1-kurs. 2-semestr. 11-ma'ruza

11-ma'ruza

Termodinamik tizimning holat tenglamasi. Klapeyron-Mendeleyev tenglamasi. Ideal gaz termometri. Molekulyar-kinetik nazariyaning asosiy tenglamasi. Molekulalarning erkinlik darajalari bo'yicha energiyaning bir xil taqsimlanishi. Ideal gazning ichki energiyasi. Gaz molekulalarining samarali diametri va o'rtacha erkin yo'li. Molekulyar-kinetik nazariyaning eksperimental tasdiqlanishi.

Termodinamik tizimning holat tenglamasi sistemaning parametrlari orasidagi munosabatni tavsiflaydi . Davlat parametrlari bosim, hajm, harorat, moddaning miqdori. Umuman olganda, holat tenglamasi F(p, V, T) = 0 funktsional bog'liqlikdir.

Ko'pgina gazlar uchun, tajriba shuni ko'rsatadiki, xona haroratida va taxminan 10 5 Pa bosimda Mendeleyev-Klapeyron tenglamasi :

p- bosim (Pa), V- band qilingan hajm (m 3), R\u003d 8,31 J / molK - universal gaz doimiysi, T - harorat (K).

mol modda - atomlar yoki molekulalar soni Avogadro soniga teng bo'lgan moddaning miqdori
(12 g uglerod izotopining 12 C tarkibida juda ko'p atomlar mavjud). Mayli m 0 - bitta molekulaning (atom) massasi, N u holda molekulalar soni
- gaz massasi,
- moddaning molyar massasi. Shunday qilib, moddaning mollari soni:

.

Parametrlari Klapeyron-Mendeleyev tenglamasini qanoatlantiradigan gaz ideal gaz hisoblanadi. Vodorod va geliy xossalari jihatidan idealga eng yaqin.

Ideal gaz termometri.

Doimiy hajmdagi gaz termometri termometrik jismdan - idishga o'ralgan ideal gazning bir qismidan iborat bo'lib, u quvur orqali bosim o'lchagichga ulanadi.

Gaz termometrining yordami bilan gazning harorati va ma'lum bir qattiq hajmdagi gaz bosimi o'rtasidagi bog'liqlikni eksperimental ravishda o'rnatish mumkin. Hajmning doimiyligiga bosim o'lchagichning chap trubkasi vertikal harakati bilan uning o'ng trubkasidagi sath mos yozuvlar belgisiga keltirilishi va bosim o'lchagichdagi suyuqlik sathining balandliklaridagi farq bilan erishiladi. o'lchandi. Turli tuzatishlarni hisobga olgan holda (masalan, termometrning shisha qismlarini issiqlik bilan kengayishi, gazning adsorbsiyasi va boshqalar) 0,001 K ga teng doimiy hajmli gaz termometri bilan haroratni o'lchashning aniqligiga erishish imkonini beradi.

Gaz termometrlarining afzalligi shundaki, harorat ularning yordami bilan aniqlanadi past zichliklar gaz uning tabiatiga bog'liq emas va bunday termometrning shkalasi ideal gaz termometri yordamida aniqlangan mutlaq harorat shkalasi bilan yaxshi mos keladi.

Shunday qilib, ma'lum bir harorat Tselsiy bo'yicha harorat bilan bog'liq bo'ladi:
TO.

Oddiy gaz sharoitlari - bosim normal atmosferaga teng bo'lgan holat: R\u003d 101325 Pa10 5 Pa va harorat T \u003d 273,15 K.

Mendeleyev-Klapeyron tenglamasidan kelib chiqadiki, normal sharoitda 1 mol gazning hajmi quyidagilarga teng:
m 3.

AKT asoslari

Molekulyar kinetik nazariya (MKT) gazlarning termodinamik xususiyatlarini ularning molekulyar tuzilishi nuqtai nazaridan ko'rib chiqadi.

Molekulalar doimiy tasodifiy issiqlik harakatida bo'lib, doimo bir-biri bilan to'qnashadi. Bunda ular impuls va energiya almashadilar.

Gaz bosimi.

Idish devorlari bilan termodinamik muvozanatdagi gazning mexanik modelini ko'rib chiqing. Molekulalar elastik ravishda nafaqat bir-biri bilan, balki gaz joylashgan idishning devorlari bilan ham to'qnashadi.

Modelning idealizatsiyasi sifatida biz molekulalardagi atomlarni moddiy nuqtalar bilan almashtiramiz. Barcha molekulalarning tezligi bir xil deb hisoblanadi. Bundan tashqari, moddiy nuqtalar bir-biri bilan uzoq masofada o'zaro ta'sir qilmaydi deb taxmin qilamiz, shuning uchun bunday o'zaro ta'sirning potentsial energiyasi nolga teng deb hisoblanadi.

P
og'iz
gaz molekulalarining kontsentratsiyasi, T gaz harorati, u- molekulalarning translatsiya harakatining o'rtacha tezligi. Koordinatalar sistemasini tanlaylikki, tomir devori XY tekislikda yotsin va Z o'qi tomir ichidagi devorga perpendikulyar yo'naltiriladi.

Molekulalarning tomir devorlariga ta'sirini ko'rib chiqing. Chunki Ta'sirlar elastik bo'lganligi sababli, devorga urilgandan so'ng, molekula impulsi yo'nalishini o'zgartiradi, lekin uning kattaligi o'zgarmaydi.

Bir muddat  t dan ortiq bo'lmagan masofada devordan masofada joylashgan molekulalargina L= ut. Baza maydoni bo'lgan silindrdagi molekulalarning umumiy soni S va balandligi L, kimning hajmi V = LS = utS, teng N = nV = nutS.

Fazoning ma'lum bir nuqtasida molekulyar harakatning uch xil yo'nalishini shartli ravishda ajratish mumkin, masalan, X, Y, Z o'qlari bo'ylab. Molekula oldinga va orqaga yo'nalishlarning har biri bo'ylab harakatlanishi mumkin.

Shuning uchun tanlangan hajmdagi barcha molekulalar devorga qarab harakat qilmaydi, balki ularning umumiy sonining oltidan bir qismigina harakat qiladi. Shuning uchun vaqt ichida  bo'lgan molekulalar soni t devorga urilib, u teng bo'ladi:

N 1 = N/6= nutS/6.

Ta'sir paytida molekulalarning impulslarining o'zgarishi devor tomonidan molekulalarga ta'sir qiluvchi kuchning impulslariga teng - bir xil kuch bilan molekulalar devorga ta'sir qiladi:

P Z = P 2 Z – P 1 Z = Ft, yoki

N 1  m 0 u-( N 1  m 0 u)= Ft,

2N 1  m 0 u=Ft,

,

.

Devordagi gaz bosimini qayerdan topamiz:
,

qayerda
- moddiy nuqtaning kinetik energiyasi (molekulaning translatsion harakati). Shuning uchun bunday (mexanik) gazning bosimi molekulalarning translatsiya harakatining kinetik energiyasiga mutanosibdir:

.

Bu tenglama deyiladi MKT ning asosiy tenglamasi .

Energiyaning erkinlik darajalari bo'yicha bir xil taqsimlanishi qonuni .

Erkinlik darajalari sonitanasii tananing holatini yagona aniqlash uchun o'rnatilishi kerak bo'lgan minimal koordinatalar soni deb ataladi.

Moddiy nuqta uchun –bu uchta koordinata ( x , y , z ) – demak, moddiy nuqta uchun erkinlik darajalari soni teng i=3.

Doimiy uzunlikdagi qattiq novda bilan bog'langan ikkita moddiy nuqta uchun , belgilash zarur 5 koordinata : Bir nuqta uchun 3 ta koordinata va ikkinchi nuqtaning birinchisiga nisbatan o'rnini aniqlash uchun 2 burchak. Shuning uchun, bu holda, darajalar soni i=5.

Kosmosdagi harakat bilan bog'liq bo'lgan erkinlik darajalarining maksimal mumkin bo'lgan soni ,6 ga teng .

Energiyaning erkinlik darajalari bo'yicha bir xil taqsimlanishi qonuni shunday deyditermal harakat paytida bir erkinlik darajasi uchun o'rtacha kinetik energiya :

,

qayerda
- Boltsman doimiysi (J/K). Shuning uchun, erkinlik darajalari soni bo'lgan bitta molekulaning umumiy kinetik energiyasi i nisbati bilan aniqlanadi:

.

Izoh. Jismning fazodagi harakati bilan bog'liq erkinlik darajalaridan tashqari, tananing tabiiy tebranishlari bilan bog'liq erkinlik darajalari ham bo'lishi mumkin. Ular odatda tebranish erkinlik darajalari deb ataladi. Tebranish erkinlik darajasida tebranishlarning potentsial va kinetik energiyalarini hisobga olish kerak, shuning uchun tebranish erkinlik darajasi uchun energiya kT .

Molekulaning translatsiya harakatining o'rtacha kinetik energiyasi, shubhasiz, massa markazining kinetik energiyasiga (nuqta sifatida) teng, shuning uchun:

.

Molekulaning aylanish harakatining (massa markazi atrofida) o'rtacha kinetik energiyasi:

. .

MKT ning asosiy tenglamasiga ifodani almashtiramiz
va oling:

.

Chunki molekulalarning kontsentratsiyasi
, molekulalarning umumiy soni
, Boltsman doimiysi
, keyin biz tenglamani olamiz:
yoki

.

Bu Mendeleyev-Klapeyron tenglamasi ideal gaz uchun amal qiladi . Demak, molekulalari bir-biri bilan uzoq masofada o'zaro ta'sir qilmaydigan moddiy nuqtalar bilan almashtirilgan gazning mexanik modeli ideal gazdir. Shuning uchun ular shunday deyishadi Ideal gaz uzoqda bir-biri bilan o'zaro ta'sir qilmaydigan moddiy nuqtalardan iborat .

O'rtacha kvadrat tezlik Barcha molekulalar uchun bir xil bo'lgan ni quyidagi munosabatdan aniqlash mumkin:

yoki
.

RMS tezligi miqdori deyiladi:

.

Ideal gaz molekulalarning o'zaro ta'sirining potentsial energiyasiga ega emasligi sababli ichki energiya barcha molekulalarning umumiy kinetik energiyasiga teng :

.

Bu munosabatdan, kutilganidek, shunday bo'ladi harorat ideal gazning ichki energiyasining o'lchovidir.

Dalton qonuni.

Gaz konsentratsiyali turli xil ideal gazlarning (masalan, uchta) aralashmasi bo'lsin n 1 ,n 2 ,n 3 bir xil haroratda. Keyin aralashmaning umumiy konsentratsiyasi har bir gazning kontsentratsiyasi yig'indisiga teng bo'ladi: n =n 1 +n 2 +n 3 .

Haqiqatan ham, .

Qisman gaz bosimi gazning bir xil hajm va haroratda boshqa gazlar yo'qligida bo'ladigan bosimi deb ataladi.

Dalton qonuni shuni ko'rsatadi gaz aralashmasining bosimi aralashma gazlarining qisman bosimlari yig'indisiga teng va:

P = nkT = (n 1 + n 2 + n 3 )kT = n 1 kT + n 2 kT + n 3 kT = p 1 + p 2 + p 3 .

Gaz aralashmasining bosimi faqat gazlar konsentratsiyasi va aralashmaning harorati bilan belgilanadi.

Misol .dan tashkil topgan aralashmaning o'rtacha molyar massasini aniqlang  1 =75% azot va  2 =25% kislorod .

Yechim .Dalton qonuniga ko'ra, gaz aralashmasining bosimi har bir gazning parsial bosimlari yig'indisiga teng: p \u003d p 1 + p 2. Boshqa tomondan, aralashma uchun Mendeleev-Klapeyron tenglamasidan:
, bu erda m \u003d m 1 + m 2 - aralashmaning umumiy massasi,

va har bir gaz uchun qisman bosimni topishingiz mumkin:
,
.

Qayerda:
. Demak,

Izoh. Masalada keltirilgan gazlar aralashmasi tarkibi bo'yicha oddiy havoga yaqin. Shuning uchun havo olish mumkin
.

Molekula erkin yo'l degan ma'noni anglatadi .

Molekula erkin yo'l degan ma'noni anglatadi  - - molekulaning boshqa molekulalar bilan ketma-ket ikkita to'qnashuvi orasidagi o'rtacha masofa.

Izoh. Agar molekula tomir devorlariga qaraganda boshqa molekulalar bilan tez-tez to'qnashsa, bu tomirning o'lchami o'rtacha erkin yo'ldan ancha katta ekanligini anglatadi.

Keling, bir xil molekulalardan tashkil topgan gazni ko'rib chiqaylik. Biz molekulalarning o'lchamlarini e'tiborsiz qoldirmaymiz, lekin biz molekulalarning tezligining o'rtacha qiymatlarini bir xil deb hisoblaymiz.

Ikki molekula to'qnashadi, agar ulardan birining markazi dan katta bo'lmasa d = 2r qarama-qarshi yo'nalishda harakat qilganda, ikkinchisining markazidan ( r molekula radiusi). Ulardan biri tinch holatda bo'lsin, ikkinchisi esa nisbiy tezlikda v rel bilan uchadi. Tsilindr ichida boshqa molekulalar bo'lmasligi sharti bilan belgilangan tinch holatda bu molekula bilan bog'langan tekis silindrni ko'rib chiqing. Agar bu silindrning hajmi
(L qo'shni molekulagacha bo'lgan masofa), u holda butun gazning hajmi sifatida aniqlanishi mumkin V =NV 0, qayerda N molekulalar soni. Keyin molekulalarning kontsentratsiyasi
. Buni qayerdan olamiz
.

Agar  erkin yo'l bo'lsa, u holda ikkita ketma-ket to'qnashuvlar orasidagi vaqt mos yozuvlar tizimiga bog'liq emas. Mayli u holda molekulalarning o'rtacha tezligi

, qayerda
.

Ikki molekulaning nisbiy tezligi
, Shunung uchun

Ushbu ifodani o'rtacha hisoblaymiz:

Ko'rinib turibdiki, o'rtacha qiymat
davr uchun nolga teng:
. Shunday qilib
, chunki taxminga ko'ra
. Umuman olganda,
, lekin taxminiy tarzda biz buni yozishimiz mumkin
.

Nihoyat, molekulalarning o'rtacha erkin yo'li uchun formulani olamiz:
.

Qiymat
chaqirdi molekulalarning o'zaro ta'siri uchun samarali kesma . Umuman olganda, bu qiymat haroratga zaif bog'liq.

Molekulalarning o'rtacha erkin yo'li molekulalarning kontsentratsiyasiga teskari proportsionaldir:

.

BILAN gaz molekulalarining bir-biri bilan to'qnashuvining o'rtacha chastotasi :
.

Molekulyar-kinetik nazariyaning eksperimental tasdiqlanishi.

Moddaning molekulyar tuzilishini ko'rsatadigan va molekulyar kinetik nazariyani tasdiqlovchi eng mashhur tajribalar tajribalardir. dunoyer va Otto Stern, mos ravishda 1911 va 1920 yillarda ishlab chiqarilgan. Ushbu tajribalarda turli metallarning bug'lanishi natijasida molekulyar nurlar yaratilgan va shuning uchun o'rganilayotgan gazlarning molekulalari bu metallarning atomlari edi. Bunday tajribalar molekulyar-kinetik nazariyaning bashoratlarini tekshirishga imkon berdi, u molekulalarini moddiy nuqtalar (ya'ni, bir atomli gazlar uchun) deb hisoblash mumkin bo'lgan gazlar holati uchun beradi.

Tajriba sxemasi dunoyer molekulyar nurlar bilan shaklda ko'rsatilgan. Materiali yuqori vakuumni ta'minlash uchun tanlangan shisha idish diafragma 4 bo'lgan ikkita bo'linma bilan uchta bo'linma 1, 2 va 3 ga bo'lingan. 1-bo'limda gaz bor edi, bu tajribada natriy ishlatilgan. uni isitish orqali olingan bug '. Bu gaz molekulalari diafragma teshiklari orqali erkin uchib o'tib, molekulyar nurni 5 kollimatsiya qiladi, ya'ni uning faqat kichik qattiq burchak ostida o'tishiga imkon beradi. 2 va 3-bo'limlarda natriy atomlari havo molekulalari bilan to'qnashmasdan uchib o'tishi uchun o'ta yuqori vakuum yaratilgan.

H tarqoq molekulyar nur tomirning so‘nggi devorida 6 iz qoldirgan.Lekin o‘ta yuqori vakuum holatida ham molekulyar nur diafragma 4 chetlarida sochilib ketgan.Shuning uchun oxirida “penumbra” 7 hududi mavjud edi. tomir devori, unda tarqalib ketgan zarralar iz qoldirgan. 3-bo'limdagi vakuum yomonlashgani sababli, 7-hudud oshdi. Tarqalgan natriy atomlari izining bulg'anishining kattaligidan ularning erkin yo'lining uzunligini taxmin qilish mumkin edi. Bunday hisob-kitoblarni Maks Born Dunoyernikiga o‘xshash tajribalar natijalari asosida amalga oshirgan.

Molekulyar nurlar bilan eng mashhur tajribalardan ba'zilari shular edi Stern, unda birinchi marta molekulyar tezliklarni to'g'ridan-to'g'ri o'lchashni amalga oshirish mumkin edi. Stern tajribasining eng mashhur sxemasi rasmda ko'rsatilgan. Bir tomchi kumush qo'llanilgan 1-platina ipi ikkita koaksiyal tsilindr 2 va 3 o'qida joylashgan va 2-tsilindrda uning o'qiga parallel bo'lgan tirqish bor edi. Tsilindrlar o'z o'qi atrofida aylanishi mumkin edi. Shtern tajribalarida ularning aylanish burchak tezligi daqiqada 2...3 ming aylanishni tashkil etdi.

Platina filamenti orqali elektr toki o'tkazilganda, u maksimal harorat taxminan 1200 o S gacha qizdirildi. Natijada kumush bug'lana boshladi va uning atomlari 2 silindrning 4-tirigidan uchib o'tdi, so'ngra uning yuzasiga joylashdi. tsilindr 3, uning ustida iz qoldirib 5. Aylanmaydigan tsilindrlar uchun kumush atomlari to'g'ri chiziq bo'ylab harakatlanib, tashqi silindr yuzasida ozmi-ko'pmi bir xilda, ularning to'g'ri chiziqli tarqalishiga mos keladigan sektor ichida joylashgan. Tsilindrlarning aylanishi silindrlar bilan bog'langan mos yozuvlar ramkasida molekulalar traektoriyasining egriligiga va natijada tashqi silindrga joylashadigan kumush atomlarining holatining o'zgarishiga olib keldi.

O'rnashgan molekulalarning zichligini tahlil qilib, molekulalarning tezlik bo'yicha taqsimlanish xususiyatlarini, xususan, yo'lning chekkalariga mos keladigan maksimal va minimal tezliklarni, shuningdek, maksimalga mos keladigan eng katta tezlikni topish mumkin edi. cho'kma molekulalarning zichligi.

Filament harorati 1200 o C da, Shtern tajribalari natijalarini qayta ishlash natijasida olingan kumush atomlari tezligining o'rtacha qiymati 600 m / s ga yaqin bo'lib chiqdi, bu o'rtacha ildiz qiymatiga to'liq mos keladi. -formula bo'yicha hisoblangan kvadrat tezlik
.

Yunon tilidan tarjima qilinganda "issiqlikni o'lchash" degan ma'noni anglatadi. Termometrni ixtiro qilish tarixi 1597 yilda, Galiley suvni isitish darajasini aniqlash uchun termoskop - lehimli trubkali sharni yaratgan paytdan boshlanadi. Ushbu qurilmada o'lchov yo'q edi va uning ko'rsatkichlari atmosfera bosimiga bog'liq edi. Ilm-fanning rivojlanishi bilan termometr o'zgardi. Suyuq termometr haqida birinchi marta 1667 yilda eslatib o'tilgan va 1742 yilda shved fizigi Selsiy 0 suvning muzlash nuqtasi va 100 qaynash nuqtasi bo'lgan shkalaga ega termometrni yaratdi.

Biz ko'pincha tashqi havo harorati yoki tana haroratini aniqlash uchun termometrdan foydalanamiz, ammo termometrdan foydalanish bu bilan cheklanmaydi. Bugungi kunda ko'plab usullar mavjud haroratni o'lchash uchun moddalar va zamonaviy termometrlar hali ham takomillashtirilmoqda. Keling, harorat o'lchagichlarning eng keng tarqalgan turlarini tasvirlaylik.

Ushbu turdagi termometrning ishlash printsipi qizdirilganda suyuqlikning kengayish ta'siriga asoslangan. Simobni suyuqlik sifatida ishlatadigan termometrlar ko'pincha tibbiyotda tana haroratini o'lchash uchun ishlatiladi. Simobning toksikligiga qaramay, undan foydalanish haroratni boshqa suyuqliklarga qaraganda aniqroq aniqlash imkonini beradi, chunki simobning kengayishi chiziqli qonunga muvofiq sodir bo'ladi. Meteorologiyada spirtli termometrlardan foydalaniladi. Bu, birinchi navbatda, simobning 38 ° C da qalinlashishi va past haroratni o'lchash uchun mos emasligi bilan bog'liq. Suyuq termometrlarning diapazoni o'rtacha 30 ° C dan +600 ° C gacha, aniqligi esa darajaning o'ndan biridan oshmaydi.

gaz termometri

Gaz termometrlari suyuq termometrlar bilan bir xil printsip asosida ishlaydi, faqat ular ishlaydigan vosita sifatida inert gazdan foydalanadilar. Ushbu turdagi termometr manometrga (bosimni o'lchash moslamasi) o'xshash bo'lib, uning shkalasi harorat birliklari bilan belgilanadi. Gaz termometrining asosiy afzalligi - mutlaq nolga yaqin haroratni o'lchash qobiliyati (uning diapazoni 271 ° C dan +1000 ° C gacha). Maksimal erishish mumkin bo'lgan o'lchov aniqligi 2 * 10 -3 ° S. Gaz termometrining yuqori aniqligini olish qiyin ishdir, shuning uchun bunday termometrlar laboratoriya o'lchovlarida ishlatilmaydi, lekin moddaning haroratini birlamchi aniqlash uchun ishlatiladi.

Ushbu turdagi termometr gaz va suyuqlik bilan o'xshash ishlaydi. Moddaning harorati metall spiral yoki bimetal chiziqning kengayishiga qarab belgilanadi. Mexanik termometr juda ishonchli va ulardan foydalanish oson. Mustaqil qurilmalar sifatida bunday termometrlar keng tarqalmagan va hozirda asosan avtomatlashtirish tizimlarida signalizatsiya va haroratni nazorat qilish uchun asboblar sifatida ishlatiladi.

Elektr termometri (qarshilik termometri)

Elektr termometrining ishlashi o'tkazgich qarshiligining haroratga bog'liqligiga asoslanadi. Metalllarning qarshiligi harorat oshishi bilan chiziqli ravishda oshadi, shuning uchun bu turdagi termometrlarni yaratish uchun metallar ishlatiladi. Yarimo'tkazgichlar, metallar bilan solishtirganda, ko'proq o'lchov aniqligini ta'minlaydi, ammo ular asosidagi termometrlar shkalani baholash bilan bog'liq qiyinchiliklar tufayli deyarli ishlab chiqarilmaydi. Qarshilik termometrlari diapazoni to'g'ridan-to'g'ri ishlaydigan metallga bog'liq: masalan, mis uchun -50 °C dan +180 °C gacha, platina uchun esa -200 °C dan +750 °C gacha. Elektr termometrlari ishlab chiqarishda, laboratoriyalarda, tajriba stendlarida harorat sensori sifatida o'rnatiladi. Ular ko'pincha boshqa o'lchash asboblari bilan birga keladi.

Termojuft deb ham ataladi. Termojuft 1822 yilda kashf etilgan Seebek effekti asosida haroratni o'lchaydigan ikki xil o'tkazgich o'rtasidagi kontaktdir. Bu ta'sir ikki o'tkazgich o'rtasidagi aloqada potentsial farqning paydo bo'lishidan iborat bo'lib, ular orasidagi harorat gradienti mavjud. Shunday qilib, harorat o'zgarganda kontakt orqali elektr toki oqib chiqa boshlaydi. Termojuft termometrlarining afzalligi - bajarish qulayligi, o'lchovlarning keng doirasi, ulanish joyini topraklama imkoniyati. Biroq, kamchiliklar mavjud: termojuft vaqt o'tishi bilan korroziyaga va boshqa kimyoviy jarayonlarga duchor bo'ladi. Asil metallardan va ularning qotishmalaridan - platina, platina-rodiy, palladiy, oltindan tayyorlangan elektrodli termojuftlar maksimal aniqlikka ega. Termojuft yordamida haroratni o'lchashning yuqori chegarasi 2500 °C, pastki chegarasi -100 °C atrofida. Termojuft sensorining o'lchov aniqligi 0,01 °C ga yetishi mumkin. Termojuftga asoslangan termometr sanoat nazorati va monitoringi tizimlarida, shuningdek, suyuq, qattiq, donador va g'ovakli moddalarning haroratini o'lchashda ajralmas hisoblanadi.

Optik tolali termometr

Optik tolali ishlab chiqarish texnologiyalarining rivojlanishi bilan uni ishlatish uchun yangi imkoniyatlar paydo bo'ldi. Elyafga asoslangan sensorlar tashqi muhitdagi turli o'zgarishlarga juda sezgir. Harorat, bosim yoki tolaning kuchlanishidagi eng kichik o'zgarishlar undagi yorug'likning tarqalishining o'zgarishiga olib keladi. Optik tolali harorat sensorlari ko'pincha sanoat xavfsizligini ta'minlash, yong'in signalizatsiyasi, yonuvchan va zaharli moddalar bo'lgan idishlarning mahkamligini kuzatish, sizib chiqishni aniqlash va hokazolar uchun ishlatiladi. Bunday sensorlarning diapazoni +400 ° C dan oshmaydi va maksimal aniqlik - 0,1 °C.

Infraqizil termometr (pirometr)

Oldingi barcha turdagi termometrlardan farqli o'laroq, bu kontaktsiz qurilma. Pirometrlar va ularning xususiyatlari haqida bizning veb-saytimizda alohida o'qishingiz mumkin. Texnik pirometr 100 °C dan 3000 °C gacha bo'lgan haroratni bir necha daraja aniqlik bilan o'lchashga qodir. Infraqizil termometrlar nafaqat ishlab chiqarish sharoitida qulay. Borgan sari ular tana haroratini o'lchash uchun ishlatiladi. Bu simob analoglari bilan solishtirganda pirometrlarning ko'plab afzalliklari bilan bog'liq: foydalanish xavfsizligi, yuqori aniqlik, haroratni o'lchash uchun minimal vaqt.

Xulosa qilib shuni ta'kidlaymizki, endi hayotni ushbu universal va almashtirib bo'lmaydigan qurilmasiz tasavvur qilish qiyin. Oddiy termometrlarni kundalik hayotda topish mumkin: ular dazmolda, kir yuvish mashinasida, muzlatgichda haroratni saqlash va atrof-muhit haroratini o'lchash uchun ishlatiladi. Inkubatorlarda, issiqxonalarda, quritish kameralarida va ishlab chiqarishda yanada murakkab sensorlar o'rnatiladi.

Termometr yoki harorat sensori tanlovi uni ishlatish doirasiga, o'lchov oralig'iga, ko'rsatkichlarning aniqligiga va umumiy o'lchamlarga bog'liq. Va qolganlari - barchasi sizning tasavvuringizga bog'liq.

Shaklda. 75c gazning kengayishini o'lchaydigan termometrni ko'rsatadi. Bir tomchi simob kapillyardagi quruq havo hajmini muhrlangan uchi bilan qulflaydi. O'lchashda butun termometr muhitga botirilishi kerak. Bir tomchi simobning kapillyardagi harakati gaz hajmining o'zgarishini ko'rsatadi; kapillyarda simob termometrida bo'lgani kabi muz va qaynoq suvning erish nuqtalari uchun 0 va 100 belgilari bo'lgan shkala mavjud.

Bunday termometr juda aniq o'lchovlar uchun mos emas.Biz umumiy fikrni aniqlashtirish uchun gaz termometri haqida gapirmoqchimiz. Ushbu turdagi termometr rasmda ko'rsatilgan. 75b. Simob barometri AB S ballondagi doimiy hajmdagi gaz bosimini o'lchaydi. Lekin barometrdagi simob ustunining balandligini bosim birligida belgilash o'rniga silindr muz erishda bo'lganda uni 0, muz eriganida esa 100 bilan belgilaymiz. qaynoq suvda men ularga butun Tselsiy shkalasini chizaman. Boyl qonunidan foydalanib, shaklda ko'rsatilgan termometrning shkalasi ekanligini ko'rsatish mumkin. 75b shakldagi termometr bilan bir xil bo'lishi kerak. 75 a.

Gaz termometrini qo'llash
Shaklda ko'rsatilgan gaz termometrini kalibrlashda. 76, biz tsilindrni erigan muzga botiramiz va barometr shkalasida 0 ni belgilaymiz.Keyin biz muzni qaynoq suv bilan almashtirib, butun protsedurani takrorlaymiz; biz 100 belgisini olamiz. Shu tarzda aniqlangan shkaladan foydalanib, biz bosimning haroratga nisbatan grafigini tuzamiz. (Agar xohlasangiz, bosim simob ustunining balandligi birliklarida ifodalanishi mumkin.) Keyin O va 100 nuqtalari orqali to'g'ri chiziq torting va agar kerak bo'lsa, uni davom ettiring. Bu gaz shkalasidagi haroratni aniqlaydigan va muz va qaynoq suvning erish nuqtalarida 0 va 100 standart qiymatlarini beradigan to'g'ri chiziq bo'ladi. Endi gaz termometri, agar biz buni bilsak, haroratni o'lchashga imkon beradi. bu haroratda silindrdagi gazning bosimi. Rasmdagi nuqta chiziq. 76 gaz bosimi 0,6 mHg bo'lgan suv haroratini qanday topish mumkinligini ko'rsatadi.

Biz standart sifatida gaz termometrini tanlaganimizdan so'ng, simob va glitserinni u bilan solishtirishimiz mumkin. Shunday qilib, gaz termometri bilan o'lchanadigan haroratga qarab, ko'pchilik suyuqliklarning kengayishi ma'lum darajada chiziqli bo'lmaganligi aniqlandi.Ikki turdagi termometrlarning ko'rsatkichlari 0 va 100 nuqtalari o'rtasida farqlanadi, bu kelishuv ta'rif bilan olinadi. . Ammo simob, g'alati darajada, deyarli to'g'ri chiziq beradi. Endi biz simobning "qadr-qimmatini" shakllantirishimiz mumkin: "Gaz harorati shkalasida simob teng ravishda kengayadi." Bu ajoyib tasodif shuni ko'rsatadiki, biz bir vaqtning o'zida juda yaxshi tanlov qildik - shuning uchun endi oddiy simob termometrlarini to'g'ridan-to'g'ri ishlatish mumkin. haroratni o'lchash.

Termometr - bu joriy haroratni o'lchash uchun mo'ljallangan yuqori aniqlikdagi qurilma. Sanoatda termometr suyuqliklar, gazlar, qattiq va quyma mahsulotlar, eritmalar va boshqalarning haroratini o'lchaydi. Termometrlar, ayniqsa, texnologik jarayonlarning to'g'ri oqimi uchun xom ashyoning haroratini bilish muhim bo'lgan yoki tayyor mahsulotlarni kuzatish vositalaridan biri sifatida ko'pincha sanoatda qo'llaniladi. Bular kimyo, metallurgiya, qurilish, qishloq xo'jaligi, oziq-ovqat sanoati korxonalari.

Kundalik hayotda termometrlardan turli maqsadlarda foydalanish mumkin. Misol uchun, yog'och va plastik derazalar uchun tashqi termometrlar, ichki termometrlar, vannalar va saunalar uchun termometrlar mavjud. Siz suv, choy, hatto pivo va sharob uchun termometrlarni sotib olishingiz mumkin. Akvarium termometrlari, maxsus tuproq termometrlari va inkubatorlar mavjud. Sotuvda, shuningdek, muzlatgichlar, muzlatgichlar, podvallar va podvallar uchun termometrlar mavjud.
Termometrni o'rnatish, qoida tariqasida, texnologik jihatdan qiyin emas. Biroq, faqat barcha qoidalarga muvofiq amalga oshirilgan termometrni o'rnatish uning ishlashining ishonchliligi va mustahkamligini kafolatlashini unutmang. Bundan tashqari, termometrning inertial qurilma ekanligini hisobga olish kerak, ya'ni. uning o'qishlarini joylashtirish vaqti talab qilinadigan aniqlikka qarab taxminan 10 - 20 minut. Shuning uchun, termometr paketdan chiqarilgan yoki o'rnatilgan paytda uning ko'rsatkichini o'zgartirishini kutmang.
Dizayn xususiyatlariga ko'ra, termometrlarning quyidagi turlari ajratiladi:

Suyuq termometr deyarli hamma joyda ko'rish mumkin bo'lgan bir xil shisha termometrdir. Suyuq termometrlar ham maishiy, ham texnik bo'lishi mumkin (masalan, ttzh termometri texnik suyuqlik termometridir). Suyuq termometr eng oddiy sxema bo'yicha ishlaydi - harorat o'zgarganda, termometr ichidagi suyuqlik hajmi o'zgaradi va harorat ko'tarilganda, suyuqlik kengayadi va ko'tariladi va aksincha, pasayganda. Odatda, suyuq termometrlar alkogol yoki simobdan foydalanadi.

Manometrik termometrlar gazlar, bug'lar va suyuqliklarning haroratini masofadan o'lchash va ro'yxatga olish uchun mo'ljallangan. Ba'zi hollarda manometrik termometrlar signalni elektrga aylantiradigan va haroratni nazorat qilish imkonini beruvchi maxsus qurilmalar bilan amalga oshiriladi.

Manometrik termometrlarning ishlashi yopiq hajmdagi ishchi moddaning bosimining haroratga bog'liqligiga asoslanadi. Ishlaydigan moddaning holatiga qarab gaz, suyuqlik va kondensatsiya termometrlari farqlanadi.

Strukturaviy ravishda ular bosim o'lchagichga kapillyar bilan bog'langan silindrdan tashkil topgan muhrlangan tizimdir. Termosilindr o'lchov ob'ektiga botiriladi va ishchi moddaning harorati o'zgarganda, yopiq tizimdagi bosim o'zgaradi, bu kapillyar naycha orqali manometrga uzatiladi. Maqsadiga ko'ra, manometrik termometrlar o'z-o'zidan yoziladigan, ko'rsatuvchi, o'lchovlarni masofadan uzatish uchun o'rnatilgan transduserlar bilan masshtabsizdir.

Ushbu termometrlarning afzalligi ularni portlovchi ob'ektlarda qo'llash imkoniyatidir. Kamchiliklarga past haroratni o'lchash aniqligi sinfi (1,5, 2,5), tez-tez davriy tekshirish zarurati, ta'mirlashning murakkabligi va lampochkaning katta o'lchami kiradi.

Gaz manometrik termometrlari uchun termometrik modda azot yoki geliydir. Bunday termometrlarning o'ziga xos xususiyati lampochkaning juda katta o'lchamlari va natijada o'lchovlarning sezilarli inertsiyasidir. Haroratni o'lchash diapazoni -50 dan +600 ° C gacha, termometrlarning shkalasi bir xil.

Suyuq manometrik termometrlar uchun termoelektrik modda simob, toluol, propil spirti va boshqalar hisoblanadi. Suyuqlikning yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi tufayli bunday termometrlar gaz termometrlariga qaraganda kamroq inertialdir, ammo atrof-muhit haroratining kuchli o'zgarishi bilan asboblarning xatosi yuqori bo'ladi, buning natijasida kapillyarning sezilarli uzunligi bilan kompensatsiya olinadi. qurilmalar suyuq manometrik termometrlar uchun ishlatiladi. Haroratni o'lchash diapazoni (simob to'ldirish bilan) -30 dan +600 ° S gacha, termometr shkalasi bir xil. Kondensatsiyali manometrik termometrlarda past qaynaydigan suyuqliklar propan, etil efir, aseton va boshqalar ishlatiladi. Lampochkani to'ldirish 70% da sodir bo'ladi, qolgan qismini termoelektrik moddaning bug'i egallaydi.

Kondensatsiya termometrlarining ishlash printsipi past qaynayotgan suyuqlikning to'yingan bug 'bosimining haroratga bog'liqligiga asoslanadi, bu atrof-muhit haroratidagi o'zgarishlarning termometrlarning ko'rsatkichlariga ta'sirini istisno qiladi. Ushbu termometrlarning lampalari juda kichik, natijada bu termometrlar barcha manometrik termometrlarning eng kam inertialidir. Bundan tashqari, to'yingan bug 'bosimining haroratga chiziqli bo'lmagan bog'liqligi tufayli kondensatsiya manometrik termometrlari juda sezgir. Haroratni o'lchash diapazoni -50 dan +350 ° C gacha, termometrlarning shkalasi bir xil emas.

Qarshilik termometri haroratning o'zgarishi bilan elektr qarshiligini o'zgartirish uchun jismlarning taniqli xususiyati tufayli ishlaydi. Bundan tashqari, metall termometrlarda qarshilik harorat oshishi bilan deyarli chiziqli ravishda oshadi. Yarimo'tkazgichli termometrlarda, aksincha, qarshilik kamayadi.

Metall qarshilik termometrlari elektr izolyatsiya qiluvchi korpusga joylashtirilgan nozik mis yoki platina simdan tayyorlanadi.

Termoelektrik termometrlarning ishlash printsipi ikkita o'xshash bo'lmagan o'tkazgichning xususiyatiga asoslanadi, ularning ulanish joyi, ulanish joyi qizdirilganda termoelektromotor kuch hosil qiladi. Bunday holda, o'tkazgichlar termoelektrodlar deb ataladi va butun tuzilish termojuft deb ataladi. Shu bilan birga, termojuftning termoelektromotor kuchining qiymati termoelektrodlar tayyorlangan materialga va issiq va sovuq birikmalar orasidagi harorat farqiga bog'liq. Shuning uchun, issiq birikmaning harorati o'lchanganda, sovuq birikmalarning harorati barqarorlashadi yoki uning o'zgarishi uchun tuzatiladi.

Bunday qurilmalar haroratni masofadan turib - bir necha yuz metr masofada o'lchash imkonini beradi. Shu bilan birga, nazorat qilinadigan xonada faqat juda kichik haroratga sezgir sensor, boshqa xonada esa indikator joylashgan.

Belgilangan harorat haqida signal berish va unga erishilganda tegishli uskunani yoqish yoki o'chirish uchun mo'ljallangan. Elektrokontaktli termometrlar turli xil laboratoriya, sanoat, energetika va boshqa qurilmalarda -35 dan +300 ° C gacha doimiy haroratni saqlash tizimlarida qo'llaniladi.

Elektrokontaktli termometrlar korxonaning texnik shartlariga muvofiq buyurtma asosida ishlab chiqariladi. Bunday termometrlar tizimli ravishda 2 turga bo'linadi:

- qo'lda sozlanishi kontakt haroratiga ega termometrlar,

— Doimiy yoki oldindan belgilangan kontakt haroratiga ega termometrlar. Bular termal kontaktorlar deb ataladi.

Raqamli termometrlar yuqori aniqlikdagi, yuqori tezlikda ishlaydigan zamonaviy qurilmalardir. Raqamli termometrning asosi modulyatsiya printsipi asosida ishlaydigan analog-raqamli konvertordir. Raqamli termometrning parametrlari butunlay o'rnatilgan sensorlarga bog'liq.

Kondensatsiya termometrlari past qaynayotgan suyuqlikning to'yingan bug' bosimining haroratga bog'liqligidan foydalangan holda ishlaydi. Ushbu asboblar boshqa an'anaviy termometrlarga qaraganda sezgirroq. Biroq, etil efir, metilxlorid, etilxlorid, aseton kabi ishlatiladigan suyuqliklar uchun bug' bosimiga bog'liqliklari chiziqli bo'lmaganligi sababli, termometr shkalasi notekis chiziladi.

Gaz termometri termometrik moddaning harorati va bosimi o'rtasidagi bog'liqlik printsipi asosida ishlaydi, bu cheklangan joyda qizdirilganda erkin kengayish imkoniyatidan mahrum.

Uning ishi qo'llaniladigan sezgir elementlarning plitalari yasalgan moddalarning issiqlik kengayishidagi farqlarga asoslangan. Bimetalik termometrlar dengiz va daryo kemalarida, sanoatda, atom elektr stantsiyalarida, suyuq va gazsimon muhitdagi haroratni o'lchash uchun keng qo'llaniladi.

Bimetalik termometr ikkita yupqa metall chiziqdan iborat, masalan, mis va temir, qizdirilganda, ularning kengayishi teng bo'lmagan holda sodir bo'ladi. Lentalarning tekis yuzalari bir-biriga mahkam bog'langan, ikkita lentaning bimetalik tizimi spiralga o'ralgan va bunday spiralning uchlaridan biri qattiq mahkamlangan. Bobin sovutilganda yoki qizdirilganda, turli metallardan yasalgan lentalar turli darajada qisqaradi yoki kengayadi. Natijada, spiral yoki burishadi yoki ochiladi. Spiralning erkin uchiga biriktirilgan ko'rsatgich o'lchov natijalarini ko'rsatadi.

KVARTS TERMOMETRLARI

Kvarts termometrlari piezo kvartsning rezonans chastotasining haroratga bog'liqligi asosida ishlaydi. Kvarts termometrlarining muhim kamchiliklari ularning inertsiyasi bo'lib, u bir necha soniyaga etadi va 100oS dan yuqori haroratlarda ishlayotganda beqarorlikdir.

Ushbu qiyinchilikdan xalos bo'lish uchun termometrik moddaning gaz bo'lgan holatini ko'rib chiqing. Buni suyuqlik bilan bir xil tarzda ishlatish mumkin emasligi aniq. Gaz uni o'z ichiga olgan butun idishni to'liq to'ldiradi. U erkin sirt yoki interfeys hosil qilmaydi. Uning hajmi u joylashgan idishning hajmiga teng. Biroq, isitish darajasining ortishi bilan gaz kengayadi, ya'ni idish elastik devorlarga ega bo'lsa, uning hajmini oshiradi, shunda gazning bosimi doimiy bo'lib qolishi mumkin. Aksincha, agar hajm doimiy bo'lsa, u holda gazning bosimi isitish darajasining oshishi bilan ortadi. Fransuz fiziklari J. A. C. Sharl (1787) va J. L. Gey-Lyussak (1802) tomonidan olib borilgan bunday empirik kuzatishlar gaz qonunlarining asosi bo'ldi, biz keyingi bobda muhokama qilamiz. Endi biz shunchaki aytamizki, gazning doimiy hajmdagi bosimi harorat oshishi bilan ortadi.

Shaklda ko'rsatilgan qurilmada. 2.3, shisha naychada chiziq o'yilgan (o'q bilan ko'rsatilgan); u atrofdagi suyuqlikning harorati bilan bosimi o'zgarib turadigan gaz hajmini belgilaydi. Kuzatilgan termometrik miqdor turli haroratlarda ma'lum hajmga mos keladigan bosim, ya'ni meniskni (gaz-suyuqlik interfeysi) o'yilgan belgida ushlab turish uchun zarur bo'lgan bosimdir. Bosim manometrdagi suyuqlik ustunining og'irligi bilan o'lchanadi, u suyuqlik bilan to'ldirilgan U shaklidagi trubkadir. (Bosim o'lchagichlar bilan bosimni o'lchash bo'yicha qo'shimcha ma'lumot olish uchun I-ilovaga qarang.) Shakl. 2.3 gaz termometri faqat sxematik tarzda ko'rsatilgan. Darhaqiqat, gaz termometri foydalanish uchun juda murakkab va qiyin asbobdir. Haroratning o'zgarishi bilan kolbaning o'zi hajmining o'zgarishini, hajmni aniqlash uchun ishlatiladigan suyuqlik bug'larining umumiy bosimga qo'shgan hissasini, suyuqlikning zichligi bilan o'zgarishini hisobga olish kerak. harorat va boshqalar.

Guruch. 2.3. Doimiy hajmli gaz termometri. Mutlaq haroratni aniqlash uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan aniq (og'ir bo'lsa ham) asbob.

Biroq, amaliy qiyinchiliklarga qaramay, printsip oddiyligicha qolmoqda.

Ma'lum bo'lishicha, bosim o'lchagichda ko'rsatilgan bosim, agar idishda qaynoq suv bo'lsa, unda suv va muz aralashmasi bo'lganidan ko'ra yuqoriroq bo'ladi. Bundan tashqari, harorat nisbatini bosim nisbati bo'yicha o'zboshimchalik bilan aniqlash mumkinligi aniq:

bu yerda s va i indekslari suvning qaynash va muzlash nuqtasini bildiradi (inglizcha steam - "bug '" va muz - "muz" so'zlaridan). Agar biz bu nisbatni turli gazlar uchun aniqlasak, masalan, geliy, azot, argon va metan uchun, har safar suvning muzlash nuqtasidagi atmosfera bosimiga teng bosimdan boshlab, ya'ni p = 760 mm Hg. biz termometrda ishlatiladigan gazdan qat'iy nazar taxminan bir xil qiymatga ega bo'lamiz. Bu doimiylik bizni harorat nisbatini aniqlash, hech bo'lmaganda, bu bir nechta gazlar uchun termometrik moddaning alohida tanlovidan deyarli mustaqil ekanligiga ishonch hosil qiladi.

Endi faraz qilaylik, kolbadagi gaz miqdori o'zgarishi mumkin, shuning uchun muzlash nuqtasidagi bosim har qanday oldindan belgilangan qiymat bo'lishi mumkin. Biz qaynash nuqtasidagi va muzlash nuqtasidagi bosimlarning nisbati ma'lum darajada kolbadagi gaz miqdoriga, ya'ni muzlash nuqtasidagi bosimga bog'liq bo'lishini aniqlaymiz. Ko'p vaqt sarflab, biz bir qator vijdonli tadqiqotchilar tomonidan o'rnatilgan naqshni topamiz, ya'ni dastlabki bosimning pasayishi bilan turli gazlar uchun bosim nisbati bir xil qiymatga yaqinlashadi. Turli gazlar uchun bu nisbatning bosimga (kolbadagi gaz miqdori bilan belgilanadi) bog'liqligini chizib, biz rasmda ko'rsatilgan grafikni olamiz. 2.4.

Nolga moyil bo'lganda, ya'ni qiymatlarni vertikal o'qga ekstrapolyatsiya qilishda barcha gazlar uchun 1,36609 ± 0,00004 ga teng bo'lgan bir xil chegara qiymati olinadi. Barcha o'rganilayotgan gazlar uchun tasdiqlangan bu holat gazning kimyoviy tarkibidan qat'i nazar, harorat nisbati bir xil qiymatga ega ekanligini anglatadi. Shunday qilib, biz ikki harorat uchun bu munosabat amal qilish shartidan foydalanib, endi harorat shkalasini aniqlashimiz mumkin

Bu nisbat o'lchovni to'liq aniqlamaydi, chunki bizda ikkita noma'lum miqdor va ular orasida faqat bitta nisbat mavjud. Keling, shart bilan ham tanishtiramiz

Bu shart Selsiy shkalasi bilan bir xil daraja qiymatini o'rnatadi, bunda (2) va (3) tenglamalarni birgalikda yechib, buni topish oson.

Bosimga mos keladigan har qanday boshqa harorat uchun yozish mumkin

Boshqacha qilib aytganda, gaz termometrik shkalasi bo'yicha jismning haroratini topish uchun ma'lum hajmdagi gazning p bosimini aniqlash kerak, bu gaz tana bilan etarli vaqt davomida aloqa qilgandan keyin aniqlanadi. termal muvozanatga erishish uchun (amalda, bu bosim vaqt o'tishi bilan o'zgarishni to'xtatishi kerakligini anglatadi).

Guruch. 2.4. Doimiy hajmli gaz termometri bilan bajarilgan o'lchovlar natijalari. Juda past bosim (zichlik) chegarasida barcha gazlar nisbatning bir xil ekstrapolyatsiya qilingan qiymatini beradi

Bundan tashqari, p bosimini, muz va suv aralashmasi bilan bir xil hajmda va termal muvozanatda o'ralgan gazning bir xil miqdorini aniqlash kerak. Keyin haroratni T bosim nisbatini 273,16 ga ko'paytirish orqali topish mumkin. To'g'ri natijaga erishish uchun ma'lum hajmdagi gaz miqdori kamayishi bilan ushbu nisbatning chegara qiymatini olish kerak.