Главная страница  Магинтогидродинамическое измерение температуры 

[ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116

Магинтогидродинамическое измерение температуры

Осязательная доступность температуры известна издревле. К первому тысячелетию до нашей эры относится появление понятий об основных составляющих окружающего мира, в числе которых наряду с землей, водой и воздухом был огонь, которому во многих внешних проявлениях приписывались свойства, обобщаемые современным понятием температуры. Демокрит и Левкипп оперировали понятием элeмeнтapoгo огня в общефизических представлениях, Гиппократ - применительно к медицинским проблемам. Однако, по-видимому, не ими было введено понятие температуры, так как Аристотель при обсуждении четырехэлементного мира ссылается на древних без упоминания имен. Трудности древних в составлении четкого представления о понятии температуры объяснялись многими причинами, связанными в частности с отсутствием какой бы то ни было измерительной техники, презрительным отношением к эксперименту - занятию рабскому , недопустимому для философов, и внутренним противоречием информации о тепловых проявлениях в окружающем мире. Температура является показателем интенсивности, т. е. качественной характеристикой. Поэтому понятие температуры в простых представлениях смешивается с понятием количества теплоты, лежащим в основе осязательных ощущений. Теплоте свойственна суперпозиция, температуре - нет. Трудно было понять, почему нагретые на огне вода, масло или смола при кратковременном прикосновении к ним воздействовали заметно сильнее, чем сам перво-прнчинный огонь. В средние века многократно было описан опыт, в котором п]редлагалось одну руку выдержать в теплой воде, а другую - в холодной. После этого смешанная вода ощущается одной рукой как холодная, другой - как теплая. Помещение глубокой пещеры, подвала представляется зимой теплым, а летом прохладным. В связи с большой параметрической чувствительностью организма к тепловому воздействию главные понятия долго покоились на субъективной основе. Это препятствовало построению представлений в четкой, логически замкнутой последовательности умозаключений. Для сравнения можно привести измерение угла наклона эклиптики Эратосфеном: за 22 столетия эта величина уточнилась к настоящему времени только на 6 угловых мрнут. Б силу чисто физиологических причин, связанных с терморегуляцией, теплокровные организмы способны очень остро реагировать на изменение теплового воздействия окружающей среды с переходом от нагревания к охлаждению, и наоборот. При температуре, близкой к телесной, организм в состоянии реагировать на изменения порядка 0,1 К. Задолго до появления первых инструментов для измерения температуры из повседневного опыта были известны главные ее параметрические свойства, в частности стремление теплоты к температурному равновесию в результате ее перехода от горячих тел к холодным. Равновесная температура четко представлялась ниже температуры первоначально горячего тела н выше первоначально холодного. Подобные идеи



повсюду воспринимались настолько одинаково, что в равной мере глубоко вон1Лнво все известные языки с древнейших времен.

На основе чувственных восприятий окружающих явлений естественно нринши к последовательности таких понятий, как зимняя стужа, капель, летняя прохлада, красное и белое каление, температуры, соответствующие здоровой норме и лихорадочному состоянию тела человека. На тпкой естественной шкале каждому и-лу в его состоянии может быть найдено вполне определенное место между более и менее нагретыми телами, что позволяет сравнивать относительное количестпо содержащейся в теле энергии и способность теля вогприиимшт, или отдавать энергию в качественном смысле т. е. независимо от количественных характеристик: размеров, объема и массы тела.

Потребность в измерениях .температуры с познавательной целью возникла лишь в середине XVI в. Чтобы производить такие измерения, можно было воспользоваться любой известной из наблюдений зависимостью какого-нибудь параметра от температуры. Еще Герону Александрийскому (1 в.) было известно свойство воздуха расширяться при нагревании, чем он объяснял стремление огня вверх. Изменение объема с изменением температуры При постоянном давлении у газов, в частности у воздуха, выражено более сильно, чем у жидких и твердых тел. На этой основе в 1597 г. Галилеем был предложен для сравнительных температурных исследований термоскоп, который состоял из стеклянного баллончика, заполненного воздухом и сообщающетося тонкой трубкой с сосудом, в котором находилась закрашенная жидкость (вода или спирт) Изменение температуры воздуха в баллончике сопровождалось изменением уровня закрашенной жидкости в трубке. Существенным недостатком этого первого из известных термометров являлась чувствительность к изменению атмосферного давления.

В 1631 г. французский врач Ре описал термометр, действие которого было основано на использовании свойства термического расширения воды. Конструкция термометра, подобного распространенным теперь жидкостно-стеклянным, создана в 1654 г. Его появление связывают с именем ученика Галилея герцога тосканского Фердинанда 11. Термометр представлял собой герметически запаянный сосуд с вертикальным указательным капилляром. В качестве рабочей жидкости использовался винный спирт. Сохранились сведения о том, что при ciieronaflt он показывал 20, а в самый з.юйный день - 80 градусов Деления градусов были нанесены эмалевыми капельками прямо на трубку капилляра. Сохранилась гравюра флорентийского термометра, в котором капилляр свит в 12 витков по винтовой линии, а деления шкалы нанесены в виде вертикальных стеклянных брусочков, припаянных к капилляру и делающих всю конструкцию достаточно жесткой.

Метрологическую основу термометрии заложил падуанский врач Санк-торио. Используя термоскоп Галилея, он ввел две абсолютные точки и регламентировал систему поверки, согласно которой все флорентийские термометры градуировались по образцовому санкторианско-галилеевскому прибору. Значения фиксированных точек не сохранились. Известно, что флорентийские термометры удовлетворяли основному метрологическому требованию: в одинаковых условиях - одинаковые показания. Флорентийские термометры сразу же нашли широкое применение в метеорологических измерениях; из летописей можно установить, что точка таяния льда соответствовала 13,5 градусам флорентийской шкалы.

В начале XVIlI в. зарегистрирован ряд предложений, направленных на привязку термометрической шкалы к нескольким легко и надежно воспроизводимым точкам, которые в дальнейшем получили наименование ре-перных. В 1701 г. Ньютон предложил связать шкалу с температурами таяния льда и тела человека. Выбор последней был обусловлен описанием происхождения человека по образу и подобию в Библии - самом официальном документе того времени.

В 1703 г. французский академик Амонтон, основываясь на том, что теплота представляет собой одну из форм движения, пришел к выводу, 4Tq,.Hy-левая точка температурной шкалы должна соответствовать состоянию, йри котором прекратится всякое движение частиц. Он полагал, что при этом члстнцы будут занимать наименьший объем или в случае газа оказывать наименьшее возможное давление на ограничивающие его стенки. Амонтон впервые предпринял попытку определить положение абсолютного пуля относительно точки таяния льда.

Значительная роль в становлении температурных измерений принадлежит Фаренгейту. Он родился в 168G г. в Гданьске (Данциге), от зрелости ii до старости (1736 г.) прожил в Голландии и Англии. Основным его занятием было негодианство. Наукой же занимался для удовлетворения любопытства. Сочетание дарования ученого с предпринимательскими способностями позволило ему впервые наладить серийное производство унифицированных термометров с воспроизводимыми показаниями. Им же была впервые применена ртуть в качестве рабочей жидкости (1714 г.) и создана воспроизводимая температурная шкала. В шкале Фаренгейта в качестве нуля была выбрана температура смеси снега с нашатырем, вторая точка (по Ньютону) соответствовала температуре тела здорового человека, а промежуток был разделен на 12 градусов. При этом были зафиксированы температуры таяния чистого льда (в первичной шкале 4 гр,адуса) и кипения воды.

Вначале шкала Фаренгейта давала возможность грубой оценки температуры. Для более тонких отсчетов Фаренгейт трижды последовательно делил градусы пополам, что привело к восьмикратному уменьшению единицы. При этом температура таяния льда стала равной 32 градусам, а температура тела человека - 96 градусам. Температура таяния льда в те времена предполагалась ненадежной, поскольку уже были известны случаи переохлаждения жидкостей. Температура кипения воды была вначале величиной производной и равной 212 градусам. Фаренгейт провел изыскания надежных фиксированных точек шкалы и установил, что температура смеси льда с водой стабильна при значительной вариации внешних условий, а температура кипения воды зависит от барометрического давления. Шкала Фаренгейта получила широкое распространение. В 1736 г. точки замерзания и кипения воды при фиксированном барометрическом давлении были приняты в качестве основных для всех шкал.

Около 1760 г. Ламберт, немецкий астроном, оптик и зодчий, пришел к выводу о достаточности в абсолютной шкале одной фиксированной точки. Второй такой точкой должен быть абсолютный нуль. Температуратаяния льда была выбрана равной 1000 градусов, при этом температура кипения воды получалась величиной производной и равной 1370 градусам. Несмотря на очевидные достоинства, практического применения шкала Ламберта не получила.

После установления фиксированных точек шкалы естественно возникли вопросы Интерполяции, что привело к тщательным исследованиям стекол и термометрических жидкостей. Наблюдения, проведенные на термометрах из одинакового стекла, которые заполнялись водой, маслом, спиртами, ртутью, показали различный ход мениску уровня жидкости при промежуточных температурах. В этих исследованиях была обнаружена температурная инверсия плотности воды при 4 °С.

Одно из первых предложений м,етрологической основы интерполяции было сделано пизанским профессором Ренальдини в 1694 г. Оно состояло в том, что промежуточное значение показания термометра определялось пропорциональным долям смеси, составленной из кипящей воды и воды, слитой с тающего льда. При очевидных принципиальных достоинствах практическая реализация такого метода оказалась связанной с непреодолимыми трудностями.

Шведский математик и геодезист Цельсий в 1742 г. предложил разбить в ртутном термометре диапазон между точками кипения воды н



таяния льда на 100 равных частей, В этой шкале точке плавления льда соответствовало 100 градусов, а точке кипения воды - 0. В 1/t.U г. шкала оы-ла обращена Стрёмером - одним из сотрудников и учеников Цельсия. Подобная шкала с нулем при кипении воды и 150 градусами при ее замерзании была предложена ранее, в 1740 г., французским академиком Ислем. Смысловая основа такого обращен.юго представления утеряна.

До начала XX в. наравне со стоградусной шкалой Цельсия была рас пространена шкала, предложенная в 1730 г. французским зоологом и физиком Реомюром для термометров, заполненных 80 %-ным водным раствором этилового спирта. В пжяле Реомюра система деления на градусы была принята такой же, как во флорентийском термометре; один градус соответствовал изменению объема жидкости на одну тысячную долю. За начало отсчета Реомюр принял температуру тающего льда, температура кипения воды соответствовала 80 градусам.

В начале XIX в. в поисках абсолютного метрологического прибора возвратились к идее газового термометра. Открытые к тому времени законы Гей-Люссака и Шарля позволяли предполагать, что в газовых термометрах показание не будет зависеть от вида газового заполнения. Однако при дальнейшем уточнении методов измерения в газах были обнаружены существенные индивидуальные отклонения. Тщательные исследования французского физика Реньо показали, что коэффициенты расширения газов зависят от их плотности и степени удаления по температуре от состояния сжижения. Повышение температурьки снижение давления приближают газы к идеальным. Так, при 320 °С и но1Я1альном давлении Реньо не удалось обнаружить разницы в показаниях газовых термометров, заполненных водородом, воздухом и углекислым газом. В тех же условиях сернистый газ отличался от водорода не только значением коэффициента, но и непостоянством этой величины. Реньо установил, что с понижением давления это различие становится менее заметным. Таким образом, деление температурной шкалы не получило желательной обоснованности вплоть до конца XIX в. Проведенные на основании экспериментальных данных Реньо расчеты упругости водяного пара дали температурную шкалу, настолько отличавшуюся от привычных шкал газовых и жидкостных термометров, что она не получила распространения.

Сравнительные измерения показали, что в основном диапазоне 0... 100 °С показания водородного термометра систематически ниже, чем показания термометров, заполненных другими газами. За пределами фундаментального диапазона показания термометра были тем выше, чем легче газ. В точках О и 100 °С показания всех термометров считались одинаковыми.

Одновременно с чисто экспериментальными исследованиями проводились и теоретические поиски незыблемой шкалы. Б этом отношении заманчиво было воспользоваться функцией Карно, которая не зависит от вещества и является функцией одной только температуры.

В 1848 г. Томсон (лорд Кельвин) предложил выбрать градус температурной шкалы таким образом, чтобы в его пределах э,ффективность идеальной тепловой машины была одинаковой, т. е. чтобы значение температуры принималось пропорциональным значению эффективности тепловой энергии. В дальнейшем он обратил внимание на то, что привычная температура достаточно близко следует за величиной, обратной функции Карно. Обратная функция Карно и была предложена в качестве основы для абсолютной температурной шкалы в 1854 г. Прямое осуществление такой шкалы посредством идеальцрй тепловой машины, способной работать на сравнительно малых перепадах в широком диапазоне температур, практически невозможно. В 1862 г. Томсон совместно с английским физиком Джоулем разработал экспериментальный метод оценки отклонения реального газа от идеального (эффект Джоуля - Томсона). Первые же исследования эффекта Джоуля - Томсона на различных газах показали, что значения температур по шкале воздушного термометра при нормальном давлении несущест-

венно отклоняются от абсолютной термодинамической температурной шкалы, а по шкале водородного термометра отклонения пренебрежимо малы.

На основании исследований Джоуля и Томсона с учетом известных данных о неидеальности различных газов в 1887 г. Международным комитетом мер и весов было принято решение об утверждении в качестве температурного эталона водородного термометра постоянного объема (плотности) с начальным давлением (при О °С) 1 м рт. ст. и стоградусным равномерным по давлению делением шкалы в промежутке между точками т;:яния льда и кипения воды при нормальном давлении. Таким образом, было создано техническое средство передачи термодинамической температурной шкалы практическим измерениям. Громоздкость, сложность и медленность измерений привели к необходимости создания промежуточного средства такой переда-чив виде эталонированных стеклянных ртутных термометров. Проведенные исследования показали, что максимальный разброс показаний ртутных эталонированных термометров из верредура различных плавок при 50 °С не превышает 0,02 К. jt- > v

В 1906 г. Штоком и Нильсеном был предложен термометр с использованием упругости паров насыщения. В середине XX в. такие термометры широко применялись на транспорте, в частности автомобильном. Затем их вытеснили биметаллические термовибрационные элементы. В настоящее время принцип измерения температуры по давлению насыщенных паров используется лишь в лабораторной практике в области низких температур.

В 1827 г. немецкий физик Ом обнаружил зависимость электрического сопротивления различных проводников от их температуры. Первый термометр сопротивления был изготовлен Сименсом в 1871 г. для измерения температуры в печах. Платиновые термометры сопротивления нашли применение в качестве прецизионного инструмента после обстоятельных исследований английского физика Каллендара (1886 г.).

Существование металлов с настолько слабо выраженной зависимостью сопротивления от температуры, что ею можно пренебречь (для константана она примерно в 100 раз меньше, чем для платины, серебра, меди), позволяет реализовать эффективный мостовой инструмент для прецизионных измерений, включая метрологические. Значительным вкладом в повышение чувствительности таких приборов явилось применение полупроводников. Температурный коэффициент полупроводниковых элементов на порядок выше, чем чистых металлов. В 1948 г. фирма Дженерал моторе (США) выпустила первую партию таких приборов, назвав их термисторами.

В 1821 г. немецкий физик Зеебек открыл термоэлектрический эффект и указал на возможность использования этого эффекта для измерения температуры. Практические измерения на основе термоэлектричества были проведены лишь в конце XIX в. почти одновременно и независимо друг от друга французскими учеными Беккерелем и Ле Шателье в 1887 г., Барусом в 1889 г. Большой промежуток времени между открытием эффекта иего применением для измерения температуры объясняется недоразумением, связанным с ошибочными публикациями Реньо. Авторитетное утверждение Реньо вызвало недоверие к первому опыту термоэлектрического измерения температуры, проведенному еще в 1836 г. французским физиком Пуйе.

Обстоятельные исследования позволили выбрать около десятка термоэлектродных материалов, имеющих практически прямолинейные температурные характеристики. Особое преимущество термопар состоит в возможности измерения практически в точке. Объем спая термопар во много раз меньше резервуара ртутного термометра, поэтому они нашли широкое применение как в промышленной, так и (особенно) в лабораторной исследовательской практике. В настоящее время подавляющее большинство температурных измерений проводится посредством термопар.

Во второй половине XIX в. применение вероятиостно-статнстнческого подхода позволило на новой основе получить многие теоретические результаты. Из них для термометрии важными оказались обобщение законов нз-



[ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116

© 2000 - 2017 ULTRASONEX-AMFODENT.RU.
Копирование материалов разрешено исключительно при условии цититирования.