Термометрія поняття і принципи

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Лабораторна робота: Термометрія

Мета роботи: Поглибити уявлення про температуру, вивчити принципи і освоїти деякі методи вимірювання температури.
Обладнання: Рідинні термометри, термопара, термометр опору, термістор, оптичний пірометр «Промiнь», лампа розжарювання з блоком живлення, електроплита, потенціометр постійного струму ПП-63, акумулятор, міст реохордний Р - 33, блок живлення ВСШ на 4 і 6 В, індикатор опору ММВ, металевий стаканчик і інше приладдя.
1.Теоретические частина
1.1 Поняття температури.
Температура у звичайному розумінні характеризує ступінь нагретости тіла. Суворе визначення температури дається в молекулярно-кінетичної теорії, де під температурою розуміють міру середньої кінетичної енергії поступального руху молекул ідеального газу: <ε> = (3 \ 2) kT, де k = 1.38 · 10 -23 Дж / ​​К - постійна Больцмана, m - маса молекули, V - швидкість її поступального руху.
З останнього визначення ясно, що звичайна виміряна температура відноситься до величезного числа молекул і дає визначення про їх середньої кінетичної енергії. Поняття температури застосовно таким чином тільки до масиву молекули тому температура є макроскопічними параметром стану речовини.
1.2 Принципи термометрії.
1.2.1. Термометричні параметри.
Вимірювання температури зазвичай проводиться непрямим шляхом, тобто не зводиться до вимірювання кінетичної енергії молекул. Воно грунтується на вимірюванні деяких фізичних параметрів, що залежать від температури. До параметрів пред'являються наступні вимоги: обраний параметр повинен істотно, безперервно, однозначно і просто змінюватися простими засобами; ізмерен6ія величини параме5тра не повинно вносити значних змін в температурний режим вимірюваного середовища.
Список найбільш уживаних термометричних параметрів має такий вигляд:
- Об'єм тіла (теплове розширення, , Рідинні і газові температури);
- Електричний опір (R = R 0 (1 + SYMBOL 97 \ f "Symbol" \ s 14  t), провідники-терморезистори і напівпровідники-термістори);
- Термо ЕРС (термопари або термоелементи, Т ерс = сt);
- Лінійні розміри (лінійне розширення L = L 0 (1 + SYMBOL 97 \ f "Symbol" \ s 14  t), біметалічні пластини);
- Спектр випромінювання (енергетична світність R е = SYMBOL 115 \ f "Symbol" \ s 14  T 4, спектральний склад SYMBOL 108 \ f "Symbol" \ s 14  min = b / T, радіаційний, яскравості і колірної пірометри);
Застосовуються також залежність від температури швидкості поширення звуку, показника заломлення світла речовиною і багато інших параметрів.
До зовнішніх принципам методики термометрії відноситься суворе дотримання наступного умови - термометричні тіло і середовище повинні увійти в стан теплової рівноваги. Тому дуже важливо, щоб теплова «інерційність» вимірювального приладу була незначною, тоді він швидше прийме температуру вимірюваного середовища, а власна теплоємність - мінімальною, при цьому він не внесе спотворень у стан середовища.
В окремих випадках, при точних і локальних вимірах геометричні розміри робочої частини термометра повинні бути точковими.
1.2.2 Температурні шкали.
В даний час застосовуються кілька температурних шкал, що відрізняються вибором опорних (реперних) точок. У школі Цельсія інтервал між точкою плавлення льоду і точкою кипіння води при нормальному тиску ділиться на сто рівних часток - градусів Цельсія (0 С). У шкалі Фаренгейта за нуль приймається температура суміші льоду і солі (-32 0 С), а точка кипіння води приймається за 212 градусів.
Третя шкала - це найбільш вживана у науковій літературі абсолютна шкала температур. Фізичний сенс нульової температури в цій школі - повна відсутність молекулярного руху.
Зв'язок між температурними шкалами має вигляд:
Т з = (5 / 9) SYMBOL 215 \ f "Symbol" \ s 14 Ч (T F -32); T F = 32 + (9 / 5) SYMBOL 215 \ f "Symbol" \ s 14 Ч T c; T c = t = T k -273
1.3 Види термометрів.
1.3.1 Газові термометри.
Найбільш суворо вимогу лінійної та істотній залежності від температури відповідають параметри ідеального газу - об'єм і тиск. Поведінка реального газу при невеликих тисках і досить високих температурах практично не відрізняється від поведінки ідеального газу. При цієї причини газові температури використовуються як еталонні, по них градуюють і перевіряють інші термометри.
Найпростіший газовий термометр може представляти собою запаяну з одного боку трубку, в якій деяка маса газу відокремлена від атмосфери крапелькою ртуті (рис.1). При нагріванні газ розширюється, а його тиск залишається рівним атмосферному. У відповідності з рівнянням Клайперона-Менделєєва обсяг і температура перебувають у стані: v = (mR / мр) SYMBOL 215 \ f "Symbol" \ s 14 Ч T. Для конкретного термометра вираз в дужках грає роль постійного коефіцієнта, що залежить від кількості газу і від атмосферного тиску.
Процедура вимірювання температури газових термометром зводиться до того, що його поміщають в досліджувану середу, потім, дочекавшись встановлення рівноваги, визначають обсяг v і за графіком T = f (v) знаходять Т. На практиці часто лінійка Л служить шкалою температур.
1.3.2. Рідинні термометри.
Якщо ємність газового термометра заповнити рідиною з досить великим коефіцієнтом теплового об'ємного розширення, то отриманий прилад стане рідинним термометром. В даний час такими рідинами є ртуть, або підфарбовані спирт, толуол, пентан і деякі інші речовини.
Для підвищення чутливості і точності вимірювань термометр складається з двох сполучених обсягів, один з яких містить основну масу рідини, а другий служить індикатором зміни обсягу (див. рис. 2), для чого йому надається форма циліндра капілярних розмірів.
Рідинні термометри запаяні з обох кінців, тому більш зручні в зверненні, що послужило причиною їх широкого розповсюдження.
До недоліком їх можна віднести нелінійність температурної залежності обсягів, що робить необхідним калібрувати їх з газових термометрів. Вони відрізняються також инерционностью (час входження в рівноважний стан з середовищем не менше 10 хвилин), великої власної теплоємністю до 10 Дж / К і розмірами робочої частини. Діапазон їх роботи обмежений з одного боку температурою кристалізації, а з іншого - температурою кипіння рідини.
1.3.3. Твердотільні термометри.
1.3.3.1. Біметалічні термометри - використовують розходження в коефіцієнтах теплового лінійного розширення різних металів. Скріплені разом, як показано на рис.3, пластинки при зміні температури згинаються або закручуються. Величина деформації залежить від температури, тому забезпечивши пластини механізмами та шкалами можна знімати прямі свідчення температури.
Переваги біметалічних термометрів - простота виготовлення, механічна міцність. Можливість вбудовування в системи автоматики і телемеханіки. Недоліки - низька чутливість, прояв «втоми» металів і звідси - необхідність частої перевірки і калібрування за еталонним термометрам.
1.3.3.2. Термопари - являють собою два різних провідника, з'єднаних зварюванням або паянням. Метали повинні мати якомога більшу різницю в роботі виходу електронів, тоді між ними встановлюється контактна різниця потенціалів, величина якої залежить від температури зони контакту. Для термопари використовують зазвичай добре вивчені пари металів, наприклад, мідь констант, хромель-алюмель, платина-родій та інші.


Для вимірювання температури термопарою її спай вводиться в досліджувану середу, різниця потенціалів її вільних кінців вимірюється яким або потенціометром або переводиться в градуси за допомогою градуювального графіка або переказного коефіцієнта SYMBOL 97 \ f "Symbol" \ s 14 , одержуваного з формули ЕРС = SYMBOL 97 \ f "Symbol" \ s 14  Т.
Для абсолютних вимірювань термопару калібрують з газового чи іншому еталонному термометру. Значно частіше доводиться вимірювати різницю температур, тоді застосовують диференціальну термопару. Вона являє собою дві однакові термопари, включені назустріч одна одній (рис. 4). Спаї поміщають в ті місця, різниця температур яких необхідно виміряти. Якщо спай однієї з них помістити в середовище з відомою і стабільною температурою, наприклад, в тане лід, то після відповідної градуювання диференціальної термопарою можна виробляти і абсолютні температурні вимірювання.
Переваги термопар - малі, практично, точкові розміри робочого тіла, мала інерційність і теплоємність, можливість дистанційних вимірювань, великий діапазон вимірюваних температур - від наднизьких до точки плавлення застосовуваних металів. Недолік - залежність термоЕРС від температури носить нелінійний характер, що впливає на точність вимірювань.
1.3.3.3. Термометри опору використовують властивість чистих металів сплавів і напівпровідників змінювати свій опір при зміні температури. Для металів це властивість описується виразом R = R 0 SYMBOL 215 \ f "Symbol" \ s 14ч (1 + SYMBOL 97 \ f "Symbol" \ s 14  t), де R 0 - опір при 0 С, SYMBOL 97 \ f "Symbol" \ s 14  - температурний коефіцієнт опору даного металу, t - температура за шкалою Цельсія. Для металів величина SYMBOL 97 \ f "Symbol" \ s 14  дорівнює 0.4-0.6% при зміні температури на один градус. Для напівпровідників залежність інша - зі зростанням температури опір зменшується, причому, більш істотно (в 8-10 разів), ніж у металів.
Термометри опору поступаються термопар за інерційності, власної теплоємності, розмірами. Нелінійність залежності R = f (t) у них більше, тому точність вимірювання нижче. До достоїнств можна віднести вимірювальну схему, де за рахунок використання зовнішнього джерела можна підвищити чутливість вимірів. Як правило вимір проводитися мостовим методом.
1.3.4. Оптична термометрія.
За наявності теплового руху молекул речовини тіло завжди є джерелом електромагнітного випромінювання. Інтенсивність цього випромінювання і його спектральний склад пов'язані з температурою. Для ідеалізованого абсолютного чорного тіла енергія, випромінювана з одиниці поверхні в одиницю часу визначається законом Стефана-Больцмана: R е = SYMBOL 115 \ f "Symbol" \ s 14  T 4, де, SYMBOL 115 \ f "Symbol" \ s 14  - постійна величина, Т - абсолютна температура. Засновані на цьому законі термометри носять назву радіаційних пірометрів (мал. 5).
Виміряти величину R технічно дуже важко, тому більш поширені яскравісні пірометри, в яких яскравість світіння досліджуваного тіла порівнюється з яскравістю тіла, температура якого відома. Схематично пристрій яркостного пірометра показує рис.6. Звичайно як тіла порівняння беруть вольфрамову нитка спеціальної електролампи, що живиться від стабільного джерела струму. Змінюючи струм цієї лампи можна вирівняти її яскравість за яскравістю досліджуваного тіла, в цьому стані температури тіл однакові. Температуру нитки лампи порівняння визначають по струму, при цьому шкалу міліамперметра градуюють безпосередньо в градусах.
Пірометр представляє собою зорову трубу, що дозволяє розглядати віддалені об'єкти. Нитка лампи порівняння встановлюється в фокальній площині окуляра. У цю ж площину обертанням об'єктива проектується зображення об'єктива. При правильному підборі оптичної частини нитка лампи порівняння спостерігається на тлі об'єкта.
Нитка лампи порівняння не можна нагрівати вище певної температури (1400 0 С), тому для розширення межі вимірюваних температур в оптичну схему пірометра включають світлофільтр, що послабляє яскравість досліджуваного тіла з точно відомою кратністю.
Розлючений пірометр показує дійсну температуру лише тоді, коли тіло і нитка однаково близькі за оптичними властивостями до абсолютно чорного тіла. Тому для отримання істинного значення температури в отриманий результат вводять поправку, яка залежить як від матеріалу випромінюючого тіла, так і від його температури. У даному випадку для цього використовують спеціальні таблиці (див. додаток.). Спочатку по таблиці 1 вибирають коефіцієнт випромінювальної здатності SYMBOL 97 \ f "Symbol" \ s 14 , що залежить від матеріалу випромінюючого тіла. Потім за таблицею 2 знаходять справжнє значення температури. При цьому використовують метод інтерполяції - усереднення. Нехай, наприклад, що випромінює матеріал - нікель, а показана пірометром температура 1 550 0 С. Тоді за таблицею 1 знаходимо SYMBOL 97 \ f "Symbol" \ s 14  = 0.36, а за допомогою табл. 2 обчислюємо справжню температуру як би «організовуючи» відсутні рядки і колонки у табл. 2. Виміряна температура лежить в інтервалі 1400-1600 0 С. З колонок 1400 і 1600 беремо значення для SYMBOL 97 \ f "Symbol" \ s 14  = 0.35 і 0.40 і обчислюємо скільки градусів припадає на 0.01 випромінювальної здатності. ((1550-1530) / (0.40-0.35)) SYMBOL 215 \ f "Symbol" \ s 14Ч0.01 = 4 0 С; ((1790-1760) / (0.40-0.35)) SYMBOL 215 \ f "Symbol" \ s 14Ч0.01 = 6 0 С

Будуємо додатковий фрагмент табл.2
1400
1600
0.35
1550
1790
0.36
1546
1784
0.37
1542
1778
і т.д.
За середньою рядку отриманої таблиці знаходимо справжню температуру

В окремих випадках застосовують так званий кольоровий пірометр, коли температуру визначають на підставі закону Вина, зв'язуючий температуру випромінюючого тіла з довжиною хвилі, на яку припадає максимум його випромінювач ної здібності. Кольоровий пірометр включає в себе спектральний прилад, який розкладає нагрітого тіла в спектр, і фотоелектронну приставку, виміряти розподіл інтенсивності в цьому спектрі. Оптичні пірометри мають невисоку точність, але дозволяють виробляти дистанційні вимірювання, що в багатьох процесах металургії, в хімії, фізики та астрономії дуже актуально.
2. Практична частина.
2.1.Температурние шкали
а) Яка температура людського тіла в шкалах Цельсія, Кельвіна і Фаренгейта?
б) Скільки градусів Цельсія в одному градусі Фаренгейта?
в) Переведіть 50 0 F в градуси Кельвіна.

2.2 Градуювання термометра опору.
Термометр опору виготовлений з тонкого мідного дроту, намотаною на паперовий каркас, поміщений в захисний скляний футляр (у пробірку). У холодному стані опор дроти близько до 80 Ом.
Опору термометра в даній роботі вимірюється за допомогою індикатора опору ММВ (рис. 7).
П равіла користування приладом.
- Джерелом живлення індикатора служить батарея 3336. Харчування індикатора також може здійснюватися від зовнішнього джерела з напругою 3.8-4.4В.
- Перед початком роботи встановити індикатор на горизонтальне положення.
- Перевірити відповідність нульового положення покажчика гальванометра і, при необхідності, встановити покажчик на нульову позначку шкали за допомогою коректора К.
- Підключити термометр опору до А і В.
- Поставити у відповідне положення перемикач діапазону Д, натиснути кнопку Кн. і обертати ручку переходу від тих пір, поки стрілка не ставати на нульову позначку. Величина вимірюваного опору дорівнює добутку відліку за шкалою реохорда і по рукоятці перемикача допустимі межі.
При вимірах на середній позначці «5» шкали реохорда основна похибка не перевищує 2%.
Для градуювання термометра опору зберіть установку, показану на рис.8. Рідинний термометр вставляєте в отвір у кришці пробірки. Пробірку, укріплену в лампі штатива, опустіть в алюмінієвий посудину з водою. Посудина встановлюється на електроплитку.
Увімкніть електроплитку в мережу. Електроплитка може бути включена через ЛАТР (лабораторний автотрансформатор), за допомогою якого можна подавати напруги і регулювати швидкість нагрівання води. У міру нагрівання через кожні 10 0 вимірюєте і записуєте опір термометра опору (таб. 1 звіту).
За отриманими даними побудуйте градуювальний графік термометра опору, відкладаючи по горизонтальній осі температуру, а по вертикальній - величину опору. Якщо експериментальні точки мають деякий розкид, слід «не очі» провести пряму. Такий градуювальний графік дозволяє вимірювати температуру середовища, в яку може бути поміщений термометр опору.
За градуювальним графіком визначте температурний коефіцієнт опору міді: (Град -1).
Значення t 1 і t 2 і відповідні їм значення опорів R 1 і R 2 вибираються за графіком довільно.

2.2 Градуювання термістора.
Термістор - це напівпровідниковий прилад, опір якого залежить від температури. У роботі використовується термістор марки ММТ - 4. У холодному стані його опір приблизно дорівнює 1кОм. Градуювання виконується на установці, описаної в завданні 1.
За отриманими експериментальних точок (таб. 2 звіту) побудуйте градуювальну криву. Слід враховувати, що залежність опору термістора від температури має нелінійний характер і з'єднувати точки слід не прямою лінією, а плавною кривою.
2.3. Градуювання термометри.
У роботі використовується хромель-алюмелеві диференціальна термопара. Для виконання градуювання зберіть установку, показану на ріс.8б. Зазвичай «холодний» спай термопари занурюється в тане лід і виконана в цьому випадку градуювання є «стандартної», тобто отриманої в суворо визначених умовах. Вона дозволяє визначати температуру в градусах Цельсія, починаючи з 0 0. У нашій роботі «холодний» спай занурений у воду кімнатної температури і, строго кажучи, отримана градуювання справедлива тільки при даній кімнатній температурі.
«Гарячий» спай «скріпіть» за допомогою прищіпки з рідинним термометром і занурте в посудину з водою, встановлений на електроплитці. Електроплитка може бути підключена через ЛАТР (лабораторний автотрансформатор), на якому встановлюється напруга 150-180В для більш повільного нагрівання.
Для вимірювання термо ЕРС в даній роботі використовується потенціометр постійного струму ПП-63. При вимірах слід виконувати:
- Перед початком роботи встановіть коректором стрілку з гальванометром на «0». Прилад встановіть в горизонтальне положення.
- Дотримуючись полярність підключіть-акумулятор, до клем «БП» (батарея живлення) потенціометра. (У переносному варіанті можуть використовуватися вбудовані елементи струму). Тумблер «БП» переведіть в положення «Н» - зовнішній.
- Тумблер «НЕ» - нормальний елемент, переведіть в положення «В» - внутрішній. Клеми «БІ» і тумблер під ними в даному випадку не задіяні
- Тумблер «Харчування 1,2-1.65 В» переведіть в положення «ВКЛ».
- Підключіть термопара до клем «Х». Перемикачем введіть вимірювальне опір 0,6 Ом. Воно приблизно дорівнює опору хромель-алюмелеві термопари.
- Перемикач роду робіт поставте в положення «Потенца»-потенціометричні виміри.
- Штекер дільника поставте в положення 0,5. При цьому відрахувати по приладу напругу необхідно множити на 0,5.
- Провести установку робочого струму потенціометра, для чого: а) встановити перемикач «К-І» у положення «К»-контроль, б) встановити стрілку гальванометра на «0» обертанням рукояток «Грубо» (верхня) і «Точно» (нижня ) реостата «Робочий струм», спочатку прінажатой кнопці «Грубо», а потім «Точно». (Кнопки можна зафіксувати в натиснутому положенні, повернувши їх у ту або іншу сторони). \
- Для вимірювання термо ЕРС перемикач «К-І» переведіть в положення «І» - вимір. Поки температури спаїв термопари однакові і на обох шкалах потенціометра встановлені нулі, при натисканні кнопок «Грубо» і «Точно» стрілка гальванометра не відхиляється. При нагріванні одного з спаїв термопари з'являється термо ЕРС і стрілка гальванометра відхиляється при кнопці «Точно».
- Обертанням рукоятки «0-2 мВ» і перемиканням ручки «0-48 мВ» необхідно повернути стрілку гальванометра на нуль. Після цього проводиться відлік показання, - підсумовуються свідчення обох шкал.
Записавши початкову температуру і збалансувавши потенціометр, дозволите електроплитку. Під час вимірювання проведіть вимірювання термо ЕРС при різних температурах (7-9 точок у межах до точки кипіння води).
За отриманими даними побудуйте градуювальний графік для термопари. Пряму можна провести на-віч.
Додаткове завдання: отримайте і побудуйте градуювальну криву за результатами вимірювань при охолодженні термопари від точки кипіння води до 40 - 30 0 С. Поясніть розходження з першим графіком.
За графіком визначте питому термо ЕРС хромель-алюмелеві термопари SYMBOL 97 \ f "Symbol" \ s 14  = SYMBOL 68 \ f "Symbol" \ s 14  Е / SYMBOL 68 \ f "Symbol" \ s 14  t (мВ / град), використовуючи будь-які дві точки градуювального графіка.
Використовую градуювальний графік, виміряйте температуру вашого тіла, затиснувши спай термопари пальцями.
2.4. Визначення температури оптичним пірометром.
Досліджуване тіло - вольфрамова нитка лампи розжарювання КГМ. Лампа харчується від блоку живлення при зниженій напрузі.
- Увімкніть харчування лампи КГМ. І встановити середній режим її роботи.
- Увімкніть харчування пірометра («спуск» пістолета) і обертанням барабана реостата встановіть невелике світіння нитки пірометричний лампи. Обертанням кільця окуляра добийтеся різкого зображення нитки пірометра.
- Наведіть пірометр на досліджуваний джерело так, щоб поєдналися нитка розжарення лампи КГМ і пірометричний лампи. Обертанням об'єктива добийтеся різкого зображення нитки досліджуваної лампи.
- Введіть червоний світлофільтр.
- Обертанням барабана реостата вирівняйте яскравості ниток напруження - нитка пірометра при цьому повинна зникнути на тлі розжареної нитки лампи КГМ.
- Зніміть показання з шкали пірометра.
- Якщо досліджуваний тіло розпечене занадто сильно і вирівняти яскравості не вдається, введіть у світловий потік ослабітель. У цьому випадку знімати свідчення потрібно за іншою шкалою.
- За допомогою таблиць (див. додаток), використовуючи метод інтерполяції визначте справжню температуру нитки напруження лампи КГМ.

ДОДАТКИ
Спектральна (монохроматична) випромінювальна здатність деяких металів в червоних променях з довжиною хвилі SYMBOL 108 \ f "Symbol" \ s 14  = 0,65 мкм. (Таблиця 1)
Таблиця 1
Матеріал
Спектральна излучательная здатність матеріалів, SYMBOL 97 \ f "Symbol" \ s 14 
Вольфрам
0,43
Залізо
0,35
Нікель
0,36
Залежність дійсної температури від яркостной температури, виміряної оптичним пірометром, при різних значеннях коефіцієнтів випромінювальної здатності SYMBOL 97 \ f "Symbol" \ s 14  для SYMBOL 108 \ f "Symbol" \ s 14  = 0,65 мкм. (Таблиця 2)
Таблиця 2
Коефіцієнт випромінювальної здатності SYMBOL 97 \ f "Symbol" \ s 14 
Виміряні яскраві температури, 0 С
1200
1300
1400
1600
1800
2000
0,25
1350
1480
1600
1850
2120
2380
0,30
1330
1450
1570
1820
2070
2330
0,35
1310
1430
1550
1790
2030
2280
0,40
1300
1410
1530
1760
2000
2240
0,45
1280
1400
1510
1740
1970
2210

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Лабораторна робота
66.6кб. | скачати


Схожі роботи:
Поняття та принципи громадянства
Поняття та принципи громадянства 2
Поняття та принципи громадянства РФ
Основи права 2 Поняття принципи
Податковий контроль 2 Поняття принципи
Поняття і принципи корпоративної культури
Поняття та принципи громадянського суспільства
Поняття і принципи державного устрою РФ
Основні принципи і поняття гідробіології
© Усі права захищені
написати до нас