4. Способы и приборы измерения температуры

«Изучение способов измерения температуры» Цель работы: углубить знания по курсу общей теплотехники и получить навыки экспериментального определения температуры тел. В работе необходимо: 1. Измерить температуру нагревательной поверхности, окружающей среды и воды в колбе с помощью ртутного термометра, хромель-копелиевых термопар, милливольтметра и потенциометра. Теоретические основы. Температура характеризует тепловое состояние тела и измеряется в градусах. Температура тела изменяется пропорционально средней кинетической энергии поступательного движения молекул. Численное значение температуры зависит от выбранной температурной шкалы. В технике температура измеряется по Международной стоградусной шкале /шкала Цельсия/ и обозначается через t, С. В этой шкале при нормальном давлении /760 мм рт. ст./ состоянию тающего льда соответствует температура 0 С, а точке кипения воды - 100 С. Для измерения температуры используется также термодинамическая шкала температур /шкала абсолютных температур, или шкала Кельвина/. Нуль абсолютной шкалы температур соответствует значению t=-273,15 С. Абсолютная температура тела Т, К=t, С +273,15      /1/ В США и Англии для измерения температуры применяют шкалу Фаренгейта. На этой шкале /t ,F/ температура таяния льда и температура кипения воды обозначены соответственно через 32  и 212  для перевода показаний этой шкалы в С и обратно служат соотношения: t С= (t ,F-32);             t F= (t С+32)    /2/ Параметром состояния является абсолютная температура. Температуру измеряют с помощью устройств, использующих различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. В табл. 2 приведены наиболее распространенные устройства для измерения температуры и практические пределы их применения. Ртутные стеклянные термометры основаны на свойстве тел изменять свой объем в зависимости от температуры. В качестве термометрического тела чаще всего применяют ртуть и спирт. При точных измерениях температуры при помощи ртутных термометров к их показаниям вводятся следующие поправки: /1/ основная /инструментальная/ поправка t /2/ поправка на температуру выступающего столбика ртути  t /3/ поправка на смещение положения нулевой точки t В общем случае определение действительной температуры среды по показаниям ртутного термометра t' производится согласно равенству: t= t'+ t+ t + t .       /3/ При температурах выше 150-200 С ртутные термометры применяются редко. В настоящее время для измерения температуры получили широкое применение термопары /термоэлектрические преобразователи/. Термоэлектрический метод измерения температуры основан на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры. Термопара представляет собой 2 разнородных проводника, составляющих общую электрическую цепь /рис. 1/. Если температуры мест соединений (спаёв) проводников t  и t  неодинаковы, то возникает термо-Э.Д.С. и по цепи протекает ток. Величина термо-Э.Д.С. тем больше чем больше разность температур.

В качестве материалов для термопар используется проволока диаметром от 0,1 до 0,2 мм. Наиболее распространены следующие пары металлических проволок: 1.     Платина и платинородий  / 90% Pt и 10% Pr /. Эта термопара является эталонным прибором. 2.     Хромель /90% Ni и 10% Cr / и алюмель /95% Ni и 5% Al/. На каждые 100 С термоЭ.Д.С. этой термопары составляет около 4 мВ. 3.     Хромель и копель /56% Cn и 44% Ni/. На каждые 100 С термоЭ.Д.С этой термопары приходится около 7 мВ. 4.     Медь и константан /60% Cn и 40% Ni/. На каждые 100 С термоЭ.Д.С этой термопары приходится около 4,3 мВ. При измерении температуры один спай цепи термопары, так называемый холодный спай, находится при 0 С (в тающем льде в сосуде Дюара), а другой – горячий в среде, температуру которой надо измерить. Так как термоЭ.Д.С. термопары зависит от температуры обоих спаев (горячего и холодного), то термопары часто применяются для измерения разности температур в двух точках – так называемая ­­дифференциальная термопара (рис. 2). В этом случае в схеме отсутствует холодный спай и термоЭ.Д.С. с некоторой известной Э.Д.С. вспомогательного источника тока. 5. Измерение массы

Ма́сса (от греч. μάζα — «кусок теста») — скалярная физическая величина, одна из важнейших величин в физике. Первоначально (XVII—XIX века) она характеризовала «количество вещества» в физическом объекте, от которого, по представлениям того времени, зависели как способность объекта сопротивляться приложенной силе (инертность), так и гравитационные свойства — вес.

В современной физике понятие «количество вещества» имеет другой смысл, а масса тесно связана с понятиями «энергия» и «импульс» (по современным представлениям — масса эквивалентна энергии покоя). Масса проявляется в природе несколькими способами.

• Пассивная гравитационная масса^{[источник не указан 30 дней]} показывает, с какой силой тело взаимодействует с внешними гравитационными полями — фактически эта масса положена в основу измерения массы взвешиванием в современной метрологии.

• Активная гравитационная масса^{[источник не указан 30 дней]} показывает, какое гравитационное поле создаёт само это тело — гравитационные массы фигурируют в законе всемирного тяготения.

• Инертная масса характеризует инертность тел и фигурирует в одной из формулировок второго закона Ньютона. Если произвольная сила в инерциальной системе отсчёта одинаково ускоряет разные исходно неподвижные тела, этим телам приписывают одинаковую инертную массу.

Масса тела в физике: измерение массы

За единицу измерения массы тела принят один килограмм. А на практике применяют и другие единицы – грамм, миллиграмм, тонна и т.п. Для измерения массы тела существуют разные способы. Один из них – это сравнение скоростей тел после взаимодействия. Например, если один мяч после столкновения полетел в два раза быстрее другого, то, очевидно, что он в два раза легче. Иной, более простой и привычный нам способ измерения массы заключается в измерении массы тела на весах, то есть взвешивании, если говорить по-простому. При взвешивании сравнивается масса тела с телами, массы которых известны – специальными гирями. Гири существуют по 1, 2 килограмма, по 100, 200, 500 грамм и так далее. Существуют также специальные аптечные гири весом в несколько грамм. Тело весом в несколько миллиграмм, например, комара можно взвесить на специальных аналитических весах. В настоящее время почти повсеместно используют для взвешивания не механические, а электронные весы, в принципе действия которых лежит воздействие веса тела на специальный датчик, который преобразует этот вес в определенный электрический сигнал. Но суть остается та же – мы заранее знаем, какое воздействие оказывает тот или иной вес на датчик, и поэтому можем по получаемым от датчика сигналам судить о весе предмета, преобразовывая этот сигнал в цифры на табло.

Расчет массы тела очень крупных объектов, таких как земля, солнце или луна, а также, очень мелких объектов: атомов, молекул производят иными способами – через измерение скоростей и иных физических величин, входящих в различные законы физики вместе с массой.

 

Инерционные свойства массы в нерелятивистской (ньютоновской) механике определяются соотношением F=m*a. поэтому можно получить по крайней мере три способа определения массы тела в невесомости. 1.Можно аннигилировать (перевести всю массу в энергию) исследуемое тело и измерить выделившуюся энергию -- по соотношению Эйнштейна получить ответ. (Годится для очень малых тел -- например, так можно узнать массу электрона) . Но такого решения не должен предлагать даже плохой теоретик. При аннигиляции одного килограмма массы выделяется 2·1017 джоулей тепла в виде жесткого гамма излучения 2.С помощью пробного тела измерить силу притяжения, действующую на него со стороны исследуемого объекта и, зная расстояние по соотношению Ньютона, найти массу (аналог опыта Кавендиша) . Это сложный эксперимент, требующий тонкой методики и чувствительного оборудования, но в таком измерении (активной) гравитационной массы порядка килограмма и более с вполне приличной точностью сегодня ничего невозможного нет. Просто это серьезный и тонкий опыт, подготовить который вы должны еще до старта вашего корабля. В земных лабораториях закон Ньютона проверен с прекрасной точностью для относительно небольших масс в интервале расстояний от одного сантиметра примерно до 10 метров. 3.Подействовать на тело с какой -- либо известной силой (например прицепить к телу динамометр) и измерить его ускорение, а по соотношению найти массу тела (Годится для тел промежуточного размера) . 4.Можно воспользоваться законом сохранения импульса. Для этого надо иметь одно тело известной массы, и измерять скорости тел до и после взаимодействия. 5.Лучший способ взвешивания тела - измерение/сравнение его инертной массы. И именно такой способ очень часто используется в физических измерениях (и не только в невесомости) . из курса физики, грузик, прикрепленный к пружинке, колеблется с вполне определенной частотой: w = (k/m)1/2, где k - жесткость пружинки, m - масса грузика. Таким образом, измеряя частоту колебаний грузика на пружинке, можно с нужной точностью определить его массу. Причем совершенно безразлично, есть невесомость, или ее нет. В невесомости удобно держатель для измеряемой массы закрепить между двумя пружинами, натянутыми в противоположном направлении. В реальной жизни такие весы используются для определения влажности и концентрации некоторых газов. В качестве пружинки используется пьезоэлектрический кристалл, частота собственных колебаний которого определяется его жесткостью и массой. На кристалл наносится покрытие, селективно поглощающее влагу (или определенные молекулы газа или жидкости) . Концентрация молекул, захваченных покрытием, находится в определенном равновесии с концентрацией их в газе. Молекулы, захваченные покрытием, слегка меняют массу кристалла и, соответственно, частоту его собственных колебаний, которая определяется электронной схемой (помните, я сказал, что кристалл пьезоэлектрический).. . Такие "весы" очень чувствительны и позволяют определять очень малые концентрации водяного пара или некоторых других газов в воздухе.