Измерение теплофизических величин

Основные определения и понятия

Измерения температуры и теплофизических величин- важнейшая задача многих отраслей промышленности, сельского хозяйства лабораторных и научных исследований. В основе контроля теплофизических параметров и характеристик объектов заложен, прежде всего, процесс измерения температуры.

Температура –основная системная физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы и пропорциональная средней кинетической энергии молекул системы. Термодинамическая температура всегда + и измеряется на основе принятой абсолютной термодинамической шкалы, единицей которой является кельвин К. Понятие температуры применяют в характеристике как для равновесных (малое изменение параметра), так и неравновесных (астрофизических) термодинамических систем. При этом для описания теплового состояния системы (объекта), применяют ряд характеристик: температурное поле (совокупность значений температур во всех точках рассматриваемого пространства в данный момент времени. Математически температурное поле может быть описано уравнение зависимости температур от трех пространственных координат и от времени. А для двух координат температурное поле изображается по средствам семейства изотерм, расстояние между изотермами обратнопропорционально градиенту(изменению) температур), теплота (обобщенное энергетическая характеристика температурного поля системы, определяющая внутреннюю энергию теплового движения системы), количество теплоты (Q ) (количество внутренней энергии, получаемое\отдаваемое системой, в процессе теплообмена от одного макроскопического тела другому, при неизменных внешних параметрах системы. Количество теплоты измеряется в джоулях или калориях. 1дж=0.238кал, если теплоту относят к 1 кг массы, то ее количество обозначают как q), теплоемкость истинная (количество теплоты, поглощаемое телом, при нагревании на 1 градус(дж\к) теплоемкость, отнесенная к единицам массы вещества, называют удельной теплоемкостью и обозначают с, измеряется дж\(к*кг)в термодинамике также выделяют теплоемкости при постоянном давлении и при постоянном объеме, с_р и с_v), теплообмен (самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве, обусловленный неоднородным температурным полем), теплопроводность ( один из видов переноса тепла, от более нагретых к менее, приводящий к выравниванию температуры, измеряется дж\(метр*с*к)), тепловое расширение ( изменение размера тела в процессе его нагревания), энтальпия ( H теплосодержание. Термодинамический потенциал веществ, характеризующий равновесное состояние систем, измеряется в джоулях), тепловой поток (количество теплоты, переданное через изотермическую поверхность в единицу времени), тепловое(температурное) излучение (электромагнитное излучение, испускаемое веществом и, возникающее за счет его внутренней энергии), абсолютно черное тело (АЧТ тело, которое при любой температуре полностью поглощает весь падающий на него поток излучения, независимо от длины волны лямбда, при этом коэфф поглощения АЧТ(отношение поглощаемой энергии к энергии падающего потока) =1 ). При разработке структурных схем теплометрии для Средств контроля и автоматизированных систем управления используют принятые условные обозначения, см рисунок.

Температурные шкалы

Температура не является непосредственно измеряемой величиной. Ее значение определяют по температурному изменению физического свойства какого-либо термометрического вещества, при этом для измерения температуры любым методом необходимо определить температурную шкалу. Температурные шкалы - системы сопоставимых числовых значений температуры. Выбрав термометрическое вещество, необходимо задать начальную точку отсчета и размер единицы температуры. Таким образом эмпирическую температурную шкалу, где обычно фиксирую две основные температуры, соответствующие точкам фазовых равновесий. Они называются реперными (эталонными). Расстояние между которыми называют основным температурным интервалом. В качестве реперных точек используют тройную точку воды (лед, вода, пар), точку кипения воды, точку затвердевания серебра, золота и др. Размер единичного интервала между этими точками устанавливают, как определенную долю основного интервала. Таким образом можно определить эмпирическую (условную) шкалу по любому термометрическому свойству. В настоящее время используют несколько эмпирических температурных шкал, различающихся по термометрическим свойствам веществ (ртутные, платиновые, газовые). Такие шкалы существенно отличаются друг от друга, т.к. степень нелинейности различна для разных свойств и веществ.

Шкала Цельсия – используют для начала отсчета температура затвердевания воды (таяния льда). Основной интервал между точками закипания и затвердевания воды разделен на 100 равных частей (n=100). Другие температурные шкалы различаются числовыми значениями для одинаковых реперных точек. Так в шкалах Цельсия C, Реомюра R, Фаренгейта F. В точках таяния льда и кипения воды приписаны разные температуры. Недостаток данных температурных шкал отсутствует у термодинамической температурной шкалы (шкалы Кельвина), основанный на втором начале термодинамики. В 1954 году на генеральной конференции по мерам и весам было установлена абсолютная термодинамическая шкала с одной реперной точкой. Температура, которой принята 273,16 К, что соответствует 0,01 градусу С. За единицу температуры принят Кельвин. При этом любая эмпирическая шкала приводится к термодинамической шкале. Для практических целей, связанных с измерением температуры принята международная температурная шкала, названная МТШ-90, которая является обязательной для всех метрологических служб. МТШ-90 устанавливает единые числовые значения реперных точек шкалы. Абсолютный нуль, тройная точка воды, точка кипения воды, точка затвердевания льда и тд. и тп.