Термометр тепловой контакт

Цель данной книги — изложение основных принципов термометрии в интервале от 0,5 до приблизительно 3000 К. В течение последних 25 лет по этому вопросу накоплен весьма богатый опыт, и настало время объединить полученные результаты и обсудить достигнутые успехи. Большая часть работ последних лет относилась к низкотемпературной термометрии ниже приблизительно 30 К и их результаты послужили основой Предварительной температурной шкалы 1976 г. от 0,5 до 30 К. Таким образом, температура 0,5 К оказалась удобной нижней границей интервала температур, обсуждаемого в книге. Верхняя граница не обладает такой же определенностью, поскольку термометрия по излучению, рассматриваемая в гл. 7, может быть в принципе распространена на сколь угодно высокие температуры и достаточно лишь теплового равновесия в системе, температура которой измеряется. При всем разнообразии условий в термометрии, охватывающей интервал от температур жидкого гелия до точки плавления платины, общими являются требования теплового равновесия и теплового контакта с термометром. Эти требования неизменно присутствуют при всех термометрических работах и всех температурах на протяжении данной книги. Ясное понимание физических основ каждого из различных методов термометрии представляется обязательным для детального обсуждения их принципов, точности, интервала применения и ограничений. По этой причине каждой из основных глав предпослано краткое изложение физических основ метода в той мере, в какой это требуется для теории и практики термометрии. [c.9]

Температура представляет собой величину, позволяющую описывать тепловое равновесие между двумя системами, находящимися в тепловом контакте. Такое понимание температуры требует дополнительных разъяснений и определения ряда параметров, которые будут введены позднее, однако оно уже может служить основанием для термометрии. Введены важные понятия теплового контакта и теплового равновесия, но пока соверщенно не ясно, каким образом можно сопоставить температуре какие-либо численные значения. Однако прежде чем приступить к выяснению этого вопроса, остановимся несколько подробнее на природе самой величины. [c.11]

С понятием температуры тесно переплетается (и часто путается) понятие теплоты. Из повседневного опыта известно, что для нагревания одних веществ требуется больше тепла, чем для других, однако непосредственно не очевидно, почему это так. Тем не менее при достаточной проницательности на основании повседневного опыта можно сделать ряд весьма фундаментальных выводов относительно теплового поведения вещества эти выводы включают законы термодинамики. Нулевой закон, названный так потому, что он был сформулирован после первого и второго законов, касается состояния тел, приведенных в тепловой контакт друг с другом. Чтобы ясно понять, что это значит, прежде всего необходимо уточнить ряд понятий. Приведенные ниже определения хотя и не являются строгими, позволяют нам сделать несколько общих замечаний о смысле температуры и теплового поведения веществ, которые полезны при введении в термометрию. Более подробное обсуждение основ теплофизики читатель может найти в монографиях по термодинамике и статистической механике, указанных в списке литературы к данной главе. [c.12]

Для правильного понимания термометрии очень важно ясно представлять себе, что понимается под тепловым равновесием и тепловым контактом. Мы определим оба понятия, исходя из представлений, которые, строго говоря,справедливы лишь в некотором идеализированном мире, где возможно и изолировать некоторую систему и в то же время наблюдать ее приближение к конечному состоянию теплового равновесия. Однако и в реальном мире можно, соблюдая необходимые предосторожности, сколь угодно близко подойти к идеализированным условиям, и это служит одной из основ для применения классической термодинамики. Всегда можно представить себе такую реальную систему, которая в одном или нескольких отношениях (но не во всех) приближается к тем идеальным системам или условиям, для которых формулируются основные законы термодинамики. В этих случаях все предсказания классической термодинамики подтверждаются без исключения. [c.13]

Следовательно, можно представить себе, что одна из таких систем, называемая термометром, приводится в тепловой контакт поочередно с другими системами и таким образом удается выяснить, находятся ли рассматриваемые системы в одинаковых или различных тепловых состояниях. [c.14]

Необходимый тепловой контакт между термометром и телом, температуру которого желательно измерить, не обязательно должен быть механическим контактом. Уже отмечалось, что передача излучения от одного тела к другому позволяет осуществить идеально адекватные способы теплового контакта. Кроме того, хороший физический контакт не обязательно подразумевает хороший тепловой контакт. При очень низких температурах возможно существование магнитных спиновых систем, которые составляют единое целое с кристаллической решеткой, но имеют с ней очень плохой тепловой контакт. На этом факте основаны способы достижения предельно низких температур. С другой стороны, при очень высоких температурах (в плазме) распределение энергии между электронами может существенно отличаться от распределения энергии между ионами. Поэтому можно говорить, что электронная температура отличается от ионной температуры . [c.23]

Влияние анизотропии восприимчивости некубических кристаллов в большинстве случаев можно сделать малым либо путем тщательной ориентации монокристалла, либо применяя порошкообразный образец, хотя несферическая форма зерен порошка может вызвать нескомпенсированный магнитный момент и остаточную анизотропию. Осуществить тепловой контакт с образцом из порошка проще, чем е монокристаллом, поэтому в магнитной термометрии применяется удобная форма образца независимо от кристаллической симметрии соли. [c.125]

При точных измерениях температуры с помощью стержневых термометров одна из главных проблем заключается в заметной зависимости показаний термометра от глубины погружения. Не слишком хороший тепловой контакт между измерительным элементом и окружающей средой, а также эффекты теплопроводности и излучения вдоль термометра, приводят к тому, что прибор приходится погружать очень глубоко. Из [c.210]

Проверка адекватности погружения стержневого термометра в реперную точку затвердевания металла проводится путем измерения изменений температуры затвердевания в зависимости от глубины. Вертикальный градиент температуры затвердевания, рассчитанный на основе уравнения Клаузиуса — Клапейрона, был найден равным 5,4 27 и 22 мкК-см- для сурьмы, цинка и олова соответственно. В реперной точке затвердевания вертикального устройства, подобного показанному на рис. 4.25, разность температур между верхней и нижней частями слитка в процессе затвердевания максимальна для цинка и достигает 0,3 мК. Поскольку измерение влияния гидростатического давления на точку затвердевания требует постоянного выведения термометра из слитка по мере затвердевания последнего, здесь могут использоваться лишь термометры, погружаемые на глубину большую, чем минимальная глубина погружения для обеспечения заданной точности измерения. Из рис. 5.15 можно заключить, что для измерения гидростатического эффекта на длине 8 см высота слитка должна составлять 20 см. А если учесть еще и требования к тепловому контакту термометра со средой, то высота слитка для цинка должна при этих условиях составлять 23 см. [c.214]

Важно подчеркнуть, что достижение высокой точности у технических термометров сопротивления требует применения тех же принципов, которые лежат в основе конструирования самых точных эталонных термометров. Дополнительные требования, предъявляемые к техническим термометрам (прочность, невысокая стоимость, иногда также малые размеры), должны удовлетворяться без чрезмерного снижения требований к точности измерений, которая зависит от качества теплового контакта с объектом измерения, отсутствия механических напряжений на чувствительном элементе, защиты от коррозии, возможности периодической поверки термометра. [c.231]

Тепловой контакт углеродных термометров гораздо меньше зависит от теплопроводности выводов, чем в случае германиевых термометров, поскольку теплопроводность углерода при низких температурах гораздо ниже, чем у германия. Поэтому следует обращать внимание на обеспечение хорошего тепло- [c.248]

Тепловой контакт. Цель работ, основанных на применении адиабатического размагничивания, состоит не только в изучении магнитных, тепловых и термодинамических свойств самих парамагнитных солей, но и в охлаждении с их помощью других материалов для исследования их свойств. В экспериментах такого рода соль представляет собой термостат, а часто также и термометр, и поэтому потребовалась разработка специальной методики для создания хорошего теплового контакта между солью и исследуемым веществом. Поскольку теплопередача осуществляется посредством тепловых колебаний решетки, можно ожидать, что эта задача по мере понижения температуры будет становиться все более и более сложной. [c.559]

Поэтому если определять температуру Т движущегося тела, например по ртутному термометру, находящемуся с телом в тепловом контакте, то при расположении такого термометра в направлении движения или перпендикулярно ему температура тела относительно системы К будет соответственно равна [c.150]

Какой будет относительная погрешность Д в показаниях термометра, если его поместить в защитную трубку из нержавеющей стали толщиной б,, = 1 мм, погруженную в поток на глубину I = 130 мм и расположенную под прямым углом к направлению движения воздуха. Теплопроводность нержавеющей стали равна 22,4 Вт/(м-К). Считать, что между защитной трубкой и термометром существует идеальный тепловой контакт. Все прочие условия совпадают с условиями задачи 15.21. [c.230]

По сравнению с другими терминами, встречающимися в термодинамике, термин тепло гораздо чаще употребляется в неверном смысле не только не слишком опытными людьми, но и многими учеными и инженерами. Довольно часто можно встретить такие выражения, как тепло, содержащееся в море , тепло, заключенное в нагретом теле и т. д., в то время как на самом деле речь идет не о количестве тепла, содержащемся в теле, а о количестве энергии. Как уже отмечалось в разд. 1.15.1, тепло есть способ передачи энергии, реализующийся лишь при наличии теплового взаимодействия. Нам потребуется дать строгое определение этому частному способу взаимодействия между системами, что и будет сделано в гл. 6, после того, как будут определены работа и затем энергия. До тех пор мы будем обращаться с термином тепло без его строгого определения, что достаточно для наших ближайших нужд. В связи с этим можно отметить, что если ртутный термометр привести в контакт с телом, ощущаемым нами как более теплое, то столбик термометра поднимется выше, чем при установлении контакта с более холодным телом. Высота ртутного столбика служит некоторым произвольным индикатором того, что мы называем температурой тела, причем для определенной таким способом температуры мы будем использовать обозначение 9. Позднее нам потребуется более точное и более научное определение этой характеристики тела. Такая потребность будет удовлетворена в гл. 11 путем введения термодинамической температуры, обозначаемой буквой Т. Тем не менее на каком-то отрезке мы будем пользоваться приведенным выше произвольным понятием о температуре. Следует отметить, что такой прибор, как ртутный термометр, в действительности лишь позволяет нам установить возможное существование разности температур между двумя телами, что будет выражаться в разных высотах ртутного столбика при последовательном приведении термометра в контакт с различными телами. Равенство высот ртутных столбиков говорит о равенстве температур, однако судить об абсолютной температуре тела по высоте столбика невозможно. [c.23]

Приводя два твердых тела в так называемый тепловой контакт , мы видим, что в процессе достижения взаимного равновесия более нагретое тело охлаждается, а более холодное нагревается. Если после этого ртутный термометр привести в контакт с каждым из тел по очереди, то высота ртутного столбика окажется одинаковой в обоих случаях. Мы говорим, что в этом [c.23]

При определении точки затвердевания металл должен охлаждаться так, чтобы чувствительный элемент термометра имел возможно лучший тепловой контакт с поверхностью раздела твердой и жидкой фаз металла и находился с нею в тепловом равновесии. Вскоре после начала кристаллизации должна появиться или твердая оболочка, сформировавшаяся на стенках тигля, или твердая корка вокруг колодца для термометра. Температура равновесия между твердым н жидким металлом слегка изменяется в зависимости от давления (см. табл. 3.5). [c.37]

В исследовательских лабораториях постоянно создают новые методы термометрии. Например, за последние 20-25 лет создан обширный класс волоконно-оптических датчиков температуры. Волоконно-оптические термометры, в которых оптическое волокно выполняет роль термочувствительного элемента, широко применяются для измерения температуры жидкостей и газов [1.7, 1.8]. Для термометрии твердых тел такие приборы чаш,е всего неприменимы из-за трудностей с обеспечением теплового контакта волокна (по всей его длине) с поверхностью. [c.9]

Чувствительный элемент термоэлектрического поверхностного термометра, тепловой контакт которого с контролируемой поверхностью осуществляется через тонкий тешто-проводяпий диск. [c.47]

Провода приведены в тепловой контакт с элементами 16 и 17. Терморегулирование осуществляется внешним электронным регулятором с помощью угольного сопротивления-нагревателя 19 и платинового термометра сопротивления 18. Теплостоком для [c.158]

Хотя теплопроводность платины относительно низка и диаметр проволоки выводов мал, необходимо принимать меры к тому, чтобы и термометр, и его выводы находились при одинаковой температуре. Сам термометр для улучшения теплового контакта обычно устанавливается плотно в отверстие, чаще со слоем вакуумной смазки (например, апиезон Ы). Идущие к термометрам медные провода на длине около 30 см обычно прикрепляются и приклеиваются к теплоотводу, находящемуся при той же номинальной температуре, что и термометр. [c.208]

Точные платиновые термометры сопротивления, предназначенные для измерения температур выше 100 °С, обычно имеют вид, показанный на рис. 5.13, и иногда называются стержневыми . Несмотря на свои многочисленные достоинства, капсульный термометр не годится для измерения высоких температур, поскольку сопротивление утечки между выводами в стеклянной головке становится слишком малым. Выводы высокотемпературного термометра изолируются друг от друга слюдой, кварцевыми или сапфировыми шайбами или трубочками. Собственно чувствительный элемент изготавливается обычно Из проволоки толщиной 0,07 мм, как и в капсульном термометре, и имеет сопротивление 25 Ом при 0°С. В типовых конструкциях [19—21] используется либо бифилярная намотка на слюдяную крестовину, либо спираль, помещенная в перевитые кварцевые трубочки, либо проволока в корундовых трубках (рис. 5.14). Во всех этих конструкциях стремятся свести к минимуму механические напряжения, чтобы проволока чувствительного элемента могла свободно расширяться и сжиматься при нагревании и охлаждении, не удерживаясь крепежными элементами. В тех конструкциях, где рроволока проходит близко к кожуху (рис. 5.14,а, в), тепловой контакт с окружающей средой лучше, а самонагрев меньше, чем в термометрах, где проволока заключена в дополнительную оболочку или проходит ближе к центру. [c.209]

Перенос тепла излучением может, разумеется, происходить и в противоположном направлении, повышая температуру чувствительного элемента, если на элемент попадает излучение какого-либо внешнего источника. Такая ситуация возникает, например, при измерении температуры прозрачной жидкости в комнате, освещаемой лампами накаливания. Следует помнить, что тепловой эффект измерительного тока в 1 мА эквивалентен выделению на чувствительном элементе мощности в 25 мкВт. Высокотемпературный источник теплового излучения, например лампа накаливания в 150 Вт на расстоянии 3 м от термометра, вполне может создавать в направлении термометра поток излучения до 20 Вт на стерадиан. Если между термометром и источником теплового излучения нет поглощающей среды, на термометр может попадать до 9 мкВт теплового излучения, что для некоторых типов термометров будет эквивалентно нагреванию на 1 мК. Выход из положения в этом случае состоит, например, в помещении термометра в непрозрачную трубку, заполненную легким маслом для улучшения теплового контакта со средой. Необходимо следить за тем, чтобы между применяемыми здесь материалами не [c.213]

Конструкция точных германиевых термометров сопротивления претерпела мало изменений с тех пор, как они были впервые разработаны Кунцлером и другими исследователями в 60-х годах [47, 48]. Легированный германий вырезается в форме мостика (рис. 5.34), к ножкам которого прикрепляются золотые проволочки, служащие токовыми и потенциальными выводами. Германий обладает выраженными пьезоэлектрическими свойствами, поэтому очень важно обеспечить крепление без механических напряжений. Обычно для крепления используются сами выводы. Элемент герметически запаивается в позолоченную капсулу, которая заполняется гелием для улучшения теплового контакта. Несмотря на наличие гелия, более двух третей тепла подводится к германиевому элементу через выводы. Это означает, что температура, показываемая термометром, больше зависит от температуры выводов, чем от температуры самой капсулы. Чрезвычайно важно учитывать это при конструировании низкотемпературных установок [50]. То же верно и для платиновых и железородиевых термометров, но в гораздо меньшей степени, поскольку для проволочного чув-ствительного элемента отношение площади поверхности к площади поперечного сечения гораздо больше, чем для германиевого элемента. Как и у других термометров сопротивления, эффект самонагрева измерительным током зависит от теплового контакта с окружающей средой. Если весь термометр погружен [c.236]

При использовании сплошных образцов наряду с трудностью, связанной с осуществлением теплового контакта менеду образцом, термометром и нагревателем, возникает другая трудность. Речь идет о скорости достижения равновесной температуры образца после нагрева, имеющего локальный характер. Время т, в течение которого устанавливается температура, является, очевидно, величиной порядка [c.328]

Термометры. При создании термометра можно исходить из любого физического свойства, меняющегося с температурой в нужном интервале, однако для исиользования такого термометра в калориметрии необходимо, чтобы это свойство удовлетворяло некоторым дополнительным условиям. Так, это зависящее от температуры свойство Т) должно измеряться с достаточной точностью, обладать хорошей воспроизводимостью (по крайней мере за время измерений) и иметь значительный температурный коэффициент (ih) d /dT). Теплоемкость термометра должна быть малой по сравнению с Собр. он должен легко приводиться в тепловой контакт с образцом, а также не вызывать значительных нежелательных потоков тепла между калориметром и окружающей средой. При самом измерении не должно происходить выделения большого количества тепла. Желательно также, хотя это и не всегда существенно, чтобы показания такого термометра не зависели от магнитного поля и чтобы они хорошо воспроизводились после отогрева и повторного охлаждения. [c.329]

Для исследований открылась совершенно новая область температур, и, поскольку методика работы в области температур, получаемых адиабатическим размагничиванием, сильно отличается от методики работы при более высоких температурах, встретились новые экспериментальные трудности. Криостат, заполненный ожиженным газом, обладает многими достоинства-Аш, Между жидкостью и погруженным в нее объектом исследования имеется хороший тепловой контакт распределение температуры достаточно однородно, причем степень однородности можно улучшить путем перемешивания температура может поддерживаться постоянной при желаемом значении путем ре] улировапия давления, при котором кипит жидкость. Паразитный приток тепла вызывает лишь испарение жидкости при постоянной температуре и, паконец, упругость пара жидкости представляет собой удобный вторичный термометр, который может быть прокалиброван сравнением с газовым термометром. Все эти преимущества при использовании парамагнитной соли в качестве охлаждающего вещества теряются. В последнем случае приток тепла приводит к повышению температуры, и, поскольку парамагнитная соль при более низких температурах обладает очень незначительной i еплопроводностью (см. п. 19), этотприток тепла может заметно нарушить однородность распределения температуры. По той же причине качество теплового контакта между солью и объектом исследования при более низких температурах вызывает сомнение. В области температур, достигаемых размагничиванием, определение термодинамической температуры само по себе становится серьезной задачей. [c.424]

Обычно в термометрии более высоких температур непосредственные измерения производятся на вторичном термометре . Таковым в основном служат вещества, обладающие свойствами, которые легко поддаются измерению и которые сильно зависят от температуры и однозначно ею определяются. Термометр эмипрически калибруется в соответствпи с абсолютной шкалой температур. Для измерений он приводится в тепловой контакт [c.438]

Стил и Хейн [258, 259] при исследоваиии угольных термометров и сверхпроводимости титана спрессовали хромо-калиевые квасцы (без связывающего вещества) с медной пластинкой В, укрепленной на латунном основании С, как показано на фиг. 97. Медный держатель образца Е привинчивался к С. Когда такой прибор первый раз был охлажден до температуры жидкого гелпя, тепловой контакт вел себя удовлетворительно. Однако оказалось, что контакт несколько ухудшается, если прибор был отогрет до комнатной температуры. Это ухудшение было нринисано отрыву соли от медной иластины, что, возможно, связано с различием в величине теплового расши-рения. Если для каждого гелиевого эксперимента используется новый блок соли, то результаты оказываются вполне воспроизводимыми. [c.565]

Эксперименты с Не и смесями Не п Не. Первые эксперименты, посвященные изучению теплоемкости Не , были проведены де-Врисом и Доунтом [277]. В их калориметре находилось 13 мм жидкого Не чистоты 96%. Тепловой контакт между калориметром ы парамагнитной солью осуществлялся прп помощи сверхпроводящего теплового ключа (см. п. 79), так что после размагничивания тепловой контакт мог быть разорван. Температура излгерялась угольными термометрами сопротивления (см. и. 74), проградуированными по восприимчивости соли. [c.575]

Фэрбенк II Уилкс [120] для исследования этого граничного сопротивления использовали прибор, изображенный на фиг. 65. Они добавили третий термометр Т. , который вместе с нагревателем был заключен внутри блока из очень чистой меди и находился с ним н хорошем тепловом контакте. При подводе большого количества тепла от нагревателя было обнаружено, что разность температур между Т. и становится много больше, чем между Тп и 7. Это означало, что большая часть теплового сопротивлеиня сосредоточена на границе раздела между медью и жидким гелием. Измеряя тепловой ноток через эту границу при данной разности температур А , они получили зависимость, приведенную на фиг. 67. Перепад температур в этих экспериментах менялся на порядок величины, причем ноток тепла оказывался ему пропорциональным. Величина потока тепла через границу оказалась пропорциональной 7 , причем никаких изменений этого закона при 0,6° К не было замечено. Поэтому Фэрбенк и Уилкс пришли к выводу, что процесс, рассмотренный Халатниковым, скорее ответствен за появление граничного сопротивления, чем переход сверхтекучей компоненты в нормальную. [c.849]

Для расчетов температурного поля и оценок погрешностей изыеренин температур и плотностей тепловых потоков на облучаемой поверхности термоэлектрического калориметра необходимо решение одномерной (по х. ) линейной краевой задачи теплопроводности для неограниченной пластины (контактного слоя), находящейся в идеальном тепловой контакте (граничные условия четвертого рода) с полуограниченньш телом (телом калориметра). Для времен 10 сек и непропускающего излучение контактного слоя поглощение можно считать поверхностным, чему соответствуют граничные условия второго рода на облучаемой поверхности. Для времен 10 сек следует учитывать закон поглощения излучения и пользоваться внутренним источником тепла в контактном сдое (см. 5.3). Если же контактный слой пропускает излучение, то задача теплопроводности должна решаться с учетом источников тепла в контактном слое и в теле калориметра. Однако, по данным [Юз,lto], подобные слои очень ТОНКИ и обладают значительным электрическим сопротивлением (порядка сотен ом), что делает их пригодными, главным образом, в качестве термометров сопротивления. [c.686]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...