Термоме́трия — раздел прикладной физики и метрологии , посвящённый разработке методов и средств измерения температуры . В задачу термометрии входят: установление температурных шкал , создание эталонов, разработка методик градуировки и калибровки приборов для измерения температуры .

История

Температура не может быть измерена непосредственно. В связи с этим термометрия в своём развитии прошла долгий и сложный путь для достижения единства температурных измерений. С давних времён известен метод качественной оценки температуры с помощью осязательных ощущений. Отсюда возникли понятия: горячий, тёплый, холодный. На основе чувственного восприятия природных явлений появились понятия: зимний холод, летняя жара, вечерняя прохлада, красное и белое каление, жар (в отношении повышенной температуры тела при заболевании).

В средних веках неоднократно был описан опыт, в котором предлагалось подержать одну руку в горячей воде, а другую ─ в холодной, после чего погрузить обе руки в смешанную воду. В результате первая рука ощущала смешанную воду как холодную, а вторая ─ как тёплую. Несмотря на высокую чувствительность организма к изменению температуры тела (до ${\displaystyle 0{,}1\,\mathrm {K} }$ ) количественное измерение температуры с помощью наших ощущений невозможно, даже в очень узком диапазоне.

Потребность в измерении температуры в познавательных и прикладных целях возникла в середине XVI столетия. Для таких измерений необходимо было воспользоваться функциональной зависимостью от температуры какого-нибудь, известного из наблюдений, параметра. Способность воздуха расширяться при нагревании была известна ещё в l веке Герону Александрийскому . Этим он объяснял почему огонь поднимается вверх. В 1597 г. Галилей предложил для температурных исследований термоскоп, который состоял из заполненного воздухом стеклянного баллончика, соединённого тонкой трубкой с сосудом, заполненным окрашенной жидкостью. Изменение температуры баллончика вызывало изменение уровня окрашенной жидкости. Существенным недостатком таких термометров была зависимость их показаний от атмосферного давления. Конструкцию термометра, подобного современным жидкостным стеклянным термометрам, связывают с именем ученика Галилея герцога тосканского Фердинанта ll. Термометр представлял собой заполненный спиртом запаянный стеклянный сосуд с вертикально расположенным указательным капилляром. Деления градусов были нанесены эмалевыми капельками непосредственно на трубку капилляра.

Метрологическая основа термометрии была заложена падуанским врачом Санторио . Используя термоскоп Галилея он ввёл две абсолютные точки, которые отвечали температуре при снегопаде и температуре в самый жаркий день, и регламентировал систему проверки, по которой все флорентийские термометры градуировались по образцовому санкорианско-галилеевскому прибору. В начале XVIII столетия был выдвинут ряд предложений, касающихся привязки термометрической шкалы к нескольким легко и надёжно воспроизводимым точкам, которые в дальнейшем получили название «реперных».

Значительная роль в становлении температурных измерений принадлежит Фаренгейту . Он впервые применил ртуть в качестве термометрического тела и создал воспроизводимую температурную шкалу. В шкале Фаренгейта за нуль принята температура смеси снега с нашатырём, а вторая точка соответствовала температуре тела здорового человека. Температура таяния льда в окончательном варианте шкалы составляет 32 градуса, температура тела человека ─ 96 градусов, а температура кипения воды, которая вначале была производной величиной, равна 212-ти градусам. Фаренгейту, который также был успешным предпринимателем, удалось впервые наладить серийное производство унифицированных термометров. Шкала Фаренгейта до сих пор используется в США для технических и бытовых измерений температуры.

В 1742 г. шведский математик и геодезист Цельсий предложил разбить в ртутном термометре диапазон между точками таяния льда и кипения воды на 100 равных частей. В первом варианте шкалы за 0 градусов была принята точка кипения воды, а за 100 градусов ─ точка плавления льда. В 1750 г. эта шкала была « обращена » одним из учеников Цельсия Стреммером. До начала XX века была также распространена шкала Реомюра , предложенная в 1730 г. французским зоологом и физиком Реомюром . Реомюр использовал в качестве термометрического тела 80 % раствор этилового спирта. Один градус шкалы Реомюра, как и у флорентийского термометра соответствовал изменению объёма жидкости на одну тысячную часть. За начало отсчёта была принята точка таяния льда, а температура кипения воды равнялась 80 градусам.

В 1848 г. Томсон (Кельвин) предложил абсолютную термодинамическую шкалу, которая в отличие от эмпирических шкал не зависит от свойств термометрического тела. Подробнее: Термодинамическая температура .

Физические основы измерения температуры

Как было упомянуто выше, непосредственно температуру измерить невозможно. Об её изменениях судят по изменению других свойств тел, таких как объём, давление, электрическое сопротивление, термо-ЭДС, интенсивность излучения и т. п., которые связаны с температурой определёнными закономерностями. Поэтому методы измерения температуры по сути являются методами измерения вышеуказанных термометрических свойств. При разработке конкретного метода или прибора необходимо выбрать термометрическое тело, у которого соответствующее свойство хорошо воспроизводится и весьма существенно изменяется с температурой. Термометрическое свойство тела ─ это такое свойство, зависимость которого от температуры является монотонным и не имеет ощутимого гистерезиса, что даёт возможность использования его для измерения температуры.

Для измерения температуры необходимо также иметь единицу измерения и шкалу, по которой отсчитываются её значения от выбранного уровня. Принцип построения эмпирической температурной шкалы состоит в выборе двух основных легко воспроизводимых реперных точек, которым приписывают произвольные значения температуры ${\displaystyle t_{1}}$ и ${\displaystyle t_{2}}$ . Температурный диапазон между этими значениями делят на равное число частей ${\displaystyle N}$ и часть ${\displaystyle 1/N}$ принимают за единицу измерения температуры. Далее выбирают физическое свойство ─ термометрическую величину ${\displaystyle E}$ , например, объём жидкости, давление газа, электрическое сопротивление, термо-ЭДС и т. д., которую условно полагают линейно зависящей от температуры. Отсюда следует уравнение

${\displaystyle dt=kdE,}$

где ${\displaystyle k}$ ─ коэффициент пропорциональности. В интегральной форме ─

${\displaystyle t=kE+C.}$

Для определения постоянных ${\displaystyle k}$ и ${\displaystyle C}$ используем вышеуказанные температуры ${\displaystyle t_{1}}$ и ${\displaystyle t_{2}}$ . После преобразования интегральное уравнение приобретает вид

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

Последнее выражение получило название уравнение шкалы . С его помощью по измеренным значениям ${\displaystyle E}$ находят значения температуры ${\displaystyle t}$ . .

До 1954 г. температурная шкала строилась по двум реперным точкам: нормальной точки таяния льда ${\displaystyle t_{1}}$ и нормальной точки кипения воды ${\displaystyle t_{2}}$ . Экспериментальные исследования показали, что тройная точка воды имеет лучшую воспроизводимость, чем точки таяния льда и кипения воды. В связи с этим было принято международное соглашение строить температурную шкалу по одной реперной точке ─ тройной точке воды. В так называемой абсолютной термодинамической шкале температур (шкале Кельвина) принимается, по определению, что температура этой точки равна точно ${\displaystyle 273{,}16\,\mathrm {K} }$ . Численное значение температуры тройной точки выбрано таким образом, чтобы промежуток между нормальными точками таяния льда и кипения воды максимально точно равнялся ${\displaystyle 100\,\mathrm {K} }$ , если использовать идеально-газовый термометр.

Опыты показывают, что в природе не существует веществ, физические свойства которых строго линейно зависят от температуры. Коэффициент ${\displaystyle k}$ сам является функцией температуры. Шкалы температур, построенные на разных температурных свойствах, совпадая в основных точках ${\displaystyle t_{1}}$ и ${\displaystyle t_{2}}$ дают расхождения в значениях температур как внутри указанного промежутка температур, так и за его пределами. Кроме упомянутого расхождения, к недостаткам эмпирических температурных шкал относится отсутствие их непрерывности, связанной с невозможностью термометрических тел работать во всём диапазоне возможных температур.

Термометры

Термометр (от греч. thérme ─ тепло и metréo ─ измеряю) ─ прибор для измерения температуры.

В зависимости от методики измерений термометры подразделяются на две основные группы:

1. Контактные термометры, чувствительные элементы (датчики) которых вступают в непосредственный контакт с измеряемым объектом;

2. Неконтактные термометры, которые измеряют дистанционно интенсивность интегрального теплового или оптического излучения объекта;

3.Особую группу составляют специальные термометры, которые используют для измерения сверхнизких температур.

Контактные приборы и методы по принципу действия делятся на:

а) термометры контактные волюметрические, в которых измеряется изменение объёма (volume) жидкости или газа с изменением температуры;

б) Термометры диламетрические, в которых о температуре судят по линейному расширению различных твёрдых веществ при изменении температуры. В ряде случаев датчиком служит биметаллическая пластина, изготовленная из двух металлов с различными коэффициентами линейного расширения, которая изгибается при нагревании или охлаждении;

в) Термометры термоэлектрические, датчики которых ─ термопары, представляющие собой спаянные по концам два разнородных проводника. При наличии разности температур спаев в термопаре возникает термо-ЭДС. Температура измеряется по величине термо-ЭДС, либо по величине тока в цепи термопары;

г) Термометры сопротивления ─ принцип действия которых основан на изменении сопротивления проводника или полупроводникового прибора (термистера) с изменением температуры.

К неконтактным методам и приборам относятся:

а) Радиометрия (радиометры) ─ измерение температуры по собственному тепловому излучению тел. Для невысоких и комнатных температур это излучение в диапазоне инфракрасного диапазона волн.

б) Тепловидение (тепловизоры) ─ радиометрическое измерение температуры с пространственной разрешающей способностью и с превращением температурного поля в телевизионное изображение, иногда с цветовым контрастом. Позволяет измерять градиенты температуры, температуру среды в замкнутых пространствах, например, температуру жидкостей в резервуарах и трубах.

в) Пирометрия (пирометры) ─ измерение высоких температур самосветящихся объектов: пламени, плазмы, астрофизических объектов. Используется принцип сравнения либо яркости объекта с стандартом яркости (яркостный пирометр и яркостная температура); либо цвета объекта с цветом стандарта (цветовой пирометр и цветовая температура); либо тепловой энергии, излучаемой объектом, с энергией, испускаемой стандартным излучателем (радиационный пирометр и радиационная температура).

Основные уравнения, на которых базируется термометрия

1. Уравнение газового состояния Клапейрона . Это уравнение используется для построения идеально-газовой температурной шкалы.

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

2. Уравнение теплового расширения объёма жидкостей и газов, линейно зависящего от температуры, является основой волюметрического метода измерения температур.

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

3. Уравнения теплового линейного расширения твёрдых тел от температуры лежит в основе дилатометрического метода измерения температур.

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

4. На уравнении линейной зависимости сопротивления проводников от температуры основаны термометры сопротивления.

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

5. Закон Стефана ─ Больцмана , который связывает функциональной зависимостью полную энергию теплового излучения и температуру, лежит в основе неконтактных методов измерения температуры.

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

где ${\displaystyle F}$ — интегральная излучательная способность абсолютно чёрного тела, ${\displaystyle \sigma }$ ─ постоянная Стефана—Больцмана.

Магнитная термометрия

Для измерения температур ниже 1 К используют факт зависимости магнитной восприимчивости парамагнетика от температуры ( закон Кюри ). По измеренному значению магнитной восприимчивости находят магнитную температуру , которая отличается от термодинамической температуры на величину, зависящую от степени отклонения от закона Кюри.

ГОСТ 8.157-75 «Шкалы температурные практические» устанавливает для температур от 0,01 до 0,8 К шкалу, основанную на температурной зависимости магнитной восприимчивости термометра из церий-магниевого нитрата .

Примечания

Литература

• Базаров И. П. Термодинамика. — М. : Высшая школа, 1991. — 376 с. — ISBN 5-06-000626-3 .
• Белоконь Н. И. Основные принципы термодинамики. — М. : Недра, 1968. — 112 с.
• Різак В.,Різак І., Рудавський Е. Кріогенна фізика і техніка. — К. : Наукова думка, 2006. — 512 с. — ISBN ISBN 966-87641-4-5 .
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — М. : Физматлит, 2005. — 544 с. — ISBN 5-9221-0601-5 .
• Козлов М. Г. Метрология и стандартизация. Учебник. — М., СПб: Петербургский ин-т печати, 2001. — 372 с.
• Иванова Г. М., Кузнецов Н. Д., Чистяков В. С. Теплотехнические измерения и приборы. — М. : Энергоатомиздат, 1984. — 232 с.
• Трайбус М. Термостатика и термодинамика / Пер. с англ.. — М. : Энергия, 1970. — 504 с.
• Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров . — М. : Большая Российская энциклопедия , 1998. — 944 с. — ISBN 5-85270-306-0 .