Какие температурные шкалы применяют для измерения температуры. Смотреть что такое "температурные шкалы" в других словарях
Измерение теплоэнергетических величин
Одной из важнейших теплоэнергетических величин является температура. Температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела или его теплоэнергетический потенциал. Практически все технологические процессы и различные свойства вещества зависят от температуры.
Кельвин предложил другое решение: это был не объем вещества, который был бы аннулирован при этой температуре, а кинетическая энергия его молекул. Он предположил тогда, что температура должна быть как можно ниже и называется «абсолютным нулем». Затем была создана новая шкала, основанная на градусах по Цельсию.
Эта абсолютная шкала позднее была переименована в Кельвина, а ее подразделение обозначалось как «градусы Кельвина». Поскольку шкала Ранкина имеет тот же размер, что и шкала Фаренгейта, точка замерзания воды и точка кипения соответствуют соответственно 67 ° Ра и 67 ° Ра. Эта шкала позже была переименована в Ранкин и ее подразделение, обозначенное как «ранг Ранкина».
В отличие от таких физических величин, как масса, длина и т.п., температура является не экстенсивной (параметрической), а интенсивной (активной) величиной. Если гомогенное тело разделить пополам, то его масса также делится пополам. Температура, являясь интенсивной величиной, таким свойством аддитивности не обладает, т.е. для системы, находящейся в термическом равновесии, любая часть системы имеет одинаковую температуру. Поэтому не представляется возможным создание эталона температуры, подобно тому, как создаются эталоны экстенсивных величин.
Температура в настоящее время
Создание различных шкал привело к необходимости определять кривые датчиков и их точек калибровки. В настоящее время наиболее часто используемыми весами являются Цельсий и Фаренгейт. Кевин и Ранкин больше используют ученые и инженеры. Что касается других, они ушли в небытие.
Рисунок 1 - Сравнение температурных шкал. В этой эволюции преобразователи температуры очень важны в области автоматизации и управления технологическими процессами. Вместе с большим количеством датчиков они способствуют постоянному улучшению процессов и конечного качества продуктов. Мы увидим более подробную информацию об этой важной команде.
Измерить температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. Эти свойства тел называют термометрическими. К ним относятся длина, плотность, объем, термоэ.д.с., электросопротивление и т.д. Вещества, характеризующиеся термометрическими свойствами, называю термометрическими. Средство измерения температуры называют термометром. Для создания термометра необходимо иметь температурную шкалу.
Рынок и интеллектуальные датчики температуры
Анализ рынка показывает, что существует 3 линии температурных датчиков, связанных с применением и стоимостным коэффициентом. Интеллектуальный передатчик смешивает сенсорную технологию с собственной электроникой. Взрывозащищенные и защищенные от атмосферных воздействий передатчики. . Обычно используемые в критических приложениях с высокой и средней производительностью, эти передатчики имеют двухсекционный корпус, разделяющий электронику и датчики, обеспечивающие надежность, безопасность и надежность, а также местный индикатор, соответствие датчиков, автодиагностику, цифровую связь, местную настройку, для использования с самые разнообразные датчики в одиночных, двойных и дифференциальных измерениях, резервное копирование датчиков и т.д.
Температурной шкалой называют конкретную функциональную числовую связь температуры со значениями измеряемого термометрического свойства. В этой связи представляется возможным построение температурных шкал на основе выбора любого термометрического свойства. В тоже время нет ни обного термометрического свойства, которое линейно связано с изменением температуры и не зависит от других факторов в широком интервале измерения температур.
Его основным приложением является мониторинг, позволяющий легко устанавливать, бесчисленные варианты в закрытых средах и подключение к датчикам, высокая гибкость установки и обслуживания обеспечивают безопасность и надежность. Кроме того, они имеют автоматическую диагностику, согласование датчиков, цифровую связь и используются с самыми разнообразными датчиками в измерениях с одним, двойным, максимальным, минимальным, средним, дифференциальным и т.д.
Устьевые передатчики. . Его основным приложением является головной узел, позволяющий легко устанавливать и устанавливать соединения с датчиками, обеспечивать высокую гибкость установки и обслуживания, обеспечивая безопасность и надежность. Они также имеют самодиагностику, согласование датчиков, цифровую связь и используются с различными типами датчиков в одиночных, двойных, максимальных, минимальных, средних, дифференциальных и т.д. измерениях.
Первые температурные шкалы появились в XVIII веке. Для построения их выбирались две опорные (реперные) точки t 1 и t 2 , представляющие собой температуры фазового равновесия чистых веществ. Разность температур t 2 - t 1 называют основным температурным интервалом. Немецкий физик Габриель Даниель Фаренгейт (1715 г.), шведский физик Андерс Цельсий (1742 г.) и французский физик Рене Антуан Реомюр (1776 г.) при построении шкал основывались на допущении линейной связи между температурой t и термометрическим свойством, в качестве которого использовали расширение объема жидкости V , т.е.
Что нового в измерениях температуры
Этот передатчик имеет следующие характеристики. Низкие затраты на обслуживание Дистанционная самодиагностика Единственная резервная модель для существования: один передатчик для любого применения и широкий диапазон и типы датчиков. Гибкость, один передатчик для любого применения, широкий диапазон и тип датчика Снижение производственных затрат Сокращение времени прерывания Улучшение однородности производства Снижение изменчивости процесса: экономия сырья и улучшение качества конечного продукта за счет высокой точности и стабильности.
- Низкая стоимость установки.
- Удаленная или локальная конфигурация и простая калибровка.
t = a + bV , (1)
где а и b – постоянные коэффициенты.
Подставив в это уравнение V = V 1 при t = t 1 и V = V 2 при t = t 2 , после преобразования получим уравнение температурной шкалы:
В шкалах Фаренгейта, Реомюра и Цельсия точке плавления льда t 1 соответствовали +32 0 , 0 0 и0 0 , а точке кипения воды t 2 – 212 0 , 80 0 и 100 0 . Основной интервал t 2 – t 1 в этих шкалах делится соответственно на N = 180, 80 и 100 равных частей, и 1/N часть каждого из интервалов называют градусом Фаренгейта – t 0 F, градусом Реомюра t 0 R и градусом Цельсия t 0 C. Таким образом, для шкал, построенных по указанному принципу, градус не является единицей измерения, а представляет собой единичный промежуток – масштаб шкалы.
Чувствительность волоконно-оптических датчиков, то есть наименьшее измеряемое возмущение, может зависеть от. Бесконечно малая вариация некоторого параметра характеристики используемого волокна, когда это собственный сенсорный элемент. Изменения в свойствах используемого света, когда волокно является каналом, через который проходит свет тестируемого участка и возвращается.
Оптоволоконные датчики компактны и имеют сравнимую чувствительность к аналогичным традиционным. Существует много коммерческих датчиков, изготовленных из оптических волокон для измерения температуры, давления, вращения, акустических сигналов, тока, расхода и т.д.
Для пересчета температуры из одной шкалы в другую используют соотношение:
(3)
Позднее было выяснено, что показания термометров, имеющих разные термометрические вещества (ртуть, спирт и др.), использующих одно и тоже термометрическое свойство и равномерную градусную шкалу, совпадают лишь в реперных точках, а в других точках показания расходятся. Последнее особенно заметно при измерении температур, значения которых расположены далеко от основного интервала.
Сети Брэгга - простые элементы, ограниченные ядром оптического волокна и имеющие большой потенциал для крупномасштабного производства. Возможность создания сетей Брэгга непосредственно в ядре оптического волокна процессами фотолитографии, не влияя на физическую целостность и оптические характеристики волокон, была подчеркнута в последнее десятилетие как одно из самых плодородных полей научные исследования в области оптоэлектроники.
Резонансный характер спектрального отклика брэгговских датчиков особенно привлекателен для применений с мультиплексированием по длине волны. Эти характеристики могут быть удобно изучены на одном оптическом волокне, содержащем несколько сенсорных элементов с отчетливыми брэгговскими резонансами.
Это обстоятельство объясняется тем, что связь между температурой и термометрическим свойством на самом деле нелинейна и эта нелинейность различна для разных термометрических веществ. В частности, нелинейность между температурой и изменением объема жидкости объясняется тем, что температурный коэффициент объемного расширения жидкости сам изменяется от температуры и это изменение различно для разных капельных жидкостей.
Затем можно связать каждый датчик с определенным положением вдоль волокна, составляя в целом почти распределенный датчик деформации или температуры. Основные преимущества, связанные с датчиками Брэгга, - это возможность саморегуляции и мультиплексирования, представляющая огромный потенциал для технологического развития.
Сети Брэгга состоят из периодической модуляции показателя преломления сердечника оптического волокна. На рисунке 6 показано, что действие сети Брэгга на свет, распространяющийся в ядре, дает оптическое волокно. Сети Брэгга, являющиеся неотъемлемой частью волокна, чувствительны к применению физических величин так же, как сама матрица кремнезема. Спектральные свойства сетей зависят от таких величин, как температура и механическое напряжение, т.е. применение любой величины, вызывающей изменение эффективного индекса или периода, индуцирует отклонение в резонансной длине волны.
На основе описанного принципа можно построить любое количество шкал, значительно различающихся между собой. Такие шкалы называют условными, а масштабы этих шкал - условными градусами.
Проблема создания температурной шкалы, не зависящей от термометрических свойств веществ, была решена в 1848 г. Кельвином, а предложенная им шкала названа термодинамической. В отличие от условных температурных шкал термодинамическая температурная шкала является абсолютной .
Основной принцип работы датчиков Брэгга затем основан на измерении отклонений наведенных длин волн в состоянии резонанса путем изменения температуры, механической деформации, давления или магнитных полей. Однако, несмотря на практическое значение, связанное с датчиками температуры и деформации, большинство демонстраций, основанных на датчиках Брэгга, сосредоточено на этих приложениях.
Температурная чувствительность датчиков Брэгга обусловлена тепловым расширением кремниевой матрицы и зависимостью показателя преломления от температуры. Большая привлекательность использования сетей Брэгга как сенсоров связана с тем, что информация содержится в спектре, представляя собой абсолютную и легко усваиваемую меру высокой точности. Эти датчики широко используются в измерениях температуры на дне скважины.
Термодинамическая шкала температур основана на использовании второго закона термодинамики. В соответствии с этим законом коэффициент полезного действия h тепловой машины, работающей по обратному циклу Карно, определяется только температурой нагревателя Т н и холодильника Т х и не зависит от свойств рабочего вещества:
(4)
Эта статья продемонстрировала важность измерения температуры в автоматизации и управлении технологическими процессами, небольшую историю измерения температуры и технологических достижений температурных датчиков в дополнение к трем направлениям передатчиков, их применению и преимущества. Мы также видели датчик, используемый в сети Брэгга, который должен влиять на будущее этого измерения.
Измерение температуры является относительно новой концепцией. Когда кувшин нагревался, воздух расширялся и подталкивал жидкость в трубку. Уровень воды в трубке можно сравнить с разными температурами, чтобы показать относительные изменения при добавлении или удалении тепла, но термоскоп не позволял легко определять температуру.
где Q н и Q х – соответственно количество теплоты, полученное рабочим веществом от нагревателя и отданное холодильнику.
Кельвином было предложено для определения температуры использовать равенство
Следовательно, используя один объект в качестве нагревателя, а другой – в качестве холодильника и проведя между ними цикл Карно, можно определить отношение температур объектов путем измерения отношения теплоты, взятой от одного объекта и отданной другому. Полученная шкала температур не зависит от свойств рабочего вещества и называется абсолютной шкалой температур. Чтобы абсолютная температура имела определенное значение, было предложено принять разность термодинамических температур между точками кипения воды Т кв и таяния льда Т тл равной 100 0 . Принятие такой разности преследовало цель сохранения преемственности числового значения термодинамической температурной шкалы от стоградусной температурной шкалы Цельсия. Т.О., обозначая количество теплоты, полученной от нагревателя (кипящая вода) и отдаваемой холодильнику (тающий лед), соответственно через Q кв и Q тл, и приняв Т кв – Т тл = 100, получим:
Несколько лет спустя итальянский физик и изобретатель Санторио Санторио улучшил дизайн Галилея, добавив численный масштаб в термоскоп. Эти первые термоскопы уступили место разработке жидкостных термометров, которые обычно используются сегодня. Современные термометры работают на основе тенденции расширения некоторых жидкостей при их нагревании. Когда жидкость внутри термометра поглощает тепло, она расширяется, занимая больший объем и заставляя поднимать уровень жидкости внутри трубки. Когда жидкость охлаждается, она сжимается, занимая меньший объем и вызывая снижение уровня жидкости.
и 
(6)
Для любой температуры Т нагревателя при неизменном значении Т тл холодильника и количества теплоты Q тл, отдаваемой ему рабочим веществом машины Карно, будем иметь:
(7)
Температура - это мера количества энергии объекта. Поскольку температура является относительной мерой, весы, которые полагаются на контрольные точки, должны использоваться для точного измерения температуры. Существуют три широко используемых шкалы для измерения температуры: шкала Фаренгейта, шкала Цельсия и шкала Кельвина. Каждая из этих шкал использует серию делений, основанных на разных контрольных точках, как описано ниже.
Температурная шкала Фаренгейта была разработана в Первоначально, Фаренгейт установил шкалу, в которой температура смеси лед-вода-соль была установлена на уровне 0 градусов. Температуру смеси лед-вода устанавливали на уровне 30 градусов, а температуру тела человека составляли 96 градусов. Сегодня шкала Фаренгейта по-прежнему широко используется в Соединенных Штатах. Андерс Цельсий был швейцарским астрономом, который изобрел шкалу Цельсия в Цельсию, выбрал точку плавления льда и точку кипения воды в качестве двух эталонных температур, чтобы создать простой и последовательный метод градуировочного термометра.
Уравнение (6) является уравнением стоградусной термодинамической шкалы температур и показывает, что значение температуры Т по данной шкале линейно связано с количеством теплоты Q, полученной рабочим веществом тепловой машины при совершении ею цикла Карно, и, как следствие, не зависит от свойств термодинамического вещества. За один градус термодинамической температуры принимают такую разность между температурой тела и температурой таяния льда, при которой производимая по обратному циклу Карно работа равна 1/100 части работы, совершаемой в цикле Карно между температурой кипения воды и таяния льда (при условии, что в обоих циклах количество теплоты, отдаваемой холодильнику, одинаково).
Цельсия разделила разницу температур между точкой замерзания и точкой кипения воды на 100 градусов. Шкала Цельсия имеет преимущество перед шкалой Фаренгейта в научных исследованиях, поскольку она более совместима с десятичным форматом Международной системы метрической системы.
Кроме того, шкала температур Цельсия обычно используется в большинстве стран мира, кроме Соединенных Штатов. Какая шкала температур больше используется в науке? Третью шкалу для измерения температуры обычно называют Кельвином. Лорд Кельвин Кельвин был физиком, который изобрел шкалу в шкале Кельвина, основан на идее абсолютного нуля, теоретической температуре, в которой останавливается все молекулярное движение, и никакая энергия не может быть обнаружена. Шкала Кельвина использует ту же деление, что и шкала Цельсия.
Из определения к.п.д. следует, что при максимальном значении h=1 должна быть равна нулю Т х. Эта наименьшая температура была названа Кельвином абсолютным нулем. Температуру по термодинамической шкале обозначают «К».
Термодинамическая шкала температур, основанная на двух реперных точках, обладает недостаточной точностью измерения. Практически трудно воспроизвести температуры указанных точек, т.к. они зависят от давления, а также от содержания солей в воде. Поэтому Кельвин и Менделеев высказали соображение о целесообразности построения термодинамической шкалы температур по одной реперной точке.
Консультативный комитет по термометрии Международного комитета мер и весов в 1954 году принял рекомендацию о переходе к определению термодинамической шкалы с использованием одной реперной точки – тройной точки воды (точки равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах), которая легко воспроизводится в специальных сосудах с погрешность не более 0,0001 К. Температура этой точки принята равной 273, 16 К, т.е. выше температуры таяния льда на 0,01 К. Такое число выбрано для того, чтобы значения температур по новой шкале практически не отличались от старой шкалы Цельсия с двумя реперными точками. Второй реперной точкой является абсолютный нуль, который практически не реализуется, но имеет строго фиксированной положение.
В 1967 году XIII Генеральная ассамблея по мерам и весам уточнила определение единицы термодинамической температуры в следующей редакции: «Кельвин – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды». Термодинамическая температура может быть выражена также в градусах Цельсия:
t = T – 273,15 K (8)
Температурой также называют физическую величину, характеризующую степень нагретости тела, но этого для понимания смысла и значения понятия температура не достаточно. В этой фразе наблюдается лишь замена одного термина другим и не более понятным. Обычно физические понятия связаны с какими-то фундаментальными законами и получают смысл только в связи с этими законами. Понятие температура связано с понятием теплового равновесия и, следовательно, с законом макроскопической необратимости.
Изменение температуры
В состоянии термодинамического равновесия все тела, образующие систему, имеют одинаковую температуру. Измерение температуры можно произвести только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые можно измерить непосредственно. Применяемые для этого вещества (тела) называют термометрическими.
Пусть два теплоизолированных тела приведены в тепловой контакт. От одного тела к другому устремится поток энергии, будет происходить процесс теплопередачи. При этом считается, что тело, которое отдает тепло имеет большую температуру, чем тело к которому поток тепла устремился. Естественно, что через некоторое время поток энергии прекращается, наступает тепловое равновесие. Предполагается, что температуры тел выравниваются и устанавливается где-то в интервале между исходными значениями температур. Так, получается, что температура -- некоторая метка теплового равновесия. Получается, что любая величина t, которая удовлетворяет требованиям:
- $t_1>t_2$, если поток тепла идет о первого тела ко второму;
- $t"_1=t"_2=t,\ t_1 > t > t_2$, при установлении теплового равновесия может быть принята за температуру.
При этом предполагается, что тепловое равновесие тел подчиняется закону транзитивности: если два тела находятся в равновесии с третьим, то они находятся в тепловом равновесии и между собой.
Важнейшей особенностью приведённого определение температуры является его неоднозначность. Мы по-разному можем выбрать величины, удовлетворяющие поставленным требованиям (что отразится в способах измерения температуры), и получить несовпадающие температурные шкалы. Температурные шкалы -- это способы деления на части интервалов температур.
Приведем примеры. Как известно, прибор для измерения температуры -- термометр. Рассмотрим два типа термометров различного устройства. В одном роль температуры тела выполняет длина ртутного столбика в капилляре термометра, в случае когда термометр находится в тепловом равновесии с телом, температуру которого мы измеряем. Длина ртутного столбика удовлетворяет условиям 1 и 2, которые приведены выше и предъявляются к температуре.
Существует и другой способ измерения температуры: с помощью термопары. Термопарой называют электрическую цепь с гальванометром и двумя спаями разнородных металлов (рис. 1). Один спай помещен в среду с фиксированной температурой, например тающий лед, другой в среду, температуру которой надо определить. В этом случае температурным признаком считают ЭДС термопары. Эти два способа измерения температуры не будут давать одинаковых результатов. И для того, чтобы перейти от одной температуре к другой, необходимо построить градировочную кривую, устанавливающую зависимость ЭДС термопары от длины ртутного столбика. Тогда равномерная шкала ртутного термометра преобразуется в неравномерную шкалу термопары (или наоборот). Равномерные шкалы ртутного термометра и термопары образуют две совершенно разные температурные шкалы, на которых тело в одном и том же состоянии будет иметь различные температуры. Можно взять одинаковые по устройству термометры, но с различными "термическими телами" (например, ртутью и спиртом). Их температурные шкалы также не совпадут. График зависимости длины ртутного столбика от длины спиртового столбика не будут линейными.
Отсюда следует, что понятие температуры, основанное на законах теплового равновесия, не однозначно. Такая температура называется эмпирической, она зависит от способа измерения температуры. Нуль шкалы эмпирической температуры всегда выбивается произвольно. По определению эмпирической температуры физический смысл имеет только разность температур, то есть ее изменение. Любая эмпирическая температурная шкала приводится к термодинамической температурной шкале введением поправок, учитывающих характер связи термометрического свойства с термодинамической температурой.
Температурные шкалы
Для построения шкалы температур приписывают численные значения температуры двум фиксированным реперным точкам. За тем делят разность температур реперных точек на выбранное произвольным образом число частей, получая единицу измерения температуры. В качестве исходных значений, служащих при построении шкалы температуры для установления начала отсчета и ее единицы -- градуса, применяют температуры перехода химически чистых веществ из одного агрегатного состояния в другое, например температуру плавления льда $t_0$ и кипения воды $t_k$ при нормальном атмосферном давлении ($\approx 10^5Па).$ Величины $t_0\ и\ t_k$ имеют разные значения:
- по шкале Цельсия (стоградусной шкале): температура кипения воды $t_k=100^0C$, температура плавления льда $t_0=0^0С$. Шкала Цельсия -- это такая шкала в которой температуры тройной точки воды 0,010С при давлении 0,06 атм. (Тройной точкой воды называют определенную температуру и давление, при которых могут существовать в равновесии одновременно вода, ее пар и лед.);
- по шкале Фаренгейта температура кипения воды $t_k=212^0F;$ $t_0$=3$2^0F$ -- точка таянья льда;
- по шкале Кельвина: температуру отсчитывают от абсолютного нуля (t=-273,50C) и называют термодинамической или абсолютной температурой. T=0K -- это состояние, соответствующее полному отсутствию тепловых колебаний. Температура кипения воды по этой шкале $t_k=373К,$ температура плавления льда $t_0=273К$. Связь между температурой по кельвину и температурой по Цельсию: \
- по шкале Реомюра температура кипения воды $t_k=80^0R$, температурa плавления льда $t_0=0^0R.$ Шкала практически вышла из употребления. Связь между температурами, выраженными в градусах Цельсия и градусом Реомюра: \
- по шкале Ранкина точка кипения воды $t_k=671,67^{0\ }Ra$, температурa плавления льда $t_0={491,67}^0Ra.$ Начинается шкала от абсолютного нуля. Число градусов между точками замерзания и кипения воды по шкале Фаренгейта и Ранкина одинаково и равно 180.
Связь между температурами, выраженными в градусах Цельсия и Фаренгейта, имеет вид:
\[\frac{t^0C}{100}=\frac{t^0F-32}{180}\ \ или\ t^0F=1,8t^0C+32\ \left(1\right);\]
Ноль на этой шкале определяется по температуре замерзания смеси воды, соли и нашатыря в пропорции 1:1:1.
В термометре Реомюра использовался спирт.
Соотношение между кельвином и градусом Ранкина: 1К=1,$8^{0\ }Ra$, градусы Фаренгейта переводятся в градусы Ранкина по формуле:
\[^0Ra=^0F+459,67\left(4\right);\]
В технике и в быту используется температура по шкале Цельсия. Единица этой шкалы называется градусом Цельсия ($^0С).\ $ В физике пользуются термодинамической температурой, которая не только более удобна, но и имеет глубокий физический смысл, так как определяется средней кинетической энергией молекулы. Единица термодинамической температуры -- градус кельвина (до 1968 г.), или сейчас просто кельвин (К), является одной из основных единиц в СИ. Температура T=0К называется абсолютным нулем температуры. Современная термометрия основана на шкале идеального газа, где в качестве термометрической величины используют давление. Шкала газового термометра абсолютна (T=0, p=0). При решении задач чаще всего вам придется использовать именно эту шкалу температур.