Termometriya

Termometriya — amaliy fizika va metrologiyaning bir boʻlimi boʻlib, haroratni oʻlchash usullari va vositalarini ishlab chiqishga bagʻishlangan. Termometriyaning vazifasi quyidagilarni oʻz ichiga oladi: harorat oʻlchovlarini oʻrnatish, standartlarni yaratish, haroratni oʻlchash uchun asboblarni darajalash va kalibrlash usullarini ishlab chiqish.

Tarixi

Haroratni toʻgʻridan-toʻgʻri oʻlchash mumkin emas. Shu munosabat bilan, termometriya oʻz rivojlanishida harorat oʻlchovlarining birligiga erishish uchun uzoq va qiyin yoʻlni bosib oʻtdi. Qadim zamonlardan beri inson sezgilari yordamida haroratni sifatli baholash usuli maʼlum. Shuning uchun qaynoq, issiq, sovuq tushunchalari mavjud. Tabiat hodisalarini sezgi orqali idrok etish asosida quyidagi tushunchalar paydo boʻldi: qishki sovuq, yozgi issiqlik, kechki salqinlik, qizil va oq issiqlik, issiqlik (kasallik paytida koʻtarilgan tana haroratiga nisbatan).

Oʻrta asrlarda quyidagi tajriba qayta-qayta tasvirlangan, unda bir qoʻlni issiq suvda, ikkinchisini sovuq suvda ushlab turish va keyin ikkala qoʻlni iliq suvga botirish taklif qilingan. Natijada, birinchi qoʻl iliq suvni sovuq, ikkinchisi esa issiq deb his qildi. Organizmning tana haroratining oʻzgarishiga yuqori sezuvchanligiga qaramay ($0{,}1\,\mathrm {K}$ gacha) bizning hislarimiz bilan haroratni miqdoriy oʻlchash, hatto juda tor diapazonda ham mumkin emas.

Kognitiv va amaliy maqsadlarda haroratni oʻlchash zarurati XVI asrning oʻrtalarida paydo boʻlgan. Bunday oʻlchovlar uchun kuzatuvlardan maʼlum boʻlgan baʼzi parametrlarning haroratga funktsional bogʻliqligini qoʻllash kerak edi. Havoning qizdirilganda kengayish qobiliyati I asrda Iskandariyalik Heron tomonidan maʼlum boʻlgan. Bu bilan u olov nima uchun koʻtarilishini tushuntirdi. 1597 yilda Galiley haroratni oʻrganish uchun termoskopni taklif qildi. U rangli suyuqlik solingangan ingichka naycha bilan bogʻlangan havo bilan toʻldirilgan shisha idishdan iborat. Haroratning oʻzgarishi rangli suyuqlik joyining oʻzgarishiga olib kelishi mumkin. Bunday termometrlarning muhim kamchiliklari ularning koʻrsatkichlarining atmosfera bosimiga bogʻliqligi edi. Zamonaviy suyuq shisha termometrlarga oʻxshash termometrning dizayni Galileyning shogirdi, Toskana gertsogi Ferdinand ll nomi bilan bogʻliq. Termometr vertikal ravishda joylashgan koʻrsatuvchi kapillyarga ega spirt bilan toʻldirilgan kavsharlangan shisha idish edi. Daraja boʻlinmalari emal tomchilari bilan toʻgʻridan-toʻgʻri kapillyar naychaga tushirilgan.

Termometriyaning metrologik asosi Padualik shifokor Santorio tomonidan qoʻyilgan. Galileyning termoskopidan foydalanib, u qor yogʻishi paytidagi haroratga va eng issiq kundagi haroratga mos keladigan ikkita mutlaq nuqtani kiritdi va barcha Florentsiya termometrlari namunali Sankorian-Galiley asbobiga muvofiq kalibrlangan tekshirish tizimini tartibga soldi. 18-asrning boshlarida termometrik shkalani bir nechta oson va ishonchli takrorlanadigan nuqtalarga bogʻlash boʻyicha bir qator takliflar ilgari surildi, keyinchalik ular „mos yozuvlar nuqtalari“ deb nomlandi.

Harorat oʻlchovlarini ishlab chiqishda muhim rol Farengeytga tegishli. U birinchi boʻlib simobni termometrik jism sifatida ishlatgan va takrorlanadigan harorat shkalasini yaratgan. Farengeyt shkalasida qorning ammiak bilan aralashmasining harorati nolga teng, ikkinchi nuqta esa sogʻlom odamning tana haroratiga toʻgʻri keldi. Oʻlchovning oxirgi versiyasida muzning erish harorati 32 daraja, inson tanasining harorati 96 daraja va dastlab olingan qiymat boʻlgan suvning qaynash nuqtasi 212 daraja. Muvaffaqiyatli tadbirkor boʻlgan Farengeyt birinchi marta termometrlarni ommaviy ishlab chiqarishni yoʻlga qoʻyishga muvaffaq boʻldi. Farengeyt shkalasi hali ham AQShda texnik va maishiy haroratni oʻlchash uchun ishlatiladi.

1742 — yilda shved matematigi va geodeziyachisi Selsiy muzning erish nuqtalari va suvning qaynash nuqtasi orasidagi diapazonni simob termometrida 100 ta teng qismga boʻlishni taklif qildi. Shkalaning birinchi variantida suvning qaynash nuqtasi 0 daraja, muzning erish nuqtasi esa 100 daraja deb qabul qilingan. 1750 — yilda bu oʻlchovni Selsiyning talabalaridan biri Strimmer " teskarisiga " oʻzgartirgan. 20-asr boshlariga qadar 1730 — yilda fransuz zoologi va fizigi Reaumur tomonidan taklif qilingan Reaumur shkalasi ham keng tarqalgan edi. Reaumur termometrik jism sifatida etil spirtining 80% li eritmasidan foydalangan. Reaumur shkalasining bir darajasi, xuddi Florentsiya termometri kabi, suyuqlik hajmining mingdan biriga oʻzgarishiga toʻgʻri keldi. Muzning erish nuqtasi boshlangʻich nuqtasi sifatida qabul qilindi va suvning qaynash nuqtasi 80 daraja edi.

1848 yilda Tomson (Kelvin) mutlaq termodinamik shkalani taklif qildi, u empirik shkalalardan farqli oʻlaroq, termometrik jismning xususiyatlariga bogʻliq emas . Batafsil: Termodinamik harorat .

Haroratni oʻlchashning fizik asoslari

Yuqorida aytib oʻtilganidek, haroratni bevosita oʻlchash mumkin emas. Uning oʻzgarishi jismlarning boshqa xususiyatlarining oʻzgarishi, masalan, hajm, bosim, elektr qarshiligi, termo-EYuK, nurlanish intensivligi va boshqalar bilan baholanadi. maʼlum qonuniyatlar bilan harorat bilan bogʻliq. Shuning uchun haroratni oʻlchash usullari asosan yuqoridagi termometrik xususiyatlarni oʻlchash usullaridir. Muayyan usul yoki qurilmani ishlab chiqishda, tegishli xususiyat yaxshi takrorlanadigan va harorat bilan juda sezilarli darajada oʻzgarib turadigan termometrik jismni tanlash kerak. Jismning termometrik xususiyati haroratga bogʻliqligi monoton va sezilarli gisterizisga ega boʻlmagan xususiyatdir, bu esa haroratni oʻlchash uchun foydalanish imkonini beradi.

Haroratni oʻlchash uchun, shuningdek, tanlangan darajadan uning qiymatlari oʻlchanadigan oʻlchov birligi va shkala boʻlishi kerak. Empirik harorat shkalasini yaratish printsipi harorat qiymatlari tayinlangan ikkita $t_{1}$ va $t_{2}$ asosiy oson takrorlanadigan mos yozuvlar nuqtasini tanlashdan iborat. Ushbu qiymatlar orasidagi harorat oraligʻi teng miqdordagi $N$ ta qismlarga boʻlinadi va $1/N$ qismi harorat birligi sifatida qabul qilinadi. Keyinchalik, $E$ ─ termometrik kattalikning fizik xossasi tanlanadi. Masalan, suyuqlik hajmi, gaz bosimi, elektr qarshiligi, termo-EYuK va boshqalar. Bular shartli ravishda haroratga chiziqli bogʻliq deb hisoblanadi. Bundan quyidagi tenglama kelib chiqadi

$dt=kdE,$

Bu yerda $k$ ─ proportsionallik (mutanosiblik) koeffitsienti. Integral shaklda ─

$t=kE+C.$

$k$ va $C$ konstantalarni aniqlash uchun yuqoridagi $t_{1}$ va $t_{2}$ haroratlardan foydalanamiz . Oʻzgartirishlardan keyin integral tenglama shaklni oladi

$t=t_{1}+{\frac {t_{2}-t_{1}}{E_{2}-E_{1}}}(E-E_{1}).$

Oxirgi ifoda masshtab tenglamasi deb ataladi. U bilan, $E$ oʻlchangan qiymatlarga koʻra $t$ harorat qiymatlarini topiladi .

1954- yilgacha harorat shkalasi ikkita turgʻun nuqtaga asoslangan edi: muz erishining normal nuqtasi $t_{1}$ va suvning normal qaynash nuqtasi $t_{2}$ . Eksperimental tadqiqotlar shuni koʻrsatdiki, suvning uch holat nuqtasi muzning erish nuqtalari va suvning qaynash nuqtalariga qaraganda yaxshiroq takrorlanadi. Shu munosabat bilan, bitta mos yozuvlar nuqtasi — suvning uch holat nuqtasiga asoslangan harorat shkalasini yaratish boʻyicha xalqaro shartnoma qabul qilindi. Mutlaq termodinamik harorat shkalasi (Kelvin shkalasi) deb ataladigan boʻlsak, taʼrifga koʻra, bu nuqtaning harorati aynan $273{,}16\,\mathrm {K}$deb taxmin qilinadi. . Uch nuqta haroratining raqamli qiymati muz va qaynoq suvning normal erish nuqtalari orasidagi interval $100\,\mathrm {K}$ iloji boricha aniqroq boʻlishi uchun ideal gaz termometridan foydalaniladi .

Tajribalar shuni koʻrsatadiki, tabiatda fizik xossalari haroratga qatʼiy chiziqli bogʻliq boʻlgan moddalar yoʻq. $k$ koeffitsientning oʻzi haroratning funktsiyasidir. Asosiy $t_{1}$ va $t_{2}$ nuqtalarda bir-biriga toʻgʻri keladigan turli xil harorat xususiyatlariga asoslangan harorat shkalalari belgilangan harorat oraligʻida ham, undan tashqarida ham harorat qiymatlarida nomuvofiqliklarni beradi. Yuqorida aytib oʻtilgan nomuvofiqlikka qoʻshimcha ravishda, empirik harorat shkalalarining kamchiliklari termometrik jismlarning mumkin boʻlgan haroratlarning barcha diapazonida ishlashi mumkin emasligi bilan bogʻliq boʻlgan ularning uzluksizligining yetishmasligini oʻz ichiga oladi.

Termometrlar

Termometr (yunoncha thérme ─ issiqlik va metréo ─ oʻlchayman) — haroratni oʻlchaydigan qurilma.

Oʻlchov texnikasiga qarab, termometrlar ikkita asosiy guruhga boʻlinadi:

1. Kontaktli termometrlar, sezgir elementlari (datchiklari) oʻlchangan ob’ekt bilan bevosita aloqa qiladi (tegib turadi);

2. Ob’ektning integral issiqlik yoki optik nurlanishining intensivligini masofadan oʻlchaydigan kontaktsiz termometrlar;

3. Maxsus termometrlar. Ular ultra past haroratlarni oʻlchash uchun ishlatiladi.

Ishlash printsipiga koʻra kontaktli qurilmalar va usullari quyidagilarga boʻlinadi:

a) harorat oʻzgarishi bilan suyuqlik yoki gaz hajmining oʻzgarishini oʻlchaydigan hajmli (volyumometrik, imglizcha — volume) kontaktli termometrlar;

b) Dilatometrik termometrlar, ularda harorat harorat oʻzgarishi bilan har xil qattiq jismlarning chiziqli kengayishi bilan baholanadi. Baʼzi hollarda datchigi chiziqli kengayishning turli koeffitsientlariga ega boʻlgan ikkita metalldan tayyorlangan bimetalik plastinka boʻlib, u qizdirilganda yoki sovutilganda egiladi;

c) Termoelektrik termometrlar, ularning datchiklari termojuftlar boʻlib, ular uchlari elektr payvandlangan ikkita turli oʻtkazgichlardir. Termojuftdagi birikmalar orasidagi harorat farqi mavjud boʻlganda, termo-e.yu.k paydo boʻladi. Harorat termo-e.yu.k qiymati yoki termojuft zanjiriidagi tok qiymati bilan oʻlchanadi;

d) Qarshilik termometrlari ─ ishlash printsipi haroratning oʻzgarishi bilan oʻtkazgich yoki yarimoʻtkazgichli asbob (termistor) qarshiligining oʻzgarishiga asoslangan.

Kontaktsiz usullar va qurilmalarga quyidagilar kiradi:

a) Radiometriya (radiometrlar) ─ jismning oʻz termal nurlanishi bilan haroratni oʻlchash. Past va xona harorati uchun bu nurlanish infraqizil toʻlqin uzunligi sohasida.

b) Termal tasvirlash (termik tasvirlar) — fazoviy oʻlchamlari va harorat maydonini televizor tasviriga aylantirish bilan, baʼzan rang kontrasti bilan radiometrik haroratni oʻlchash. Harorat gradientlarini, yopiq joylarda muhit haroratini, masalan quvurlardagi suyuqliklarning haroratini oʻlchash imkonini beradi.

v) Pirometriya (pirometrlar) — oʻz-oʻzidan yorugʻlik beruvchi jismlarning yuqori haroratlarini oʻlchash: olov, plazma, astrofizik ob’ektlar. Yorqinlik standarti (yorqinlik pirometri va yorqinlik harorati) bilan ob’ektning yorqinligini taqqoslash printsipi qoʻllanadi; yoki standart rangi bilan ob’ektning rangi (rang pirometri va rang harorati); yoki standart nurlantirgich tomonidan chiqariladigan energiya bilan ob’ekt tomonidan chiqarilgan issiqlik energiyasini taqqoslash orqali (radiatsiya pirometri va radiatsiya harorati).

Termometriya asos boʻlgan asosiy tenglamalar

1. Klapeyron gaz holati tenglamasi . Bu tenglama ideal gaz harorat shkalasini yaratish uchun ishlatiladi.

$pV={\frac {m}{M}}RT.$

2. Suyuqliklar va gazlar hajmining haroratga chiziqli bogʻliqligini ifodalovchi issiqlik kengayish tenglamasi haroratlarni oʻlchashning hajmli usulining asosidir.

$V_{t}=V_{0}(1+\alpha _{0}t).$

3. Haroratga bogʻliq boʻlgan qattiq jismlarning termal chiziqli kengayish tenglamalari haroratni oʻlchashning dilatometrik usuli asosida yotadi.

$L_{t}=L_{0}(1+\beta t).$

4. Qarshilik termometrlari oʻtkazgichlar qarshiligining haroratga chiziqli bogʻliqligi tenglamasiga asoslanadi.

$R_{t}=R_{0}(1+\gamma t).$

5. Termal nurlanish va haroratning umumiy energiyasini funktsional bogʻliqlik bilan bogʻlaydigan Stefan-Boltzman qonuni haroratni oʻlchashning kontaktsiz usullari asosida yotadi.

$F=\sigma T^{4},$

Bu yerda $F$ — absolyut qora jismning integral nurlanishi , $\sigma$ — Stefan-Boltsman doimiysi.

Magnit termometriya

1 K dan past haroratlarni oʻlchash uchun paramagnetning magnit sezgirligining haroratga bogʻliqligidan foydalaniladi (Kyuri qonuni). Magnit sezuvchanlikning oʻlchangan qiymati termodinamik haroratdan Kyuri qonunidan chetlanish darajasiga qarab bir miqdor bilan farq qiluvchi magnit haroratni topish uchun ishlatiladi.

GOST 8.157-75 „Amaliy harorat shkalasi“ seriy -magniy nitrat termometrining magnit sezgirligining haroratga bogʻliqligiga asoslangan 0,01 dan 0,8 K gacha boʻlgan haroratlar uchun shkalani oʻrnatadi .

Adabiyot

• Базаров И. П.. Термодинамика. М.: Высшая школа, 1991. ISBN 5-06-000626-3. 
• Белоконь Н. И.. Основные принципы термодинамики. М.: Недра, 1968. 
• Різак В.,Різак І., Рудавський Е.. Кріогенна фізика і техніка. К.: Наукова думка, 2006. ISBN ISBN 966-87641-4-5. 
• Сивухин Д. В.. Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Физматлит, 2005. ISBN 5-9221-0601-5. 
• Козлов М. Г.. Метрология и стандартизация. Учебник. М., СПб: Петербургский ин-т печати, 2001. 
• Иванова Г. М., Кузнецов Н. Д., Чистяков В. С.. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергоатомиздат, 1984. 
• Трайбус М.. Термостатика и термодинамика. М: Энергия, 1970. 
• Физика. Большой энциклопедический словарь. М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. ISBN 5-85270-306-0. 
• Aslanyan A. M., Aslanyan I. Yu., Maslennikova Yu. S., Minaxmetova R. N., Soroka S. V., Nikitin R. S., Kantyukov R. R. Diagnostika zakolonnix peretokov gaza kompleksom visokotochnoy termometrii, spektralnoy shumometrii i impulsnogo neytron-neytronnogo karotaja // Territoriya „NYeFTYeGAZ“. 2016. № 6. S. 52-59. (Wayback Machine saytida 2016-08-11 sanasida arxivlangan)