CC BY
12
УДК 536.5
ПРИМЕНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ В УСТРОЙСТВАХ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ
А. А. Кузнецова Научный руководитель - Е. А. Жирнова
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: koozer123620@gmail.com
Исследуется применение законов термодинамики в измерительной технике, принцип действия манометрических и термоэлектрических термометров, а также терморезисторов.
Ключевые слова: термодинамика, измерение температуры, термометр.
APPLICATION OF PHYSICAL LAWS IN DEVICES WHEN MEASURING TEMPERATURE
A. A. Kuznetsova Scientific Supervisor - E. A. Zhirnova
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: koozer123620@gmail.com
The application of the laws of thermodynamics in measuring technology, the operating principle of manometric and thermoelectric thermometers, as well as thermistors is investigated.
Keywords: thermodynamics, temperature measurement, thermometer.
Существование равновесного состояния называют первым исходным положением термодинамики. Вторым исходным положением термодинамики называют утверждение о том, что равновесное состояние характеризуется некоторой величиной, которая при тепловом контакте двух равновесных систем становится для них одинаковой в результате обмена энергией [1]. Эта величина называется температурой. Свойства температуры изучает раздел физики - термодинамика. В статистической физике температура определяется по формуле
T = dE, (1)
dS w
где S - энтропия; E - энергия термодинамической системы. Введённая таким образом величина T является одинаковой для различных тел при термодинамическом равновесии. При контакте двух тел тело с большим значением T будет отдавать энергию другому.
Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления рабочего (термометрического) вещества в замкнутом объеме (термосистеме) от температуры [2].
Ввиду того, что жидкость практически не сжимаема, объем термобаллона в жидкостных манометрических термометрах должен быть согласован со свойствами используемой манометрической пружины.
Чувствительный элемент термометра (термобаллон) погружается в объект измерения, и жидкость в термобаллоне достигает температуры измеряемой среды. При изменении температуры рабочей жидкости изменяется давление, которое через капиллярную трубку передается на пружинный манометр, являющийся измерительным прибором подобного термометра. При изме-
Секция «Метрология, стандартизация и сертификация»
рении температуры в диапазоне от начальной до конечной из термобаллона вытесняется жидкость. Этот вытесненный объем, вследствие охлаждения от конечной температуры до температуры окружающего воздуха дойдет до значения объема, при котором давление в термосистеме изменится, и объем манометрической пружины изменится. Из этого следует, что чем больше диапазон измерения термометра, тем объем термобаллона меньше.
Термоэлектрические термометры в настоящее время широко используются, а измерение ими температуры основано на использовании открытого в 1821 г. Зеебеком термоэлектрического эффекта.
Термоэлектрический преобразователь представляет собой цепь, состоящую из двух или нескольких соединенных между собой разнородных проводников. Термоэлектрическая цепь, состоящая из двух проводников (термоэлектродов). Места соединения термоэлектродов называют спаями. Зеебеком было установлено, что если температуры спаев £ и £о не равны, то в замкнутой цепи будет протекать электрический ток.
При размыкании такой цепи на ее концах может быть измерена термоэлектродвижущая сила, которая измеряется вольтметром, шкала которого отградуирована в единицах температуры [3].
Термопреобразователи сопротивления (терморезисторы) используют свойство металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Изменение сопротивления материала с изменением температуры от 0 до 100 °С характеризуется коэффициентом а = (Ю00 - Я0) / Я0. Металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления, полупроводники - отрицательный.
Опытным путем было установлено, что для большинства случаев изменение удельного сопротивления (а значит и сопротивления) описывается линейным законом:
Р1 = Р011 + а£),
Я = Я (1 + «£),
где р0, р( - удельные сопротивления вещества проводника соответственно при 0 °С и £ °С; Я0, Я -сопротивления проводника при 0 °С и £ °С, а - температурный коэффициент сопротивления: измеряемый в СИ в Кельвинах в минус первой степени (К-1).
Для металлических проводников эти формулы применимы начиная с температуры 140 К и выше. Для не слишком больших интервалов температуры (и не слишком низких температур) удельное сопротивление и других металлов удовлетворительно описывается линейной зависимостью Р(£) = р0(1 + а£). Естественно, так же зависит от температуры и сопротивление любого однородного металлического проводника (резистора), если он весь имеет эту температуру: Яц) = Я0(1 + а£). Для большинства чистых металлов температурный коэффициент сопротивления близок к величине, равной 1 / 273 ~ 3,67 • 10-3 (оС) -1. Изменение сопротивления проводника от температуры, приходящееся на каждый ом сопротивления данного проводника при изменении температуры его на 1 °С, называют температурным коэффициентом. Таким образом, температурный коэффициент характеризует чувствительность изменений сопротивления проводника к изменениям температуры.
Температурная зависимость сопротивления проводника объясняется тем, что возрастает интенсивность рассеивания (число столкновений) носителей зарядов при повышении температуры; изменяется их концентрация при нагревании проводника [4].
Самым точным практическим термометром является платиновый термометр сопротивления. Образцовые термометры сопротивления 2-го разряда служат для поверки рабочих термометров.
Таким образом, принцип действия термометров основан на свойстве жидкости расширятся под действием тепла. В связи с тем, что приборы измерения температуры неприхотливы в использовании, они часто применяются как в технической области и лабораторной практике, так и в быту. На сегодняшний день существует большое количество разновидностей такого измерительного оборудования, отличающиеся по способу действия, но главной их задачей является измерение температуры.
Библиографические ссылки
1. Блинов О. М, Беленький А. М., Бердышев В. Ф. Теплотехнические измерения и приборы : учебник для вузов. М. : Металлургия, 1993. 288 с.
2. ГОСТ 8.305-78. Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Термометры манометрические. Методы и средства поверки. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
3. ГОСТ Р 8.585-2001. Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
4. ГОСТ 6651-94. Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Термопреобразователи сопротивления. Общие технические требования и методы испытаний. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
© Кузнецова А. А., Жирнова Е. А., 2018
