43. Измерение температуры Понятие о температуре и температурных шкалах

Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюда температурой называют условную статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела.

Человек непосредственно может оценить степень нагретости тела весьма приближенно: холодный, теплый, горячий, раскаленный (при высоких температурах по цвету свечения нагретого вещества). Поэтому приходиться прибегать к косвенным методам – к измерению таких физических свойств веществ, которые однозначно связаны с их температурой и которые можно легко измерить. Существуют десятки различных устройств измерения температуры, применяемых в промышленности, в научных исследованиях, для специальных целей

Устройства для измерения температуры

Термометрическое свойство	Наименование устройства	Пределы длительного применения, 0С
		Нижний	Верхний
Объемное расширение	Жидкостные стеклянные термометры	–190	600
Изменение давления в замкнутом объеме	Манометрические термометры	–60	550
Изменение электрического сопротивления	Электрические термометры сопротивления	–200	500
Возникновение термо-электродвижущей силы (ТЭДС)	Термоэлектрические пирометры (термопары)	–270	2500
Тепловое излучение	Оптические пирометры	700	6000
	Радиационные пирометры	20	3000
	Фотоэлектрические пирометры	600	4000
	Цветовые пирометры	1400	2800

Все температурные шкалы строились (за редким исключением) одинаковым путем: двум (по меньшей мере) постоянным реперным точкам (температуры фазовых превращений чистых веществ, легко воспроизводимые и постоянные при атмосферном давлении) присваивались определенные числовые значения и предполагалось, что видимое термометрическое свойство используемого в термометре вещества линейно связано с температурой. Известны температурные шкалы Фаренгейта (1715 г.), Реомюра (1730 г.), Цельсия (1742 г.), Кельвина (1848 г.). В шкале Цельсия реперные точки таяния льда и кипения воды приняты, соответственно, 0 и 100 ^оС, в шкале Реомюра эти точки имеют значения 0 и 80 ^оР, в шкале Фаренгейта (^оF) точка таяния льда имеет числовое значение 32^о, а точка кипения воды 212^о, расстояние между которыми было разбито на 180 равных частей. Для перевода показаний этой шкалы в ^оС и обратно служат соотношения: t ^оC = 5/9(t ^оF–32); t ^оF = 9/5(t ^оC+32). В. Томпсон (лорд Кельвин) указал на принципиальную возможность определения температуры независимо от свойств термометрического вещества, основанную на использовании второго закона термодинамики (цикл Карно). В шкале Кельвина (^оК) за нуль принята температура прекращения теплового движения молекул, а значение температуры таяния льда в абсолютной термодинамической шкале составляет 273.15^оК. Величина градуса Кельвина в точности равна величине одного градуса стоградусной шкалы Цельсия, поэтому T = t+273.15 ^оК. В начале XX века широко применялись шкалы Цельсия и Реомюра, а в научных работах – шкала Кельвина. Пересчеты с одной шкалы на другую создавали большие трудности и приводили к ряду недоразумений. Поэтому в 1968 году было принято решение о введении Международной практической температурной шкалы (МПТШ–68). МПТШ–68 основана на одиннадцати воспроизводимых температурах, которым приписаны численные значения, реперные точки. Некоторые из них имеют такие значения:

Тройная точка H2O	0.01оС
*Точка кипения H2O	100 оС
*Точка затвердевания Zn	419.58 оС
*Точка затвердевания Ad	961.93 оС
*Точка затвердевания Au	1064.43 оС

*Р = 101325 Па

Дилатометрические термометры

Широкое распространение получили термометры объемного расширения – жидкостные стеклянные и манометрические. Термометры линейного расширения, – стержневые и биметаллические, как измерительные приборы не применяются, а используются как датчики в регуляторах температуры.

Самые старые устройства для измерения температуры – жидкостные стеклянные термометры – используют термометрическое свойство теплового расширения тел. Действие термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества и оболочки, в которой она находится (термометрического стекла или реже кварца). Преимущества: простота в обращении, легкость измерения, дешевизна. Недостатки: хрупкость, относительно большие размеры, тепловая инерция датчика, ограниченный диапазон измеряемых температур.

Технические термометры выпускаются с ценой деления от 0.5÷1.0 до 5÷10^оС (последняя для шкал +300…+500^оС), допустимая погрешность составляет от 1 до 10 ^оС в зависимости от верхнего предела. Не применяются в электрических и пламенных печах.

Действие манометрических термометров (рис. 4.7) основано на использовании зависимости давления вещества от температуры при постоянном объеме.

температуры, как бесшкальные устройства информации (датчики). Не применяются в электрических и пламенных печах.