Неделько -3 (1106085), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

Любая измерительная система имеет измерительную шкалу, на которой указано начальное значение измеряемой величины, конечное значение измеряемой величины, а между этими значениями – градуированный в единицах измерений рабочий интервал шкалы. В случае измерения температуры на измерительной шкале указывается начальная температура ( ), которая соответствует значению термометрического свойства , конечная температура ( ), которая соответствует значению термометрического свойства и рабочий интервал градуированный в единицах температуры – его называют основным температурным интервалом. Функциональную связь называют эмпирической (или практической) шкалой, а измеренную по такой шкале температуру – эмпирической температурой.

Таким образом, для физической реализации температурной эмпирической шкалы необходимо: задать начальную и конечную температуры, найти термическое свойство, функциональная связь которого с температурой будет линейной, обеспечить техническое исполнение.

Температура – количественная характеристика объекта, участвующего в физическом процессе. Этот физический процесс (состояние теплового равновесия) при задании одних и тех же фиксированных условий должен протекать при одной и той же конкретной температуре. В этом случае возможно заданием конкретных фиксированных условий воспроизводить конкретную температуру. Такую температуру называют фиксированной (или реперной) точкой. При этом числовое значение температуры задают произвольно. В 1968 г. Международным комитетом мер и весов установлены 11 реперных точек, среди которых тройная точка воды (практически совпадает с точкой плавления льда) и точка кипения воды.

При линейной функциональной связи температуры и термического свойства любое значение температуры внутри основного рабочего диапазона можно найти по формуле:

.

Такая зависимость позволяет построить шкалу с равномерной градуировкой и задать по шкале единицу измерений температуры – градус данной шкалы. Так, например, если температуру плавления льда принять за начальную и положить равной нулю ( ), а температуру кипения воды принять за конечную и положить равной 100 градусов ( ), то получим шкалу Цельсия, а единицу измерения по этой шкале – 1 градус Цельсия ( ).

Для технической реализации прибора, измеряющего температуру (термометра) и использующего шкалу Цельсия, надо подобрать вещество, например, ртуть ( ) и использовать свойство объёмного расширения. Объёмное расширение тела при изменении его температуры где ‑ объём, ‑ изменение температуры, ‑ коэффициент объёмного расширения, который зависит от типа вещества и от температуры. Для ртути при 293 К Данную формулу можно использовать при условии, что или изменения с температурой незначительно. Так, для ртути при изменении температуры от 300 К до 319 К изменяется на 1 %. Примером ртутного термометра является медицинский градусник.

Поскольку значения температур реперных точек произвольно, то и берут различные значения, получая различные практические шкалы. Так, если температуру плавления льда принять за ноль градусов, а точку кипения воды за 80 градусов, то получим шкалу Реомюра (R); если температуру плавления льда принять за 32 градуса, а точку кипения воды за 212 градусов, то получим шкалу Фаренгейта (Ф). При этом единица измерений температуры – градус – будет различный для каждой из трёх шкал:

.

Итак, можно построить много температурных шкал, которые могут отличаться по реперным температурам, используемым термометрическим свойствам и функциональной зависимости . Все они имеют различные температурные диапазоны, поскольку зависят от используемых термометрических свойств, и различные градусы и, в общем, пересчёт температуры от одной шкалы к другой затруднён и надо проводить дополнительные эксперименты.

Существует температурная шкала, называемая термодинамической, которая не зависит от термометрического вещества и которую можно использовать при всех температурах. В термодинамической шкале используют цикл Карно. Тело, совершающее работу по циклу Карно, получает теплоту при температуре и отдаёт теплоту при температуре . При этом отношение не зависит от вещества (рабочего тела) и позволяет по измеренным значениям и определить термодинамическую температуру.

В качестве температур фиксированных точек использую температуру абсолютного нуля ( ) и температуру плавления льда ( ), при этом температура на термодинамической шкале измеряется в кельвинах (К). Единица температуры по шкале Кельвина совпадает с единицей температуры по шкале Цельсия ( ) [ ] и таким образом шкала Кельвина по отношению к шкале Цельсия сдвинута на 273,15 К, т.е.

.

Так как линейность термодинамической шкалы сохраняется при любом интервале температур (а не только в пределах основного интервала), то термодинамическую шкалу можно использовать для измерения любых температур. На практике использовать цикл Карно для измерения температур неудобно, и поэтому используют не цикл Карно, а какое-либо следствие второго закона термодинамики, с помощью которого можно связать легко измеряемое термодинамическое свойство с термодинамической температурой. Такими следствиями являются: законы идеального газа, законы излучения абсолютно чёрного тела и т.д. Так, на базе закона для идеального газа (Клайперона – Менделеева) используют газовый термометр, который работает в широком температурном интервале (рис. 1).

В целом методы измерений температуры можно разделить на две основные группы:

а) контактные – термометры, использующие вещества;

б) бесконтактные ‑ термометры, использующие излучение.

Примером контактного термометра является обычный медицинский градусник. Термометры, использующие для измерения температур тепловое излучение в оптическом диапазоне, называют пирометрическими. Наибольшую точность измерений температуры в диапазоне обеспечивают яркостные пирометры. Одним из них является пирометр с исчезающей нитью. Если тело нагревать, то оно начинает светиться, что обусловлено электромагнитным излучением, идущим от тела. В быту оценка свечения характеризуется словом «яркость». Бытовой характеристике «яркость» соответствует физическая величина «яркость» (см. задачу № 7). Физическая величина «яркость» зависит только от температуры и длины волны электромагнитного излучения, независимо от химического состава и фазового состояния. Если излучение, идущее от тела, направить через фильтр, пропускающий узкий интервал длин волн λ, например, поставить на пути излучения красный фильтр, то после прохождения фильтра яркость будет зависеть только от температуры.

Таким образом, если два тела нагреть и смотреть на них через красный фильтр, то с того момента времени, когда их температуры станут одинаковы, они станут одинаково яркими. На этом эффекте основан пирометр с исчезающей нитью. В оптическом пирометре с исчезающей нитью эталонным телом служит нить накаливания, которая нагревается за счёт протекания по ней электрического тока. Шкала прибора, определяющая силу тока, проходящего через нить накаливания, градуируется в градусах Цельсия. Если расположить нить на фоне исследуемого тела, то в момент, когда температуры обоих тел станут одинаковыми, нить становится неразличимой. Градуировка шкалы осуществляется на основе законов теплового излучения (Кирхгофа и Планка) абсолютно чёрного тела. Поэтому термометр позволяет определить температуру абсолютно чёрного тела. Абсолютно чёрное тело – фундаментальная модель – поглощает всё падающее на него излучение. Из реальных тел наиболее близки к модели АЧТ – сажа и платиновая чернь. Другие вещества часть падающего излучения отражают, а значит температура, измеренная для абсолютно чёрного тела, не будет истинной в случае её измерения для тела, не являющегося абсолютно чёрным. Эту температуру называют яркостной. Чтобы определить истинную температуру, надо найти и использовать температурную поправку. Температурную поправку находят с помощью специальных графиков. Например, можно использовать график зависимости температурной добавки как функции яркостной температуры, полученной при различных значениях коэффициента К испускательной способности вольфрама в красных лучах (К=0,45).

Внимание: при обработке экспериментальных результатов ограничится только построением графика зависимости мощности, потребляемой спиралью лампы, от истинной температуры

Газовый термометр использует зависимость объёма идеального газа от температуры Т, функциональная связь которых подчиняется закону Клайперона-Менделеева откуда где и . Теоретически может быть использован для измерения любой температуры, однако на практике его используют для измерения температур в области 2-1300 К. На рис. 1 изображена модель газового термометра.

Реальный газовый термометр технически представляет сложную измерительную систему, в которой учитывают неидеальность газа, изменение объёма баллона, наличие в газе примесей и т.п.

§ 5. Постоянный электрический ток

В электродинамике проводниками называют тела, в которых при возникновении внутри них электрического поля вдоль этого поля возникает движение электрических зарядов. В электростатике проводниками называют тела, внутри которых при любых условиях напряжённость электрического поля равна нулю. Эти модели не противоречат друг другу, так как существуют при разных условиях. Общим фундаментом данных моделей является наличие в теле частиц (носителей заряда), способных свободно перемещаться по всему объёму проводника (свободные заряды). Носителями заряда в металле являются электроны (электроны проводимости), носители зарядов в электролитах – ионы. Перемещение зарядов из одной части проводника в другую удобно рассматривать как поток заряженных частиц. Поток зарядов называют электрическим током. Мерой тока является величина «сила тока» . Сила тока ‑ J – скалярная величина, равная потоку электрического заряда через заданную поверхность. За элементарный интервал времени ток силой J переносит через поверхность заряд :

или .

При этом поверхность может быть замкнутая (рис. 1), а может быть незамкнутая. В качестве незамкнутой поверхности обычно используют сечение проводника. При этом, если ток постоянный, то через любое сечение проводника будет проходить один и тот же ток (рис. 2). Сила тока – величина скалярная, но образуют его движущие частицы, имеющие определённые направления движения, условно обозначаемые «положительные» и «отрицательные». За положительное направление тока принято движение положительных зарядов, т.е. если ток вызван перемещением положительных зарядов, то его направление совпадает с направлением этого перемещения. Сила тока в I=1 A (ампер) является основной величиной системы СИ. Оно устанавливается на основе закона Ампера для параллельных прямолинейных проводников. При токе в 1 А поток заряда равен 1 К/сек.

Постоянный ток – модель электрического тока, в которой сила тока J не зависит от времени. Условие постоянства тока, т.е. его независимость от времени, приводит к условию, что распределение заряда в проводнике сохраняется неизменным. В противном случае, т.е. если имеет место перераспределение зарядов, ток перестаёт быть постоянным (рис. 3). Но если распределение зарядов стационарно, то поле, создаваемое ими, должно быть тождественно полю неподвижных зарядов. Замещение одних зарядов на тождественные им другие заряды в одних и тех же местах не может влиять на напряжённость поля, поскольку плотность зарядов в каждой точке остаётся одинаковой. Отсюда следует, что стационарное поле постоянных токов, как и поле электростатическое, должно быть полем потенциальным. Конечно, движение зарядов должно влиять на свойства проводника и это влияние приводит к возникновению магнитного поля, но в случае постоянного тока магнитное поле не влияет на потенциальность электрического поля.

Характеристики

Список файлов лекций