Termometrie

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 19. prosince 2021; kontroly vyžadují 2 úpravy .

Termometrie je obor aplikované fyziky a metrologie , který se věnuje vývoji metod a prostředků pro měření teploty . Úkolem termometrie je: stanovení teplotních stupnic , tvorba standardů, vývoj metod pro kalibraci a kalibrace přístrojů pro měření teploty .

Historie

Teplotu nelze měřit přímo. V tomto ohledu ušla termometrie ve svém vývoji dlouhou a obtížnou cestu k dosažení jednoty měření teploty. Již od starověku je známa metoda kvalitativního hodnocení teploty pomocí hmatových vjemů. Odtud pojmy: horký, teplý, studený. Na základě smyslového vnímání přírodních jevů se objevily pojmy: zima zima, letní horko, večerní chládek, červené a bílé teplo, teplo (ve vztahu ke zvýšené tělesné teplotě při nemoci).

Ve středověku byl opakovaně popisován zážitek, kdy bylo navrženo držet jednu ruku v horké vodě a druhou ve studené vodě a poté ponořit obě ruce do smíšené vody. Výsledkem bylo, že první ruka cítila smíchanou vodu jako studenou a druhá jako teplou. Přes vysokou citlivost těla na změny tělesné teploty (až ) je kvantitativní měření teploty pomocí našich vjemů nemožné, a to ani ve velmi úzkém rozsahu. $0{,}1\,\mathrm {K}$

Potřeba měření teploty pro kognitivní a aplikační účely vznikla v polovině 16. století. Pro taková měření bylo nutné využít funkční závislost některého parametru známého z pozorování na teplotě. Schopnost vzduchu expandovat při zahřátí znala již v 1. století Volavka Alexandrijská . Tím vysvětlil, proč oheň stoupá. V roce 1597 navrhl Galileo termoskop pro výzkum teploty, který sestával ze vzduchem naplněného skleněného kanystru spojeného tenkou trubicí s nádobou naplněnou barevnou kapalinou. Změna teploty plechovky způsobila změnu hladiny barevné kapaliny. Významnou nevýhodou takových teploměrů byla závislost jejich měření na atmosférickém tlaku. Konstrukce teploměru, podobně jako moderní teploměry z tekutého skla, je spojena se jménem Galileiho žáka, vévody toskánského Ferdinanda II. Teploměrem byla uzavřená skleněná nádoba naplněná alkoholem s vertikálně umístěnou směřující kapilárou. Dělení stupňů bylo aplikováno kapičkami skloviny přímo na kapiláru.

Metrologický základ termometrie položil padovský lékař Santorio . Pomocí Galileova termoskopu zavedl dva absolutní body, které odpovídaly teplotě při sněžení a teplotě v nejteplejším dni, a reguloval ověřovací systém, kterým byly všechny florentské teploměry kalibrovány podle vzorového sancorsko-galilejského přístroje. Na počátku 18. století byla předložena řada návrhů týkajících se vazby teploměrné stupnice na několik snadno a spolehlivě reprodukovatelných bodů, které se později staly známými jako „referenční body“.

Významnou roli ve vývoji měření teploty má Fahrenheit . Jako první použil rtuť jako termometrické těleso a vytvořil reprodukovatelnou teplotní stupnici. Ve Fahrenheitově stupnici byla teplota směsi sněhu s čpavkem brána jako nulová a druhý bod odpovídal tělesné teplotě zdravého člověka. Teplota tání ledu ve finální verzi stupnice je 32 stupňů, teplota lidského těla 96 stupňů a bod varu vody, což byla původně odvozená hodnota, je 212 stupňů. Fahrenheitovi, který byl rovněž úspěšným podnikatelem, se poprvé podařilo zavést hromadnou výrobu jednotných teploměrů. Fahrenheitova stupnice se v USA stále používá pro technická měření teploty a teploty v domácnostech.

V roce 1742 navrhl švédský matematik a zeměměřič Celsius rozdělit rozsah mezi body tání ledu a bodem varu vody na 100 stejných dílů ve rtuťovém teploměru. V první verzi stupnice byl bod varu vody brán jako 0 stupňů a bod tání ledu byl brán jako 100 stupňů. V roce 1750 byla tato stupnice „ převedena “ jedním z Celsiových studentů, Strömmerem. Až do počátku 20. století byla běžná také Reaumurova stupnice , navržená v roce 1730 francouzským zoologem a fyzikem Reaumurem . Réaumur použil jako termometrické těleso 80% roztok ethylalkoholu. Jeden stupeň Réaumurovy stupnice, stejně jako u florentského teploměru, odpovídal změně objemu kapaliny o jednu tisícinu. Jako výchozí bod byl vzat bod tání ledu a bod varu vody byl 80 stupňů.

V roce 1848 Thomson (Kelvin) navrhl absolutní termodynamickou stupnici, která na rozdíl od empirických stupnic nezávisí na vlastnostech termometrického tělesa. [1] Čtěte více: Termodynamická teplota .

Fyzikální základy měření teploty

Jak bylo uvedeno výše, teplotu nelze měřit přímo. Jeho změny se posuzují podle změn jiných vlastností těles, jako je objem, tlak, elektrický odpor, termo-EMF, intenzita záření atd., které jsou podle určitých vzorů spojeny s teplotou. Proto jsou metody měření teploty v podstatě metodami pro měření výše uvedených termometrických vlastností. Při vývoji konkrétní metody nebo zařízení je nutné zvolit teploměrné těleso, ve kterém se odpovídající vlastnost dobře reprodukuje a velmi výrazně se mění s teplotou. Termometrická vlastnost tělesa je vlastnost, jejíž závislost na teplotě je monotónní a nemá znatelnou hysterezi, což umožňuje její využití k měření teploty.

Pro měření teploty je také nutné mít měrnou jednotku a stupnici, pomocí které se její hodnoty měří od zvolené úrovně. Princip konstrukce empirické teplotní stupnice spočívá ve výběru dvou hlavních snadno reprodukovatelných referenčních bodů, kterým jsou přiřazeny libovolné hodnoty teploty a . Teplotní rozsah mezi těmito hodnotami je rozdělen na stejný počet částí a část je brána jako jednotka teploty. Dále je zvolena fyzikální vlastnost - termometrická veličina , například objem kapaliny, tlak plynu, elektrický odpor, termo-EMF atd., o které se běžně předpokládá, že je lineárně závislá na teplotě. Z toho plyne rovnice $t_{1}$ $t_{2}$ $N$ $1/N$ $E$

dt=kdE,

kde je koeficient proporcionality. V integrální podobě ─ $k$

t=kE+C.

Pro určení konstant a použijeme výše uvedené teploty a . Po transformaci získá integrální rovnice tvar $k$ $C$ $t_{1}$ $t_{2}$

t=t_{1}+{\frac {t_{2}-t_{1}}{E_{2}-E_{1}}}(E-E_{1}).

Poslední výraz se nazývá rovnice měřítka . S jeho pomocí se z naměřených hodnot zjišťují hodnoty teploty . [2] . $E$ $t$

Až do roku 1954 byla teplotní stupnice založena na dvou referenčních bodech: normální bod tání ledu a normální bod varu vody . Experimentální studie ukázaly, že trojný bod vody má lepší reprodukovatelnost než body tání ledu a body varu vody. V tomto ohledu byla přijata mezinárodní dohoda o sestavení teplotní stupnice založené na jednom referenčním bodu ─ trojímu bodu vody. V tzv. absolutní termodynamické teplotní stupnici (Kelvinova stupnice) se podle definice předpokládá, že teplota tohoto bodu je přesně . Číselná hodnota teploty trojného bodu se volí tak, aby interval mezi normálními teplotami tání ledu a bodem varu vody byl při použití ideálního plynového teploměru co nejpřesnější . [3] $t_1$ $t_2$ $273{,}16\,\mathrm {K}$ $100\,\mathrm {K}$

Experimenty ukazují, že v přírodě neexistují žádné látky, jejichž fyzikální vlastnosti závisí striktně lineárně na teplotě. Samotný koeficient je funkcí teploty. Teplotní stupnice postavené na různých teplotních vlastnostech, které se shodují v hlavních bodech , dávají rozdíly v hodnotách teplot jak ve specifikovaném teplotním rozsahu, tak mimo něj. K nevýhodám empirických teplotních stupnic patří kromě výše zmíněného nesouladu také neexistence jejich spojitosti, spojená s nemožností termometrických těles pracovat v celém rozsahu možných teplot. $k$ $t_{1}$ $t_{2}$

Teploměry

Teploměr (z řeckého thérme ─ teplo a metréo ─ měřím) je přístroj na měření teploty.

V závislosti na technice měření se teploměry dělí do dvou hlavních skupin:

1. Kontaktní teploměry, jejichž citlivé prvky (snímače) přicházejí do přímého kontaktu s měřeným objektem;

2. bezkontaktní teploměry, které na dálku měří intenzitu integrovaného tepelného nebo optického záření předmětu;

3. Zvláštní skupinu tvoří speciální teploměry, které se používají k měření ultranízkých teplot.

Kontaktní zařízení a metody podle principu činnosti se dělí na:

a) objemové kontaktní teploměry, které měří změnu objemu (objemu) kapaliny nebo plynu se změnou teploty;

b) Dimetrické teploměry, ve kterých se teplota posuzuje lineární roztažností různých pevných látek se změnou teploty. V některých případech je snímačem bimetalová deska ze dvou kovů s různými koeficienty lineární roztažnosti, která se při zahřívání nebo ochlazování ohýbá;

c) Termoelektrické teploměry, jejichž snímači jsou termočlánky, což jsou dva různé vodiče připájené na koncích. V přítomnosti teplotního rozdílu mezi přechody v termočlánku vzniká termoemf. Teplota je měřena hodnotou termo-emf, nebo hodnotou proudu v obvodu termočlánku;

d) Odporové teploměry ─, jejichž princip činnosti je založen na změně odporu vodiče nebo polovodičového zařízení (termistru) se změnou teploty.

Mezi bezkontaktní metody a zařízení patří:

a) Radiometrie (radiometry) ─ měření teploty vlastním tepelným zářením těla. Pro nízké a pokojové teploty je toto záření v infračerveném rozsahu vlnových délek.

b) Termovize (termokamery) ─ radiometrické měření teploty s prostorovým rozlišením a s transformací teplotního pole na televizní obraz, někdy s barevným kontrastem. Umožňuje měřit teplotní gradienty, teplotu média ve stísněných prostorách, například teplotu kapalin v nádržích a potrubí.

c) Pyrometrie (pyrometry) ─ měření vysokých teplot samostatně svítících objektů: plamen, plazma, astrofyzikální objekty. Využívá se principu porovnávání buď jasu předmětu s jasovým standardem (jasový pyrometr a jasová teplota); nebo barva předmětu s barvou standardu (barevný pyrometr a barevná teplota); nebo tepelná energie emitovaná předmětem s energií emitovanou standardním emitorem (radiační pyrometr a teplota záření).

Základní rovnice, na kterých je založena termometrie

1. Clapeyronova rovnice stavu plynu . Tato rovnice se používá ke konstrukci stupnice ideální teploty plynu.

pV={\frac {m}{M}}RT.

2. Základem objemové metody měření teplot je rovnice tepelné roztažnosti objemu kapalin a plynů, lineárně závislá na teplotě.

V_{t}=V_{0}(1+\alpha _{0}t).

3. Základem dilatometrické metody měření teploty jsou rovnice teplotní lineární roztažnosti pevných látek s teplotou.

L_{t}=L_{0}(1+\beta t).

4. Odporové teploměry vycházejí z rovnice lineární závislosti odporu vodičů na teplotě.

R_{t}=R_{0}(1+\gamma t).

5. Stefan-Boltzmannův zákon , který spojuje celkovou energii tepelného záření a teploty s funkční závislostí, je základem bezkontaktních metod měření teploty.

F=\sigma T^{4},

kde je integrální emisivita absolutně černého tělesa, je Stefan-Boltzmannova konstanta. $F$ $\sigma$

Magnetická termometrie

K měření teplot pod 1 K se využívá skutečnosti, že magnetická susceptibilita paramagnetu závisí na teplotě ( Curieův zákon ). Naměřená hodnota magnetické susceptibility slouží k nalezení magnetické teploty [4] [5] [6] , která se liší od termodynamické teploty o hodnotu závislou na míře odchylky od Curieho zákona.

GOST 8.157-75 "Praktické teplotní stupnice" stanoví stupnici pro teploty od 0,01 do 0,8 K, založenou na teplotní závislosti magnetické susceptibility teploměru ceru-dusičnanu hořečnatého [ 7] [8] .

Poznámky

↑ Rizak, 2006 , str. 166-172.
↑ Rizak, 2006 , str. 181.
↑ Sivukhin, 2005 , str. 20;21.
↑ Magnetická termometrie . TSB (3. vydání), 1974, díl 15 . Získáno 26. února 2015. Archivováno z originálu 27. února 2015. (Ruština)
↑ Fyzika. Velký encyklopedický slovník, 1998 , str. 368.
↑ Tribus M., Termostatika a termodynamika, 1970 , str. 443-445.
↑ Evdokimov I. N. Metody a prostředky výzkumu. Část 1. Teplota, s. 31 . Ros. Stát un-t ropy a zemního plynu je. I. M. Gubkin. Datum přístupu: 26. února 2015. Archivováno z originálu 5. března 2016. (Ruština)
↑ Ivanova G.M. et al., Termotechnická měření a zařízení, 1984 , str. osmnáct.

Literatura

Bazarov I.P. Termodynamika. - M . : Vyšší škola, 1991. - 376 s. - ISBN 5-06-000626-3 .
Belokon NI Základní principy termodynamiky. - M. : Nedra, 1968. - 112 s.
Rizák V., Rizák I., Rudavský E. Kryogenní fyzika a technologie. - K . : Naukova Dumka, 2006. - 512 s. - ISBN ISBN 966-87641-4-5 .
Sivukhin DV Obecný kurz fyziky. T. II. Termodynamika a molekulární fyzika. - M. : Fizmatlit, 2005. - 544 s. - ISBN 5-9221-0601-5 .
Kozlov M. G. Metrologie a normalizace. Učebnice. - M., Petrohrad: Petersburg Institute of Press, 2001. - 372 s.
Ivanova G. M., Kuznetsov N. D., Chistyakov V. S. Termotechnická měření a zařízení. — M .: Energoatomizdat, 1984. — 232 s.
Tribus M. Termostatika a termodynamika / Per. z angličtiny. - M. : Energy, 1970. - 504 s.
Fyzika. Velký encyklopedický slovník / Ch. vyd. A. M. Prochorov . — M .: Velká ruská encyklopedie , 1998. — 944 s. — ISBN 5-85270-306-0 .
Aslanyan A. M., Aslanyan I. Yu., Maslennikova Yu. S., Minakhmetova R. N., Soroka S. V., Nikitin R. S., Kantyukov R. R. záznam hluku a pulzní neutron-neutron záznam // Území "NEFTEGAS". 2016. č. 6. S. 52-59.