5.2. Газовые тензиметрические термометры

Газовый тензиметрический термометр (тензиметрия - от лат. tendere - напрягать + греч. metreo - мерю) представляет собой сосуд l (рис. 93) с постоянной массой газа, термические свойства которого хорошо известны.

Состояние газа при нагревании изменяется в соответствии с уравнениями Менделеева - Клапейрона для идеального газа

pV = nRT

или реального газа

pV=nRT(l + lnB(T)/V\)

если учитывать только второй вириальный коэффициент В(Т), зависящий от температуры.

Из уравнений следует, что при заданной температуре газ под определенным давлением занимает вполне определенный объем. Изменение температуры влечет за собой изменение давления или объема. По этим изменениям и опре­деляют температуру. В лабораторной практике обычно используют газовые термометры постоянного объема и постоянного давления.

Газовые термометры постоянного объема. Действие его осно­вано на соотношении

Т= Т_о(р/_ро) при V= const.

Давление, под которым газ в резервуаре / (рис. 93, а, б) на­ходится в состояниях с T^о и T, измеряют ртутным манометром 2, причем ртутный столб одновременно используют и для поддержания постоянного объема.

Рис. 93. Газовые термометры постоянного объема (а, б) и постоянного давления

Значения Т исследуемой среды 5 измеряют по высоте подъема столбика ртути в манометре, про­калиброванного в градусах Цельсия или Кельвина, от исходного давления р₀ (рис. 93, б).

На рис. 93, а приведена схема укороченного газового термо­метра, рекомендуемого для измерения низких температур в ин­тервалах, указанных в табл. 7. Нижний конец манометрической трубки 2 заканчивается капилляром 4 длиной 10-15 мм и диа­метром 0,5 мм, а длина всей манометрической трубки 2 состав­ляет 200 мм. Термометру можно придавать любое положение, не опасаясь проникновения газа в манометр. Газовый резервуар - кварцевая трубка 1 небольшого диаметра. Сверху она закрыта приваренной пористой стеклянной пластинкой 6, непроницае­мой для ртути. В связи с тем, что объем резервуара 1 мал по сравнению с объемом камеры с ртутью, изменением объема пренебрегают и считают его постоянным. Резервуар 1 термомет­ра заполняют в зависимости от интервала измеряемых темпера­тур одним из газов, указанных в табл. 7. Для наполнения газо­вых термометров применяют прежде всего те вещества, которые легко получить в чистом состоянии.

В газовом термометре, показанном на рис. 93, б, перед заме­ром температуры по шкале манометра 2 его трубку поднимают на такую высоту, чтобы выпуклый мениск столбика ртути в левом колене коснулся острого конца указателя 3 - изогнутее стеклянного конуса, вплавленного в трубку манометра. Этот указатель фиксирует постоянство объема. Кварцевый резервуар 1 соединение ртутным манометром 2 капилляром 4.

Таблица 7. Вещества, применяемые для заполнения газовых термометров

Вещество	Состав	Температура кипения, *С	Область измерения, *С
н-Бутан	CH3(CH2)2CH3	-0,5	(-35)-(-73)
Пропан	СН3(СН2)СН3	-42,1	(-71)-(-100)
Этан	СгН6	-88,6	(-112)-(-140)
Этилен	C2H4	-103,7	(-122)-(-150)
Монооксид азота	NO	-151,6	(-159)-(-175)
Метан	СН4	-161,6	(-175)-(-188)
Кислород	O2	-192,98	(-193)-(-205)
Азот	N2	-W5.8	(-205)-(-215)

Газовые термометры постоянного давления (рис. 93, в) при начальной температуре Т_о имеют объем газа V_q. Если резервуар 1 термометра довести до измеряемой температуры T(Т > Т_о) при постоянном давлении р₀, то объем газа увеличится до V. Расши­рение газа приведет к вытеснению части ртути из бюретки 2 через открытый кран в стаканчик 3. После прекращения повы­шения температуры в резервуаре 1 объемом V_o будет находиться n₀ моль газа, а в бюретке объемом V_б будет n_T моль газа:

n_о = p_oV_o/RT; n_T =р₀ V₆/RT₀, (5.3)

так как полное количество вещества газа B(/n_B) осталось посто­янным,

n_B ⁼ n_o + n_T

Если газ в бюретке 2 имеет исходную температуру Т_о - темпера­туру бюретки, то следовательно

р₀ Vo/RT + po V₆/RT₀ = р₀ Vo/RTo. (5.4)

Отсюда измеряемая температура T равна

T=T₀Vo/(Vo-V₆). (5.5)

Отметки 0-0 означают начальное положение мениска ртути перед измерением температуры.

Объем газа в бюретке определяют либо взвешиванием ста­канчика 3, в который была вытеснена часть ртути при постоян­ном давлении р₀, либо по делениям откалиброванной бюретки

Точность определения температуры газовым термометром за­висит прежде всего от правильной оценки поправки на вредный oбъем (объем капиллярной трубки 4, изменение объема резервуара 1 из-за расширения или сжатия материала его стенок, диф­фузия газа через стенки резервуара, его адсорбция на этих стенах и стенках капиллярной трубки). Другой поправкой является поправка на отклонение газа от идеального состояния.

В обычных условиях 1 °С отвечает изменению давления в 4 торр (533,3 Па). Следовательно, увеличение температуры на 0,01 °С можно заметить, если газовый термометр позволяет обнаружить увеличение давления на 0,04 торр (5,33 Па).