Файл: Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях.pdf

термодинамическом системы в долях происходящего при этом изме­ нения энтропии dS системы

т —

dS '

Для газообразных тел, согласно кинетической теории, средняя энер­ гия поступательного движения молекул связана с температурой газа выражением

W = \ k T ,

где k — постоянная Больцмана, равная 1,38 -10_ 13 Дж/град, или

8,617•10~5 эВ/град.

Распределение энергии поступательного движения между моле­

где N — общее число молекул в единице объема; W — энергия посту­ пательного движения молекул, определяемая их скоростью; AN — число молекул, обладающих энергией, в интервале от W до W + -J-A W. Кинетическая и потенциальная энергии вращательного и колебательного движения молекул подчиняются аналогичным за­ кономерностям. Поскольку для данной температуры энергия отдель­ ной молекулы существенно отличается от средней энергии W, то понятие температуры является статистическим и применимо только к объемам, содержащим очень большое число молекул. В простран­ стве, где имеется значительное разрежение, статистические законы не применимы. Температура в этом случае определяется мощностью

пронизывающих пространство потоков лучистой энергии и равна температуре абсолютно черного, тела с такой же мощностью излу­ чения.

В связи с исследованиями высокотемпературной плазмы прихо­ дится сталкиваться с понятием электронной температуры, характери­ зующей поток электронов в плазме. Энергию такого потока обычно выражают в электрон-вольтах; тогда температура частиц с энергией в Г эВ будет равна 1 эВ/& = 11 606 К. Все сказанное относилось к установившимся процессам в системах. При интенсивных химиче­ ских, атомных и ядерных реакциях, сопровождающихся быстрым выделением тепловой энергии, нарушается равномерное распределе­ ние энергии между отдельными видами движения. Наступает термо­ динамическая неравновесность. Поэтому в термодинамически не­ равновесном газе (например, при горении, взрывах, при электриче­ ских разрядах в газах и т. п.) существует одновременно много раз­ ных температур: температуры частиц (молекулярная, атомная, ион­ ная, электронная), температуры различных степеней свободы дви­ жения частиц (поступательная, вращательная, вибрационная), а также температуры возбуждения и ионизации. При измерении тем­ пературы неравновесных газов или плазмы результаты измерения будут зависеть от того, к какому виду движения и каких именно частиц чувствителен используемый метод измерения.

Таким образом, температура может представлять собой как параметр состояния, определяющий качественную (тепловую) сто­ рону процесса, так и потенциал переноса тепловой энергии, опреде­ ляющий количественную сторону процесса. Поскольку измерение температуры связано с использованием определенных тел и их термо­ метрических свойств, а при разных температурах тела имеют разные энергетические состояния и разные физи'ческие свойства, постольку принятая единица измерения температуры (1 град) является по су­ ществу лишь мерой масштаба принятой температурной шкалы и про­ цесс измерения температуры является определением положения на температурной шкале уровня измеряемой температуры. Поэтому особое значение в термометрии имеет принцип построения и воспро­ изведения температурной шкалы.

В настоящее время используется термодинамическая шкала, в ос­ нову которой заложено, по предложению Кельвина, использование термодинамического цикла Карно идеальной тепловой машины. Размер 1 град шкалы определяется тем, что температуре тройной точки воды приписано числовое значение 273,16 К (точно), а ниж­ ней границей основного интервала шкалы является абсолютный нуль. Определяемый таким образом градус термодинамической шкалы совпадает с величиной 1° С, а переход от температуры f С к темпера­ туре Т К выражается точной формулой

Т = t + 273,15 К.

Термодинамическая шкала температур воспроизводится по пока­ заниям газовых термометров постоянного давления или постоянного объема. Однако газовые термометры из-за ряда экспериментальных

196

трудностей не обеспечивают требуемой в настоящее время точности; кроме того, верхний предел их применения сейчас составляет 1000° С. Поэтому разработаны методы осуществления условной шкалы тем­ ператур (международной практической температурной шкалы — МПТШ), которая, практически совпадая с термодинамической, по­ зволяет расширить последнюю в область очень высоких температур и отличается удобством и высокой точностью воспроизведения. МПТШ основана на шести воспроизводимых температурах (первич­ ные постоянные точки), которьщ присвоены числовые значения в °С, а также на формулах, устанавливающих соотношение между темпе­ ратурой и показаниями приборов, эталонированных по этим шести точкам.

В интервале 0—630° С температуру t определяют по сопротивле­ нию R t эталонного платинового термометра сопротивления с помощью формулы

где R о — сопротивление при 0° С, а постоянные А и В определены эталонированием в точках кипения воды (100° С) и серы —1(444,6° С).

В интервале от 0 до — 183° С температура определяется также по сопротивлению Rt эталонного пластинового термометра сопротивле­ ния, но в этом случае используется формула

стоянная С определена эталонированием термометра в точке кипения кислорода (— 182,97° С).

В интервале 630— 1063° С температуру определяют по электродви­ жущей силе платинородий-платиновой термопары, свободные концы которой имеют температуру 0° С, а рабочий конец — температуру t. При этом используют интерполяционную формулу

et — а + bt -f ct2,

в которой постоянные а, b и с определены для данной термопары эталонированием ее в точках затвердевания сурьмы, серебра (960,8° С) и золота (1063° С). Температура затвердевания применяемого образца сурьмы предварительно определяется эталонным термометром со­ противления.

Выше точки затвердевания золота температуру t определяют из формулы

вытекающей из формулы Планка для излучения абсолютно черного тела. Здесь rXi Т2 и rXt т, — монохроматические яркости абсолютно черного тела для длины волны X и температур t и 1063° С соответ­ ственно; с2 — постоянная излучения, равная 1,438 см град. МПТШ

'197

предусмотрена система вторичных постоянных точек вплоть до 3380° С. Воспроизводимость МПТШ на разных участках различная; международные сравнения платиновых термометров сопротивления,

участка МПТШ составляет —0,1 град; на оптическом участке для интервала температур 1063—2000° С она может быть оценена в 2—3

град.

Для передачи правильного значения градуса от эталонов к ра­ бочим измерительным приборам существует система образцовых при­ боров, соподчиненность которых регламентируется поверочной схе­

мой [107].

Для обеспечения единства и точности измерения низких темпера­ тур в области от тройной точки водорода 13,828К до точки кипения кислорода 90,17К, которая не охватывается МПТШ, ГОСТ 12442—66 регламентирована практическая температурная шкала — ПТШ. В стандарте приведена таблица зависимости величины относительного электрического сопротивления R T/Ro платины от величины темпе­ ратуры Т К. Эта зависимость представляется таблично из-за невоз­ можности ее выражения простой математической формулой. ПТШ в указанной области воспроизводится с помощью платиновых термо­ метров сопротивления градуированных по постоянным точкам: трой­ ной точке водорода — 13,828К, точке кипения водорода («равновес­ ного») —20.267К или («нормального») —20,384К, тройной точке кислорода —54,353К, точке кипения кислорода —90,17К и тройной точке воды —273,16К.

2. Приемные преобразователи контактных термоизмерителей

К числу простейших измерителей температуры, которые при­ меняются в исследовательской практике, относятся приборы меха­ нической группы, основанные на использовании теплового расшире­ ния газов или жидкостей. В газовом термометре измеряется давление, создаваемое определенным количеством газа при постоянном объеме. При надлежащем выборе рабочего вещества и достаточно низком давлении получается прибор, в принципе осуществляющий условия воспроизведения термодинамической шкалы.

В жидкостно-стеклянных термометрах применяется ртуть или другие вещества; ниже приводятся возможные пределы их применения (в °С):

Показания жидкостно-стеклянного термометра зависят не только от изменения объема рабочей жидкости, но и от изменения объема стеклянного резервуара, поэтому для изготовления термометров при­

198