrevehető hiszterézise, ami lehetővé teszi a hőmérséklet mérésére való felhasználását.

A hőmérséklet méréséhez szükség van egy mértékegységre és egy skálára is, amellyel az értékeit a kiválasztott szintről mérik. Az empirikus hőmérsékleti skála felépítésének elve abból áll, hogy két fő könnyen reprodukálható referenciapontot választunk, amelyekhez tetszőleges hőmérsékleti és hőmérsékleti értékeket rendelünk . Az ezen értékek közötti hőmérséklet-tartomány egyenlő számú részre van osztva, és az alkatrészt tekintjük hőmérsékleti egységnek. Ezután egy fizikai tulajdonságot választunk - egy hőmérős mennyiséget , például a folyadék térfogatát, a gáznyomást, az elektromos ellenállást, a termo-EMF-et stb., amelyről hagyományosan lineárisan függ a hőmérséklettől. Ebből következik az egyenlet $t_{1}$ $t_{2}$ $N$ $1/N$ $E$

dt=kdE,

ahol az arányossági együttható. Integrált formában ─ $k$

t=kE+C.

Az állandók meghatározásához és a fenti hőmérsékleteket és . A transzformáció után az integrál egyenlet alakot ölt $k$ $C$ $t_{1}$ $t_{2}$

t=t_{1}+{\frac {t_{2}-t_{1}}{E_{2}-E_{1}}}(E-E_{1}).

Az utolsó kifejezést skálaegyenletnek nevezzük . Segítségével a mért értékekből hőmérsékleti értékeket találunk . [2] . $E$ $t$

1954-ig a hőmérsékleti skála két referenciaponton alapult: a jég normál olvadáspontján és a víz normál forráspontján . Kísérleti vizsgálatok kimutatták, hogy a víz hármaspontja jobban reprodukálható, mint a jég olvadáspontja és a víz forráspontja. Ezzel kapcsolatban nemzetközi megállapodást fogadtak el egy hőmérsékleti skála felépítéséről, amely egy referenciaponton – a víz hármaspontján – alapul. Az úgynevezett abszolút termodinamikai hőmérsékleti skálán (Kelvin-skála) értelemszerűen feltételezzük, hogy ennek a pontnak a hőmérséklete pontosan . A hárompontos hőmérséklet számértékét úgy választjuk meg, hogy a jég normál olvadáspontja és a víz forráspontja közötti intervallum a lehető legpontosabb legyen, ha ideális gázhőmérőt használunk. [3] $t_1$ $t_2$ $273{,}16\,\mathrm {K}$ $100\,\mathrm {K}$

A kísérletek azt mutatják, hogy a természetben nincsenek olyan anyagok, amelyek fizikai tulajdonságai szigorúan lineárisan függnének a hőmérséklettől. Maga az együttható a hőmérséklet függvénye. A különböző hőmérsékleti tulajdonságokra épített , a fő pontokon egybeeső hőmérsékleti skálák a hőmérsékleti értékekben eltéréseket adnak a megadott hőmérsékleti tartományon belül és azon túl is. Az empirikus hőmérsékleti skálák hátrányai az előbb említett eltérésen túlmenően a folytonosságuk hiánya, ami azzal jár, hogy a hőmérő testek nem tudnak a lehetséges hőmérsékletek teljes tartományában dolgozni. $k$ $t_{1}$ $t_{2}$

Hőmérők

A hőmérő (a görög thérme szóból ─ hő és metréo ─ mérem) a hőmérséklet mérésére szolgáló eszköz.

A mérési technikától függően a hőmérőket két fő csoportra osztják:

1. Kontakt hőmérők, amelyek érzékeny elemei (érzékelői) közvetlenül érintkeznek a mért tárggyal;

2. Érintésmentes hőmérők, amelyek távolról mérik egy tárgy integrált hő- vagy optikai sugárzásának intenzitását;

3. Egy speciális csoportba tartoznak a speciális hőmérők, amelyek ultraalacsony hőmérséklet mérésére szolgálnak.

Az érintkező eszközök és módszerek a működési elv szerint a következőkre oszthatók:

a) térfogati kontakt hőmérők, amelyek a folyadék vagy gáz térfogatának (térfogatának) változását mérik a hőmérséklet változásával;

b) Dimetrikus hőmérők, amelyekben a hőmérsékletet különböző szilárd anyagok hőmérséklet-változással járó lineáris tágulása alapján ítélik meg. Egyes esetekben az érzékelő két fémből készült, különböző lineáris tágulási együtthatójú bimetál lemez, amely melegítéskor vagy hűtéskor meghajlik;

c) Termoelektromos hőmérők, amelyek érzékelői hőelemek, amelyek két különböző, a végén forrasztott vezeték. A hőelem csomópontjai közötti hőmérséklet-különbség jelenlétében termo-emf keletkezik. A hőmérséklet mérése a thermo-emf értékével, vagy a hőelem áramkörében lévő áram értékével történik;

d) Ellenállás-hőmérők ─ amelyek működési elve egy vezető vagy egy félvezető eszköz (termiszter) ellenállásának hőmérséklet-változással történő változásán alapul.

Az érintésmentes módszerek és eszközök a következők:

a) Radiometria (radiométerek) ─ hőmérsékletmérés a test saját hősugárzásával. Alacsony és szobahőmérséklet esetén ez a sugárzás az infravörös hullámhossz-tartományba esik.

b) Hőképalkotás (hőkamerák) ─ radiometrikus hőmérsékletmérés térbeli felbontással és a hőmérsékleti mező televíziós képpé alakításával, esetenként színkontraszttal. Lehetővé teszi a hőmérséklet-gradiensek, a közeg hőmérsékletének mérését zárt helyeken, például a tartályokban és csövekben lévő folyadékok hőmérsékletét.

c) Pirometria (pirométerek) ─ önvilágító tárgyak magas hőmérsékletének mérése: láng, plazma, asztrofizikai tárgyak. Azt az elvet alkalmazzuk, hogy egy tárgy fényerejét egy fényességi szabványhoz (fényességpirométer és fényességi hőmérséklet) hasonlítsuk össze; vagy a tárgy színe a szabvány színével (színpirométer és színhőmérséklet); vagy egy tárgy által kibocsátott hőenergia szabványos emitter által kibocsátott energiával (sugárzási pirométer és sugárzási hőmérséklet).

A hőmérő alapjául szolgáló alapvető egyenletek

1. A gáz állapotának Clapeyron-egyenlete . Ezt az egyenletet használják az ideális gázhőmérséklet skála felépítésére.

pV={\frac {m}{M}}RT.

2. A folyadékok és gázok térfogatának a hőmérséklettől lineárisan függő hőtágulási egyenlete a térfogatmérési módszer alapja.

V_{t}=V_{0}(1+\alpha _{0}t).

3. A dilatometrikus hőmérsékletmérés alapját a szilárd testek hőmérséklettel történő lineáris hőtágulásának egyenletei képezik.

L_{t}=L_{0}(1+\béta t).

4. Az ellenálláshőmérők a vezetők ellenállásának a hőmérséklettől való lineáris függésének egyenletén alapulnak.

R_{t}=R_{0}(1+\gamma t).

5. A Stefan-Boltzmann törvény , amely a hősugárzás és a hőmérséklet összenergiáját funkcionális függőséggel köti össze, az érintésmentes hőmérsékletmérési módszerek alapját képezi.

F=\sigma T^{4},

ahol van egy abszolút fekete test integrál emissziós tényezője, az a Stefan-Boltzmann állandó. $F$ $\sigma$

Mágneses hőmérő

Az 1 K alatti hőmérséklet mérésére azt a tényt használjuk, hogy a paramágnes mágneses szuszceptibilitása a hőmérséklettől függ ( Curie-törvény ). A mágneses szuszceptibilitás mért értékével találjuk meg a mágneses hőmérsékletet [4] [5] [6] , amely a Curie-törvénytől való eltérés mértékétől függő mértékben tér el a termodinamikai hőmérséklettől .

A GOST 8.157-75 "Gyakorlati hőmérsékleti skálák" 0,01 és 0,8 K közötti hőmérsékleti skálát hoz létre a cérium-magnézium-nitrát hőmérő mágneses szuszceptibilitásának hőmérséklet-függése alapján [7] [8] .

Jegyzetek

↑ Rizak, 2006 , p. 166-172.
↑ Rizak, 2006 , p. 181.
↑ Sivukhin, 2005 , p. 20;21.
↑ Mágneses hőmérő . TSB (3. kiadás), 1974, 15. kötet . Letöltve: 2015. február 26. Az eredetiből archiválva : 2015. február 27.. (Orosz)
↑ Fizika. Nagy enciklopédikus szótár, 1998 , p. 368.
↑ Tribus M., Termosztatika és termodinamika, 1970 , p. 443-445.
↑ Evdokimov I. N. A kutatás módszerei és eszközei. 1. rész. Hőmérséklet, s. 31. . Ros. állapot un-t olaj és gáz őket. I. M. Gubkin. Hozzáférés dátuma: 2015. február 26. Az eredetiből archiválva : 2016. március 5. (Orosz)
↑ Ivanova G.M. et al., Thermotechnical mérések és eszközök, 1984 , p. tizennyolc.

Irodalom

Bazarov I. P. Termodinamika. - M . : Felsőiskola, 1991. - 376 p. - ISBN 5-06-000626-3 .
Belokon NI A termodinamika alapelvei. - M . : Nedra, 1968. - 112 p.
Rizak V., Rizak I., Rudavsky E. Kriogén fizika és technológia. - K . : Naukova Dumka, 2006. - 512 p. - ISBN ISBN 966-87641-4-5 .
Sivukhin DV Általános fizika tanfolyam. T. II. Termodinamika és molekuláris fizika. - M. : Fizmatlit, 2005. - 544 p. - ISBN 5-9221-0601-5 .
Kozlov M. G. Metrológia és szabványosítás. Tankönyv. - M., St. Petersburg: Petersburg Institute of Press, 2001. - 372 p.
Ivanova G. M., Kuznetsov N. D., Chistyakov V. S. Hőtechnikai mérések és eszközök. — M .: Energoatomizdat, 1984. — 232 p.
Tribus M. Termosztatika és termodinamika / Per. angolból - M . : Energy, 1970. - 504 p.
Fizika. Nagy enciklopédikus szótár / Ch. szerk. A. M. Prohorov . — M .: Nagy Orosz Enciklopédia , 1998. — 944 p. — ISBN 5-85270-306-0 .
Aslanyan A. M., Aslanyan I. Yu., Maslennikova Yu. S., Minakhmetova R. N., Soroka S. V., Nikitin R. S., Kantyukov R. R. zajnaplózás és pulzáló neutron-neutron naplózás // Terület "NEFTEGAS". 2016. No. 6. S. 52-59.