Закон термометра

§ 3.10. Закон Шарля. Газовый термометр

С помощью уравнения состояния можно найти зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме. Эту зависимость экспериментально установил французский физик Ж. Шарль (1746—1823) в 1787 г.* Располагая уравнением состояния идеального газа, прибегать к опыту уже нет необходимости.

* Ж. Шарль в 1787 г., т. е. раньше, чем Гей-Люссак, установил и зависимость объема от температуры при постоянном давлении, но он своевременно не опубликовал своих работ.

Закон Шарля

Согласно уравнению (3.9.9)

Давление данной массы газа при постоянном объеме прямо пропорционально абсолютной температуре. В этом и состоит закон Шарля.

Из закона Шарля следует, что отношение давлений данной массы газа при постоянном объеме равно отношению его абсолютных температур:

Процесс изменения давления газа, вызванный изменением температуры при постоянном объеме, называют изохорным (от греческих слов isos — равный и сhorа занимаемое место). Зависимость давления газа от температуры графически изображается прямой линией — изохорой. Разным объемам соответствуют различные изохоры (рис. 3.14). Так как с ростом объема газа при постоянной температуре давление его падает (закон Бойля—Мариотта), то изохора, соответствующая объему V2, лежит ниже изохоры, соответствующей объему V1

vip8082p.vip8081p.beget.tech

Закон термометра

При обсуждении устройства термометра (§ 196) было указано, что наиболее совершенным является газовый термометр. Мы знаем, что температурный коэффициент давления газа, измеренный по ртутному термометру, почти постоянен (закон Шарля). Из этого свойства газов и исходят при построении новой шкалы температур: принимают, что термодинамическая температура в точности пропорциональна давлению данного объема газа.

На рис. 386 показано устройство простейшего газового термометра. При измерении баллон погружают в жидкость, температуру которой измеряют. Объем газа в баллоне поддерживают постоянным путем поднимания или опускания трубки с ртутью. Давление газа в баллоне равно сумме атмосферного давления и давления столба ртути . Если при температуре давление газа равно , а при измерении было обнаружено, что давление газа стало равным , то температура жидкости принимается равной

.

Рис. 386. Газовый термометр

В интервале температур, где можно пользоваться обычным ртутным термометром, шкала газового термометра почти совпадает со шкалой ртутного, так как температурный коэффициент давления газа, измеренный по ртутному термометру, как мы знаем, является почти постоянным.

Газовые термометры, предназначенные для измерения низких или не очень высоких температур, делаются из стекла или из кварца и наполняются водородом или гелием. Для измерения температур ниже температуры сжижения водорода можно употреблять только гелий — наиболее трудно сжижаемый газ.

Для очень высоких температур (примерно до ) газовые термометры делают из сплава платины с родием, выдерживающего высокую температуру, и наполняют азотом (водород не годится, потому что он проходит сквозь нагретую платину).

Газовыми термометрами обычно пользуются только для проверки термометров другого устройства, более удобных в повседневном применении, чем газовые. Ясно, что при измерении температур газовым термометром закон Шарля должен выполняться абсолютно точно: ведь термодинамическая температура пропорциональна давлению газа по определению.

sernam.ru

Разнообразие термометров и их применение.

Термометр в переводе с греческого языка означает «измерять тепло». История изобретения термометра берет начало с 1597 года, когда Галилей создал термоскоп – шарик с припаянной трубкой – для определения степени нагретости воды. Этот прибор не имел шкалы, а его показания зависели от атмосферного давления. С развитием науки термометр видоизменялся. Жидкостный термометр впервые был упомянут в 1667 году, а в 1742 году шведский физик Цельсий создал термометр со шкалой, в которой точка 0 соответствовала температуре замерзания воды, а 100 – температуре ее кипения.

Мы часто пользуемся термометром для определения температуры воздуха на улице или температуры тела, однако этим применение термометра вовсе не ограничивается. На сегодняшний день существует множество способов измерить температуру вещества, а современные термометры совершенствуются до сих пор. Опишем наиболее распространенные типы измерителей температуры.

Жидкостный термометр

Принцип действия данного типа термометров основан на эффекте расширения жидкости при нагревании. Термометры, у которых в качестве жидкости используется ртуть, часто применяются в медицине для измерения температуры тела. Несмотря на токсичность ртути, ее использование позволяет определять температуру с большей точностью по сравнению с другими жидкостями, так как расширение ртути происходит по линейному закону. В метеорологии используют термометры на спирту. Это связано в первую очередь с тем, что ртуть загустевает при значении 38 °С и не годится для измерения более низких температур. Диапазон жидкостных термометров в среднем составляет от 30 °С до +600 °С, а точность не превышает одну десятую долю градуса.

Газовый термометр

Газовые термометры работают по тому же принципу, что и жидкостные, только в качестве рабочего вещества в них используется инертный газ. Этот тип термометра является аналогом манометра (прибора для измерения давления), шкала которого градуируется в единицах температуры. Основным преимуществом газового термометра является возможность измерения температур около абсолютного нуля (его диапазон составляет от 271 °С до +1000 °С). Предельно достижимая точность измерения составляет 2*10 -3 °С. Получение высокой точности газового термометра является сложной задачей, поэтому такие термометры не используются в лабораторных измерениях, а применяются для первичного определения температуры вещества.

Механический термометр

Этот вид термометров работает по аналогии с газовыми и жидкостными. Температура вещества определяется в зависимости от расширения металлической спирали или ленты из биметалла. Механический термометр отличается высокой надежностью и простотой в использовании. Как самостоятельные приборы такие термометры широкого распространения не получили и в настоящее время используются в основном в качестве устройств для сигнализации и регулирования температуры в системах автоматизации.

Электрический термометр (термометр сопротивления)

В основу работы электрического термометра заложена зависимость сопротивления проводника от температуры. Сопротивление металлов линейно увеличивается с ростом температуры, поэтому именно металлы и используются для создания этого типа термометров. Полупроводники по сравнению с металлами дают большую точность измерений, однако термометры на их основе практически не выпускаются из-за сложностей, связанных с градуировкой шкалы. Диапазон термометров сопротивления напрямую зависит от рабочего металла: например, для меди он составляет от -50 °С до +180 °С, а для платины – от -200 °С до +750 °С. Электрические термометры устанавливают в качестве датчиков температуры на производстве, в лабораториях, на экспериментальных стендах. Они часто комплектуются совместно с другими измерительными устройствами

Термоэлектрический термометр

Термоэлектрический термометр также называют термопарным. Термопара представляет из себя контакт двух разных проводников, измеряющих температуру на основе эффекта Зеебека, открытого в 1822 году. Этот эффект состоит в появлении разницы потенциалов на контакте между двумя проводниками при наличии между ними градиента температур. Таким образом, через контакт при изменении температуры начинает проходить электрический ток. Преимуществом термопарных термометров является простота исполнения, широкий диапазон измерений, возможность заземления спая. Однако есть и недостатки: термопара подвержена коррозии и другим химическим процессам со временем. Максимальной точностью обладают термопары с электродами из благородных металлов и их сплавов – платиновые, платинородиевые, палладиевые, золотые. Верхняя граница измерения температуры с помощью термопары составляет 2500 °С, нижняя – около -100 °С. Точность измерения термопарного датчика может достигать 0,01 °С. Термометр на основе термопар незаменим в системах управления и контроля на производстве, а также при измерении температуры жидких, твердых, сыпучих и пористых веществ.

Волоконно-оптический термометр

С развитием технологий изготовления оптоволокна, возникли новые возможности его использования. Датчики на основе оптоволокна проявляют высокую чувствительность к различным изменениям во внешней среде. Малейшее колебание температуры, давления или натяжения волокна приводят к изменениям распространения в нем света. Оптоволоконные датчики температуры часто применяются для обеспечения безопасности на производстве, для пожарного оповещения, контроля герметичности емкостей с огнеопасными и токсичными веществами, обнаружения утечек и т. п. Диапазон таких датчиков не превышает +400 °С, а максимальная точность составляет 0,1 °С.

Инфракрасный термометр (пирометр)

В отличие от всех предыдущих типов термометров, пирометр является бесконтактным прибором. Более подробно прочитать про пирометры и его характеристики можно в отдельной статье на нашем сайте. Технический пирометр способен измерять температуру в диапазоне от 100 °С до 3000 °С, с точностью до нескольких градусов. Инфракрасные термометры удобны не только в условиях производства. Все чаще они применяются для измерения температуры тела. Это связано со многими преимуществами пирометров по сравнению с ртутными аналогами: безопасность использования, высокая точность, минимальное время на измерение температуры.

В завершение отметим, что сейчас сложно представить себе жизнь без этого универсального и незаменимого прибора. Простые термометры можно встретить в быту: они используются для поддержания температуры в утюге, стиральной машине, холодильнике, измерения температуры окружающего воздуха. Более сложные датчики устанавливают в инкубаторах, теплицах, сушильных камерах, на производстве.

Выбор термометра или датчика температуры зависит от сферы его использования, диапазона измерения, точности показаний, габаритных размеров. А в остальном – все зависит от вашей фантазии.

Киев: (044) 227-78-38, (063) 726-15-90

Днепропетровск: (073) 036-95-69

Одесса: (073) 000-30-91

Харьков: (093) 502-54-17

Львов: (073) 153-21-68

Доставка по всей Украине!

ecounit.com.ua

Газовые законы. Тарировка газового термометра

1) экспериментальная проверка уравнений состояния идеального газа;

2) демонстрация принципа работы газового термометра.

Идеальным называется газ, в котором отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия и возможно пренебрежение размерами молекул газа. Реальные газы с достаточной степенью точности можно считать тогда, когда они находятся в состояниях, далеких от областей фазовых превращений.

Состояние идеального газа характеризуется переменными ,и, называемыми параметрами состояния. Процессы в газе также характеризуются величинамии, определяющими энергетические процессы в системе газ-окружающая среда.

В общем случае состояние идеального газа описывается уравнением Менделеева‑Клапейрона:

[1]

где: — давление газа, Па;

— объем, занимаемый газом, м 3 ;

— масса газа, кг;

— молярная масса газа, кг/моль;

— газовая постоянная, равная 8,31 Дж/мольград;

— температура, град. К.

В частных случаях вместо уравнения Менделеева-Клапейрона можно использовать законы:

а) Закон Бойля-Мариотта (изотермический процесс): при неизменных температуре и массе произведение численных значений давления и объема газа постоянно:

[2]

б) Закон Гей-Люссака (изобарный процесс): при постоянном давлении объем данной массы газа прямо пропорционален его абсолютной температуре:

[3]

где — объем газа при температуре=273.15К,

— коэффициент объемного расширения.

в) Закон Шарля (изохорный процесс): при постоянном объеме давление данной массы газа прямо пропорционально его абсолютной температуре:

[4]

где — давление газа при температуре=273.15К.

Экспериментальная установка

Схема установки изображена на рисунке ниже:

Назначение и характеристика основных элементов установки:

а) Термостатированный резервуар (1), с заключенным в нем цилиндром (2) с поршнем (3). Посредством штока (4) и реверсивного шагового привода (5) поршень может перемещаться в цилиндре. Управляется шаговый привод пультом (28), отображающим текущий объем под поршнем.

— объем под поршнем (геометрический): Vmin= 0 л,Vmax= 5 л;

— допустимое давление: pmax= 10 атм = 10 6 Па;

— теплоемкость резервуара 7000 Дж/С.

б) Термостаты. Термостатирование объема осуществляется прокачиваемой водой, температура которой поддерживается термостатами (13) и (14). Выбор термостата, вода из которого в данный момент подается в объем (1), осуществляется краном (12). Каждый термостат имеет собственный пульт управления: (29) и (30). Термостаты расположены ниже уровня цилиндра и при отключении циркуляционного насоса вода из рубашки цилиндра стекает в соответствующий термостат. Термостат может находиться в трех состояниях:

1) «ВЫКЛ» — переключатели [нагрев] и [цирк.] в положении [выключено], если в этом состоянии термостат подключен к системе краном (12), то в него стекает вода из рубашки цилиндра;

2) «ВКЛ» — переключатели [нагрев] и [цирк.] в положении [включено], при этом на выходе термостата температура равна заданной регулятором [Уст. Т] независимо от величины температуры на входе;

3) «ЦИРК.» — переключатель [нагрев] в положении [выключено], переключатель [цирк.] в положении [включено], при этом температура на выходе термостата равна температуре на входе.

— диапазон задаваемых температур: tmin= 10C,tmax= 98C;

— объем циркулирующей воды: 5 л.

в) Система заполнения цилиндра. Для заполнения или вентиляции объема цилиндра служат краны: (17) — соединяет внутренний объем цилиндра с атмосферой; (25) подключает к магистрали баллоны (21) и (22), содержащими азот и углекислый газ. Давление подаваемого газа задается редукторами (23) и (24), которые управляются с пультов (19) и (20). Кран (25) имеет три положения: «З» — закрыт; «1» — баллон (21); «2» — баллон (22).

г) Система откачки цилиндра. Узел откачки газа состоит из форвакуумного насоса (15), ресивера-маслоотделителя (16), кранов (10) и (11). Включение насоса осуществляется с пульта (32). Состояние кранов при выключенном насосе: кран (11) открыт, кран (10) закрыт. После включения насоса сначала закрывается кран (11), затем открывается кран (10). Перед выключением насоса сначала закрывается кран (10), затем открывается кран (11), после этого выключается насос. При нарушении порядка открывания-закрывания кранов может происходить выброс масла из насоса в маслоотделитель (16), если это произошло, то при закрытых кранах (10) и (11) должен на некоторое время включаться насос для закачки масла обратно в картер насоса. Контроль давления при откачке осуществляется мановакуумметром (9).

д) Контроль давления. Для контроля давления служит мановакуумметр (9). Прибор подключаются к магистрали (18). Показания приборов — относительно атмосферного давления.

— шкала мановакуумметра: -0,1 01 МПа.

— точность 0,01 МПа.

е) Измерение температуры внутри цилиндра осуществляется термопарой (6), индикация температуры — цифровой термометр (26). Для измерения температуры воды используется термопара (7), индикация температуры — цифровой термометр (27).

з) Для выполнения «Тарировки газового термометра» к внутреннему объему цилиндра подключается жидкостный (ртутный) «U»- образный абсолютный манометр (8) с заглушенной правой трубкой, колена которого соединены гибким шлангом. Правое колено манометра может перемещаться вверх-вниз посредством привода (31).

studfiles.net

1. КЛАССИФИКАЦИЯ

1.1. Термометры, наполненные несмачивающей жидкостью, следует изготовлять для измерения температуры от минус 60 до плюс 650 °С, наполненные смачивающей жидкостью,-от минус 200 до плюс 200 °С.

1.2. Термометры различают по конструктивному исполнению:

с вложенной шкальной пластиной-тип Б;

с прикладной шкальной пластиной-тип В.

1.3. Термометры в зависимости от условий эксплуатации следует изготовлять следующих исполнений:

1.4. Номенклатура основных показателей качества термометров приведена в приложении 1.

2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

2.1.1. Термометры следует изготовлять в соответствии с требованиями настоящего стандарта по стандартам или техническим условиям на термометры конкретного типа.

2.1.2. Термометры должны быть градуированы в градусах Цельсия, (°С) по Международной практической температурной шкале в соответствии с требованиями ГОСТ 8.157.

Градуировку следует проводить при погружении термометров в термостаты при высоте выступающего столбика жидкости не более 10 мм-полного погружения или на глубину, указанную в стандартах или технических условиях на термометры конкретного типа,-частичного погружения.

Если возникает необходимость применения термометров полного погружения в условиях частичного погружения или термометров частичного погружения в условиях полного погружения, то следует вносить поправку на температуру столбика жидкости, которая будет отличаться от температуры, установленной для того или другого вида погружения. Определение поправки к показанию термометра приведено в приложении 2. Коэффициенты видимого теплового расширения термометрических жидкостей приведены в приложении 3.

Градуировку термометров частичного погружения следует проводить в помещении при температуре окружающего воздуха (20 ± 5) °С.

2.1.3. В стандартах или технических условиях на термометры конкретного типа необходимо устанавливать требования к стеклу и его обработке, чтобы готовое изделие удовлетворяло следующим требованиям.

2.1.3.1. Напряжение стекла, капиллярной трубки и, при необходимости, защитной оболочки должно быть сведено до уровня, который обеспечит сохранность изделия при термическом или механическом воздействии.

Удельная разность хода лучей в резервуаре после отжига до его заполнения термометрической жидкостью не должна превышать 12 млн -1 . Удельная разность хода лучей в местах обработки после отжига должна быть установлена в стандартах или технических условиях на термометры конкретного типа.

2.1.3.2. Стекло резервуара должно быть стабилизировано термической обработкой так, чтобы точность показаний термометра соответствовала требованиям п. 2.1.4. Искусственному старению должны быть подвергнуты резервуары термометров для измерения температуры свыше 200 °С и термометров с ценой деления 0,1 и 0,2 °С.

2.1.3.3. На резервуаре и оболочке термометра не допускаются царапины, камни, пузыри и другие дефекты, влияющие на прочность термометров или мешающие отсчету температуры по шкале.

2.1.4. Предел допускаемой погрешности термометров полного и частичного погружения в зависимости от диапазона измерения температуры, цены деления шкалы и класса точности не должен превышать значений, указанных в табл. 1-3. При обеспечении данных требований для более высокой точности измерений термометры могут иметь поправку к показанию. Предел допускаемой погрешности виброустойчивых и специальных, сельскохозяйственных, бытовых, а также лабораторных термометров длиной менее 180 мм устанавливают в технических условиях на термометры конкретного типа, термометров для испытаний нефтепродуктов-по ГОСТ 400.

Предел допускаемой погрешности термометров, предназначенных для учебных целей, устанавливают в технических условиях.

2.1.5. Смачивающая жидкость не должна менять агрегатного состояния во всем диапазоне измерения температур, химически взаимодействовать со стеклом, мутнеть или давать осадок, содержать механические включения; жидкость должна иметь в капиллярной трубке правильно вогнутый мениск.

2.1.6. Движение жидкости в капиллярной трубке должно быть плавным, без скачков и торможений; жидкость при движении не должна разрываться на несоединимые части и оставлять следы на стенках капиллярной трубки.

2.1.7. Мениск жидкости должен быть отчетливо виден на фоне шкалы термометра.

Допускается подкрашивать смачивающую жидкость красителем, устойчивым к влиянию света и температуры в условиях эксплуатации, или наносить на шкальную пластину краской, контрастной по цвету, полосу за капиллярной трубкой шириной не менее 1,5 мм.

2.1.8. Дистилляция смачивающей жидкости в термометрах полного погружения при выдержке их в течение 3 ч при температуре конечного значения шкалы не должна вызывать изменения показаний более чем на 0,25 значения наименьшего деления шкалы. В термометрах частичного погружения-0,5 значения наименьшего деления шкалы.

2.1.9. Пространство в капиллярной трубке над столбиком смачивающей жидкости должно быть заполнено инертным газом или воздухом; для измерения температуры до 100 °С-инертным газом или быть вакуумным, свыше 100 °С-инертным газом под давлением, исключающим кипение жидкости при верхнем пределе измерения.

www.rosteplo.ru

Смотрите еще:

  • Мошенничество на электронных торгах Мошенничество на электронных торгах Электронные торговые площадки достаточно хорошо защищены технически, стремятся обеспечить действительно высокий уровень безопасности. Однако мошенники нередко находят […]
  • Заявление на получение аванс образец Заявление на аванс в счет заработной платы Трудовое законодательство обязывает работодателя выплачивать заработную плату работникам 2 раза в месяц, сроки выплаты определяются локальными актами организации. […]
  • Закон фз-23 от 4 марта Федеральный закон от 4 марта 2013 г. N 23-ФЗ "О внесении изменений в статьи 62 и 303 Уголовного кодекса Российской Федерации и Уголовно-процессуальный кодекс Российской Федерации" (с изменениями и […]
Закладка Постоянная ссылка.

Обсуждение закрыто.