Экспериментальные термометрические шкалы и методы измерения температур - Курсовая работа
Термодинамическая температура входит в фундаментальные соотношения, определяющие либо характер протекания ряда физических процессов, либо связь с другими физическими величинами. К таким фундаментальным соотношениям следует отнести следующие:
1. Уравнение состояния идеального газа – уравнение Менделеева – Клайперона PV=RT.(3)
2. Закон Кюри μ=c/T, (4) где μ – магнитная восприимчивость парамагнитной соли; с – постоянная, определяемая при градуировке.
3. Уравнение Найквиста, определяющее интенсивность тепловых шумов на концах активного сопротивления, вызванных флуктуациями носителей зарядов в проводнике 
, (5) где h – постоянная Планка; ν – частота.
4. Формула Планка, определяющая свойства теплового излучения абсолютно черного тела для длины волны λ, Вт/м2 , 
, (6) где с1 и с2 – постоянные.
5. Уравнение, определяющее скорость звука в газе, 
, (7) где М – молекулярная масса газа, γ = ср/сv газа.
6. Уравнение Саха, определяющее степень термической ионизации газа α (отношение числа ионизированных атомов к общему числу всех атомов), 
, (8) где gi и gа – статистические массы ионизированных атомов и всех атомов; mэ – масса электрона; р – давление газа; Еi – энергия ионизации атомов.
Нужно отметить, что формулы (3) - (8) используются для измерения термодинамической температуры.
Температурные шкалы.
Экспериментальные (эмпирические) температурные шкалы.
Процесс измерения многих физических величин состоит в экспериментальном определении соотношения между значением измеряемой величины и величины, условно принятой за единицу.
Температура, являющаяся характеристикой внутреннего состояния тела и относящаяся к категории «интенсивных» физических величин (т.е. не зависящих от массы тела), не обладает свойством аддитивности. Это приводит к тому, что для измерения этой величины нужна не только единица измерения, но и шкала, по которой как бы «отсчитывается» значение температуры.
За единицу температуры в системе единиц СИ принят кельвин (К). Он определяется как 
часть температуры тройной точки воды: температуры равновесия трёх фаз – твёрдой, жидкой и газообразной – чистой воды естественного изотопического состава. Она принята на 0,01 К выше температуры таяния льда. Воспроизводимость тщательно подготовленной тройной точки воды составляет 0,0002 К.
Температурная шкала – непрерывная совокупность чисел, линейно связанных с числовыми значениями какого – либо удобно и достаточно точно измеряемого физического свойства, представляющего собой однозначную и монотонную функцию температуры. Это свойство принято называть термометрическим свойством. Например, в ранней стадии развития термометрии за термометрическое свойство бралось свойство тел, изменять свой объём при изменении температуры тела.
Такие шкалы, построенные с использованием выбранного свойства конкретного рабочего тела, принято называть эмпирическими (экспериментальными).
Строятся эмпирические температурные шкалы достаточно просто.
Пусть у нас имеется произвольный термометр. Обозначим буквой a его термометрическую величину (например, объём жидкости, ЭДС, электрическое сопротивление и т.д.). При нагревании величина a должна изменяться монотонно. Иначе между температурой и термометрической величиной не будет взаимно однозначного соответствия. Так, например, объём воды нельзя принять за термометрическое свойство, т.к. эта функция проходит через минимум при 4˚С. По смыслу между термометрической величиной и температурой должна быть функциональная связь:
Т = f(a).
На функцию f нет никакого ограничения. Но желательно, чтобы функция была как можно проще. Самой простой функцией является линейная функция, т.е. наиболее выгодно положить, что
Т = Аа.
Постоянную А, аналогично можно выбирать произвольно. Выбором этой величины однозначно определится и единица температуры – градус. Но чаще поступают иначе: постоянную А вычисляют, приписывая какой – либо точке определённую температуру или двум точкам определенную разность температур. Такие температурные точки называются реперными.
До 1954 г. температурная шкала строилась по двум реперным точкам: нормальной точке кипения воды Тк и нормальной точке плавления льда Тпл. Принималось по определению, что разность температур между этими двумя точками равна 100˚. После этого постоянная А вычисляется очень просто:
,
где ак и апл – значения термометрической величины в этих точках.
Но эксперимент показал, что тройная точка воды обладает лучшей воспроизводимостью.
И поэтому все современные температурные шкалы строятся по этой реперной точке. В абсолютной термодинамической шкале Кельвина принимается, что температура этой точки равна 273,16 К. Тогда постоянная А вычисляется так:
,
где атр – значение термометрической величины в тройной точке.
Такой выбор численного значения температуры тройной точки воды сделан для того, чтобы интервал между нормальными точками кипения воды и плавления льда составлял точно 100 К. Тем самым устанавливается преемственность шкалы Кельвина с применявшейся ранее шкалой с двумя температурными точками.
В абсолютной термодинамической шкале Кельвина температуры кипения воды и плавления льда таковы: 273,15 К и 373,15 К соответственно.
Значение температуры, измеренной по шкале, описанной выше зависит от термометрического свойства вещества. Следовательно, в зависимости от выбора термометрической величины а можно построить бесконечно много температурных шкал. А т.к. термометрические свойства у тел разные, то эти шкалы, совпадая в основных реперных точках, будут давать разные показания в других точках.
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11