ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ

Прилад, призначений для вимірювання температури, називається термометром.

Рідинний термометр

Прилад для вимірювання температури, заснований на тепловому розширенні рідини, називається рідинним термометром.

Явище теплового розширення рідини описується рівнянням:

(10.1)

де β – коефіцієнт об'ємного розширення рідини, 1/К; – зміна об'єму, м3; ΔT – зміна температури, К.

Рідина в термометрі підіймається завдяки тому, що коефіцієнти об'ємного розширення β рідини та скла значно відрізняються: у ртуті; у спирту; у толуолу; у скла.

Рідинний термометр складається з тонкостінного скляного резервуара, сполученого із скляним капіляром; для вимірювання температури термометр обладнаний шкалою. Частина простору в капілярі, не зайнята рідиною, заповнена сухим інертним газом, що запобігає розриву рідини. В капілярі може бути також внутрішнє розширення (скорочувальна камера), що дає можливість скоротити довжину капіляра; ще одне розширення капіляра (розширювальна камера) у кінці захищає термометр від перегрівання. Зовнішній вигляд рідинного термометра зображено на рис. 10.1.

Рис. 10.1. Рідинний термометр

Процес вимірювання температури полягає в зануренні термометра у рідину. Це занурення може бути частковим, повним або абсолютним. Більшість термометрів використовуються у режимі

повного занурення, коли одна частина термометра знаходиться в рідині, а інша – в повітрі.

Робочою рідиною в термометрах такого типу може бути ртуть, спирт або толуол. Ртуть використовують найчастіше, оскільки вона існує у чистій формі, не погіршується з часом і не взаємодіє зі склом. Діапазон температур, у межах якого можливе застосування ртуті, становить -38,8-+356,7 °С. При вимірюванні низьких температур перевагу мають спирт (-117,3-+78,5 °С) або толуол (-95,1-+110,5 ”С). Але останні дві речовини не такі стійкі, як ртуть, і можуть повільно розкладатися на сонці.

Приклад

Ртутний термометр, конструкцію якого наведено на рис. 10.2, має капіляр діаметром d = 0,004 см та колбу діаметром D – 0,25 см. Знайти зміну висоти h стовпчика ртуті в капілярі, якщо температура змінилася на ЗО °С. Тепловим розширенням скла знехтувати.

Рис. 10.2. Рідинний термометр

Розв'язання

Об'єм колби знайдемо з виразу:

Зміна об'єму з температурою описується рівнянням:

Об'єм капіляра дорівнює:

Звідки знайдемо зміну висоти стовпчика ртуті:

Перевагами рідинного термометра є його компактність, невисока вартість. Недоліком є руйнівність; рідка рідина (особливо ртуть) при цьому може бути небезпечною.

Біметалевий термометр

Біметалевий термометр грунтується на тепловому розширенні твердих тіл, зокрема на деформації біметалевої пластини (наприклад, інвар і сталь) під впливом температури (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Біметалевий термометр: а) біметалева пластина; б) деформаційний термометр

Оскільки метали мають різні значення коефіцієнтів об'ємного розширення, пластина при зміні температури деформується. Переміщення вільного кінця ΔΧ під час зміни температури описується формулою:

(10.2)

де K – коефіцієнт пропорційності, що залежить від розмірів пластини та коефіцієнтів об'ємного розширення металів.

Як бачимо, залежність переміщення кінця біметалевої пластини від температури лінійна, а шкала приладу – рівномірна. Схему типового біметалевого термографа наведено на рис. 10.4.

Рис. 10.4. Схема біметалевого термографа

Переваги біметалевого термометра: не потребує джерела живлення; може бути застосований для вимірювань температур (у томц числі дистанційних) до 500 °С. Недоліки: не дуже висока точність; вимагає калібрування.

Приклад

Біметалева пластина, що утворює основу деформаційного термометра, має довжину . За збільшення температури ця пластина деформується, перетворюючись у дугу. Знайти залежність кута вигину пластини від зміни температури, різниці радіусів кривизни та коефіцієнтів термічного розширення металів .

Розв'язання

Радіус кривизни r пластини довжиною l пов'язаний з кутом Θ вигину співвідношенням:

Звідки

Різницюзнайдемо як:

Використовуючи залежність

знаходимо

Відповідь: .