3.3. Термометры

Прибор, измеряющий температуру, называется термометром. Существуют контактные и бесконтактные термометры. Контактный термометр приводят в тепловой контакт с исследуемым телом. Измерять температуру следует только тогда, когда устанавливается тепловое равновесие между термометром и исследуемым объектом. При этом температура термометра равна температуре исследуемого тела. Однако следует помнить, что термометр измеряет свою собственную температуру, и если контакт с телом плохой, то может возникнуть существенная ошибка. Другой источник ошибки — слишком массивный термометр. Теплоемкость термометра должна быть много меньше теплоемкости тела.

Таким образом, при измерении температуры контактным термометром необходимо соблюдать три условия: 1. Термометр должен быть приведен в тепловой контакт с исследуемым телом; 2. Термометр и исследуемое тело должны находится в тепловом равновесии; 3. Теплоемкость термометра должна быть много меньше теплоемкости исследуемого тела.

В контактном термометре может быть использовано любое свойство вещества или устройства, зависящее от температуры. Поскольку таких свойств очень много, разновидностей термометров тоже много. Жидкостныйтермометр делается в виде узкого капилляра, переходящего в нижней части в шарик, в котором находится основная масса жидкости. При расширении жидкость входит в капилляр, за­полняя его до определенного деления. (Используется разница темпе­ратурных коэффициентов расширения жидкости и стекла.)

В жидкостных термометрах применяется ртуть или спирт. Ртуть замерзает при тем­пературе ниже -39С, а стекло размягчается при 500—600 °С. Этим определяется диапазон ртутных термометров. Спиртовые термометры применяются для измерения температур в диапазоне от -80 до +70°С (приt= -114°С спирт замерзает, а при высоких температурахt = 78 °С – кипит).

Термометры различаются по чувствительности. Пусть объем шарика V_ш, радиус капилляраr, а высота столбика жидкости в капилляреh. Тогда

,

где  — температурный коэффициент объемного расширения жидкости. Отсюда чувствительность (в миллиметрах шкалы на 1°С):

.

Температурный коэффициент объемного расширения спирта в 6 раз выше, чем у ртути, соответственно и чувствительность у спиртового термометра выше. Для данной жидкости чувствительность тем больше, чем больше объем шарика и чем тоньше капилляр. Однако сужение капилляра одновременно сужает диапазон измерений.

Чтобы измерить небольшой интервал температур, например от 180 до 200 °С, при­меняют укороченный термометр. Он пред­ставляет собой узкий капилляр, шарик ко­торого заполнен термометрической жидкостью не полностью. Термин “укорочен­ный” означает, что он в 20 раз короче, чем был бы термометр от 0 до 200 °С той же чув­ствительности. Для того чтобы охватить достаточно широкий диапазон температур, из­готавливают наборы таких термометров (на­пример, от 0 до 20 °С, затем от 20 до 40 °С и т. д.).

В тех случаях, когда надо, чтобы после измерения уровень ртути не опускался, несмотря на остывание термометра (например, в меди­цинском термометре), применяется максимальный термометр. В таком термометре шарик сообщается с измерительным капилляром через более узкий капилляр. При нагревании ртуть проталкива­ется через узкое место, а при остывании столбик ртути рвется в этом месте и ртуть не возвращается в шарик, фиксируя максимальную тем­пературу. Для возвращения ртути термометр необходимо сильно встря­хнуть.

Ртутный термометр, который используется не только для измере­ния температуры, но и для ее регулирования, называется контактным, так как в него введена тонкая контактная про­волочка. При повышении температуры ртуть замыкает контакты. Так как термометр полностью герметичный, то положение верхнего контакта меняется с помощью маховичка, который посредством постоянного магнита вращает регулировочный винт, расположенный внутри термометра. Сила тока в термометре должна быть небольшой, а при необходимости регулиро­вания токов большой силы используют реле.

Температуру также измеряют с помощью приборов, преобразующих изменения температуры в электрический сигнал.

Термометр сопротивления— это катушка с проводом соп­ротивление которого возрастает с темпера­турой:R=R₀(1 +t). Для устойчивости к окислению берут тонкую платиновую про­волоку (платиновый термометр) диаметром менее 0.1 мм. Сопротивление измеряется мос­том постоянного тока, шкала которого может быть проградуирована в градусах.

Значительно более чувствителен термистор— термометр сопротивления на полупроводнике. Термистор имеет более узкий диапа­зон измерений и шкала его не линейна. Он представляет собой бусинку из оксидов металлов (Сu, Мn, Мg, Со). Сопро­тивление полупроводника убывает с температурой по законуR=R₀e^a/T. Отсюда нелинейность шкалы.

Рис. 34

Термопары,в отличие от термометра сопротивления и термистора, являются активными электрическими датчиками темпе-ратуры. Термопара состоит из двух спаянных проволочек (рис. 34 1,2) из разных металлов. Один обычно хороший проводник электрического тока, второй – плохой. Один спай приводится в тепловой контакт с исследуемым телом, другой поддерживается при постоянной температуре, например, находится в сосуде с тающим льдом (3). Возникает ЭДС, пропорциональная разности температур спаев.

,

где  – коэффициент термо-ЭДС.

Термопару предварительно калибруют – снимают зависимость разности потенциалов от температуры, которую и используют при непосредственном измерении. Наиболее часто употребляемые термопары приведены в таблице 22.

Таблица 22

Термопары (химический состав проволоки)	Предельная Температура, °С	, мкВ/К
Медь-константан (100%Cu; 60%Cu+40%Ni)	400	43
Хромель-копель (10%Cr + 90%Ni; 56%Cu + 44%Ni)	800	70
Хромель-алюмель (10%Cr + 90%Ni; 2%Al + 1%Cr + 2%Mn + 95%Ni)	1200	40

Следует отметить, что в широком интервале температур необходимо учитывать за­висимость от температуры, т. е. нелинейность. В качестве реперных (проверочных, опор­ных) точек берут, например, температуры плавления льда (0 °С) и кипения воды (100 °С) при нормальном атмосферном давлении, отвердевания цинка (419.5 °С), меди (1083 °С) и т. д.

Провода термопары должны быть по возможности тонкими, чтобы не было большого теплоотвода.

Для измерения выделяемого или поглощаемого телами количества теплоты служат калориметры. Это сосуды с теплоизолирующими стен­ками (адиабатическими оболочками), часто заполненные какой-либо калориметрической жидкостью. Если необходимо удерживать дав­ление в калориметре, например, для измерения количества теплоты, выделяющегося при взрыве, стенки делают прочными (калориметриче­ская бомба).