Глава 5 ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ЕЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ

Температура - физическая величина, характеризующая степень нагретости вещества или системы. Допускают применение двух температурных шкал: термодинамической шкалы Кельвина и стоградусной шкалы Цельсия. За абсолютный нуль термодинамической температуры принят О К. В температурной шкале Цельсия температура плавления чистого льда принята равной О⁰С, а температура кипения чистой воды при давлении в 101325 Па (1 атм, 760 мм рт. ст.) принята равной 100 °С.

(Т_тт - тройная точка; T_кип - температура кипения воды;

Т_кр - критическая температура;

TK=t^o C

Однако нулевые точки этих шкал отличаются на 273,15 ⁰С

0 К = -273,15 ⁰ С,

поэтому t= (T- 273,15) °С.

Кельвин (Томсон) Уильям (1824-1907) - английский физик. Цельсий Андрс (1701-1744) - шведский астроном. Свой термометр изобрел в 1742 г.

В качестве реперной точки термодинамической шкалы температур выбрана температура тройной точки воды Т_тт (рис. 87). Ее можно легко эксперимен­тально определить и воспроизвести в температурном интервале меньше миллиградуса. Координаты тройной точки: давление 611 Па, температура 273,160 К. Температура плавления льда (0 °С) ниже на 0,0100 ⁰С температуры тройной точки воды и равна 273,150 К (см. рис. 87). Один кельвин в термодинами­ческой шкале температур равен 1/273,160 термодинамической температуры тройной точки особо чистой воды.

Кроме этих двух шкал в зарубежной справочной и техни­ческой литературе встречаются еще шкалы Ранкина, Реомюра и Фаренгейта. Для перевода температур, выраженных по шкалам Ранкина (t_Ra), Реомюра (t/_R) и Фаренгейта (t_F), в температуру по шкале Цельсия применяют соотношения:

t (°С) = 5/9t_Ra -273,15 = 5/4/_R = 5/9(t_F - 32). (5.1)

В шкале температур Фаренгейта за нуль температуры принята температура таяния смеси льда с NH4Cl или NaCl, равная -32 F. В качестве второй точки была выбрана температура тела здорового человека, равная 96 F. По шкале Фаренгейта температура кипения воды при 1 атм, или 101325 Па, отвечает +212F . В Шкале температур Реомюра за нуль температуры принята температура таяния льда, но точке кипения воды при 101325 Па = 1 атм присвоено значение 80°R. Интервал между этими точками разбит на 80 частей, и 1/80 часть представляет собой градус Реомюра.

В шкале температур Ранкина за нуль температуры принят абсолютный нуль. (О К), а размер градуса Ранкина равен градусу Фаренгейта. Поэтому по шкале Ранкина температура таяния льда равна 491,67°Ra, а кипения воды 671,67°Ra.

Ранкин Уильям Джон (1820-1872) - шотландский физик.

Реомюр Рене Антуан Фершо (1683-1757) - французский естествоиспыта-тель. В 1730 г. изобрел спиртовой термометр.

Фаренгейт Габриель Даниель (1686-1736) - голландский физик и стеклодув Одним из первых стал изготовлять точные термометры.

Измерения температур производят при помощи жидкостных газовых и паровых термометров, термопар, термисторов, пирометров различных типов, керамических пироскопов и кварцевых резонаторов (последние в книге не рассматриваются).

5.1. Ртутные термометры

Наиболее простым прибором для измерения температуры яв­ляется жидкостной (ртутный, галлиевый, спиртовой) термометр. Ртутный термометр применяют для измерения температур

от -30 до +630 ⁰С, а в отдельных случаях и до 800 ⁰С. Ртутный термометр состоит из почти цилиндрического резервуара, за­полненного ртутью, и вакуумированной капиллярной трубки. Ртутные термометры бывают палочными (толстостенный капил­ляр, шкала снаружи) (рис. 88, а) и трубчатыми с вставной плас­тинкой (рис. 88,б-д), на которой нанесена температурная шкала.

Нижняя граница области применения ртутных термометров определяется температурой затвердевания ртути (-38,87 °С), а верхняя - температурой кипения ртути при давлении 0,1 МПа (1 атм) (+356,58 °С). Тем не менее возможно применение ртут­ных термометров и для измерения более высоких температур. В этом случае их готовят из кварцевого стекла (см. разд. 1.1), а капилляры заполняют азотом или аргоном под значительным давлением. В частности, для температур от 300 до 500 °С давле­ние в капилляре составляет 1,5 МПа.

Ртутные термометры не обладают высокой точностью изме­рения температуры (предел точности 0,001 °С), но зато они удобны в обращении, а их стеклянная оболочка в достаточной мере термически и химически устойчива. Сравнительно боль­шие размеры ртутного резервуара не позволяют применять жид­костные термометры для измерения температур малых объектов Непригодны ртутные термометры и для дистанционного измерения температуры.

Палочные термометры (рис. 88, а) представляют собой тол­стостенные капиллярные трубки с внешним диаметром 5-8 мм на внешней стороне которых вытравлены деления, закрашенные черной или красной краской. Такие термометры обладают статочной механической прочностью и виброустойчивостью.



Рис. 88. Ртутные стеклянные термометры: палочный (а), с вставной пластинкой (б- г) и со шлифом (д):

1 - предохранительное расширение; 2 - капилляр; 3 - расширение капилляра; 4 - ртут­ный резервуар; 5- пробка; 6 - вставная шкала; 7- шлиф

Недостатком этих термометров является то, что они имеют узкий капилляр, в котором движение ртути при медленном из­менении температуры может прекратиться на некоторое время из-за капиллярного сопротивления. Чтобы устранить "мертвый ход" ртути, перед отсчетом следует слегка постучать по боку термометра пальцем или стеклянной палочкой с резиновым наконечником.

Термометры с изогнутым капилляром (рис. 88, г) применяют для измерения температур объектов, имеющих только боковые отверстия. Термометры со шлифом (рис, 88, д) могут иметь

ножку различной длины. Их используют в сосудах, имеющих прошлифованные горла или тубусы.

Рис. 89. Термометр Бекмана: общий вид (а) и верхняя часть (б):

1 - камера; 2, 9 - капилляры; 3 - вспомогательная шкала;

4 - разделительная капельница, 5, 7 - расширенные части капилляров;

6- основной резервуар; 8 - основная шкала
Термометры Аншютца - укоро­ченные термометры, рассчитан­ные на определенный узкий ин­тервал температур, например 100, ПО, 260-270 ⁰С. Ими измеряют температуры от -30 до +300 °С. Такие термометры имеют на ка­пилляре расширение выше метки 0 °С, и рабочий интервал температур зависит от размеров этого дополнительного резервуара. Цена деления шкалы термометров Ан­шютца 0,5 °С. Применяют такие термометры для измерения темпе­ратур в малогабаритных сосудах.

Аншютц Рихард (1852—1937) - немецкий профессор оганической химии Бонского университета.

Для точного измерения небольшой разности температур (не выше 5 °С) в температурном интервале от 20 до 150 °С приме­няют термометры Бекмана.

Термометры Бекмана, или метастатические термометры (рис. 89), имеют основную шкалу 8 длиной 25-30 см, поделенную всего на 1-5 градусов, с отметками между ними каждые 0,01 ^oС. В верхней части термометра расположена сифонообразная каме­ра 1, в которую переливают часть ртути из нижнего резервуара 6, или наоборот. Чем выше интервал измеряемых температур, тем больше ртути должно быть перелито из нижнего резервуара 6 в верхнюю камеру 1. Термометр помимо основной имеет еще вспомогательную шкалу 3 для предварительного определения нижнего предела измерения при переливании ртути из резерву­ара 6 в камеру 1.

При настройке термометра на более низкие температуры, на­оборот, часть ртути из верхней камеры переливают в основной резервуар. Для этого термометр переворачивают верхней частью вниз и, слегка постукивая пальцем, загоняют каплю ртути в расширение 7. Затем переворачивают термометр и согревают рукой нижний ртутный резервуар 6 или опускают его в стакан с подогретой водой. Столбик ртути, поднимающийся из нижнего резервуара, должен соединиться с капелькой ртути, находя­щейся в расширении 7.

Настроенный термометр нельзя класть на стол. Он должен быть укреплен вертикально за головку в штативе. Точность тер­мометра Бекмана при измерении разности температур составля­ет 0,001 °С, если отсчет производить при помощи лупы или оп­тической трубы.

Бекман Эрнст Отто (1853-1923) - немецкий профессор химии. Свой термометр сконструировал в 1888 г. для определения молярной массы растворенных вещсств криоскопическим методом.
Термометр Сикса. Его применяют для фиксирования достиг­нутых максимальных или минимальных значений температур (рис. 90, а). Он заполняется двумя жидкостями: нижняя часть

термометра заполнена ртутью 1, а над ней в капилляре и резервуаре 2 находится бензол или этанол. В обоих плечах термометра на ртути плавают железные поплавки 4 в виде отрезков стальной проволоки длиной 5-10 мм и диаметром чуть меньше диаметра капилляра. Поплавки сдвигаются при подъеме ртути ц остаются на месте при обратном ее движении. Максимальное и минимальное значение температуры за какой-то промежуток времени определяют по положению поплавков. В исходном по­ложении на поверхность столбиков ртути поплавки устанавли­вают с помощью магнита.

При заполнении термометр устанавливают в горизонтальном положении и вводят в него такое количество ртути, чтобы высо­та ее в сосуде 5 была выше капилляра 4, но не касалась бы спи­ральной трубки 3. Затем прибор тщательно откачивают через трубку 1 и охлаждают нижнюю часть трубки б, содержащей со­ответствующую жидкость. После этого прибор запаивают в точ­ке/и устанавливают вертикально. Жидкость вводят в трубку б через боковой отросток, который также запаивают (на рисунке не обозначен).

охлаждать такие термометры надо мед­ленно, погружая сначала в измеряемую среду резервуар с тер­мометрической жидкостью, а затем, через 3-4 с, остальную часть термометра. Иначе возможна значительная погрешность в измерении температуры. Хранят термометры с органическими жидкостями в вертикальном положении.

Термометры устанавливают в приборах и сосудах по возмож­ности в непосредственном контакте жидкостного резервуара с измеряемой средой, чтобы не увеличивать запаздывание показа­ний термометра и размеры прибора и сосуда. Если термометр надо поместить во фтороводородную кислоту, в концентрирован­ный водный раствор гидроксида щелочного металла или в авто­клав (см. разд. 12.2), необходима защитная гильза, но следует позаботиться о том, чтобы зазор между резервуаром жидкости и внутренней поверхностью гильзы был как можно меньше (гильзу надевают на жидкостной резервуар). Для лучшей теплопере­дачи в гильзу добавляют несколько капель силиконового масла так, чтобы в него был погружен весь резервуар термометра.

Для сред, взаимодействующих со стеклом, гильзу выполняют из фторопласта-4 или полиэтилена, которые можно использовать до температур 250 °С и 110 °С соответственно.

Так, ртутные термометры обладают термической инерт­ностью, они не сразу воспринимают температуру измеряемой среды. Если температура среды постоянна, то приходится выжидать некоторое время, чтобы вся ртуть в резервуаре термо­метра успела принять температуру окружающего пространства.

Наиболее частое повреждение - разрыв ртутного столбика, который может произойти по ряду причин, но чаще всего из-за резкого охлаждения термометра, нагретого перед этим до высо­кой температуры. Такое повреждение удается исправить, если осторожно нагреть термометр до температуры, при которой столбики ртути соединяются. После этого термометр следует

медленно охладить.

Большим недостатком стеклянных термометров является из­менение показаний со временем из-за старения стекла, в ре­зультате которого происходит изменение объема ртутного резер­вуара и капилляра, приводящего к смещению нулевой отметки. Практически несмещаемую нулевую отметку имеют только тер­мометры, изготовленные из кварцевого стекла.

Следует иметь в виду, что обычная гарантия на правильность показаний стеклянных термометров с поправками, указанными в паспортах, составляет около года. После этого срока термо­метры даже при правильном обращении с ними следует прове­рять по образцовому термометру и вводить к их показаниям соответствующие поправки.

Одной из наиболее важных поправок, которую надо вводить к показаниям даже новых термометров, является поправка на выступающий столбик ртути. Температура ртути в этом столби­ке t₂ (рис. 91, а-в) всегда отличается от температуры t₁ ртути в резервуаре термометра (показание термометра). Поправка, учи­тывающая эту разность температур, равна

t= αl(t₁-t₂) (5.2)

где α - коэффициент расширения ртути в стекле, равный для палочных терметров 0,000168 и для термометров с вставной пластинкой 0,000158; l - длина выступающего столбика ртути в градусах данного термометра.

Определение значения l приведено для разных случаев измерения температуры на рис. 91.


Рис. 91. К определению температуры выступающего столбика ртути:

1 - термометр Лншютиа; 2 - выступающий столбик ртути; 3 - мениск;

Значение t₂ определяют, приложив конец термометра Аншютца (см. рис. 91, а) к середине выступающего столбика ртути. Более точную поправку получают, применяя вспомога­тельный термометр 4 (рис. 91, в) с удлиненным ртутным резер­вуаром (5-20 см). Верхний конец резервуара должен находиться на уровне мениска 3 проверяемого термометра, а нижний ко­нец - в измеряемой среде 5.

Только при погружении термометра в измеряемую среду вы­ше уровня ртути в капилляре показания его будут точными и поправку на выступающий столбик ртути вводить не понадобит­ся.

Какие значения t может принять эта поправка, видно из следующего примера.

Термометр с линейкой помещен в алюминиевый блок до де­ления +20 °С, а показание термометра равно 220 °С. Температу­ра стенки термометра на середине выступающего столбика ртути составляет 18 °С. Отсюда значение l= 220 - 20 = 200, а t₁ - t₂ = 220 - 18 = 202, следовательно, поправка на выступающий столбик ртути составит: t = 0,000158x200x202 = 6,38 °С. Таким образом, температура алюминиевого блока равна 220 + 6,38 = 226,38 ⁰С.

Проверка термометра по истечении его гарантийного срока начинается с установления положения нулевой точки термомет­ра- Для этого термометр погружают в ледяную кашицу, получен­ию из льда чистой воды. Лед мелко толкут в чистой фарфоровой ступке (см. разд. 2.8) и промывают чистой водой, охлажденной до 0 ^oС. Полученную кашицу помешают в стакан вместимостью

250 мл, который в свою очередь вставляют в стакан большего размера, также наполненный льдом. Лучше ледяную кашицу помещать в сосуд Дьюара (см. рис. 33). Проверяемый термометр опускают в лед чуть выше нулевой отметки, при этом он не должен касаться стенок и дна сосуда. Чтобы уточнить положе­ние мениска ртути, термометр несколько приподнимают над уровнем кашицы и затем снова опускают.

Если в течение нескольких минут показание термометра не изменяется, его записывают, а разность между ним и нулем ис­пользуют в качестве поправки. Например, термометр, погру­женный в ледяную кашицу, показал значение температуры рав­ное +0,5 ⁰С, следовательно, все показания этого термометра при проведении измерений следует уменьшать на 0,5 °С.

Затем производят калибровку термометра по точке кипения чистой воды при помощи прибора с насадкой Кальбаума 7 (рис. 92, а) или простого эбулиометра (рис. 92, б). В том и другом приборе пар не возвращается в колбу 4, в которой кипит особо чистая вода. Во избежание влияния капель перегретой воды и теплового излучения на показания проверяемого термометра l, его помещают в трубку 2, омываемую со всех сторон паром. В эбулиометре для предотвращения попадания капельно-жидкой фазы на ртутный баллон термометра на пути потока пара поме­шают стеклянную вату 3 или короткие обрезки стеклянных тру­бочек. Для равномерного кипения воды на нагревателе 6 в кол­бу 4 следует всегда класть капилляры 5, запаянные с одного конца, или кусочки пористого фарфора. Термометр погружают в трубку 2 выше деления 100 °С.

После того как вода закипит, термометр выдерживают в при­боре до тех пор, пока мениск ртути не установится на постоян­ном уровне.

Температура кипения воды зависит от атмосферного давле­ния и только при давлении 101325 Па (760 торр) она считается равной 100,000 °С. Поэтому температуру кипения воды, пока­занную проверяемым термометром, сравнивают с табличным значением температуры кипения воды при атмосферном давле­нии, показанном барометром (см. разд. 10.4) в момент измере­ния температуры. Разность табличного и измеренного значений и будет являться поправкой к показаниям данного термометра.

Например, показание термометра при давлении 97324 Па (730 торр) было равно 98,60 ⁰С. Из справочника установлено, что при этом давлении температура кипения воды должна быть равна 98,88 °С. Следовательно, погрешность в показаниях термометра составляет 98,88 - 98,60 = 0,28 °С. Эту поправку следует прибавлять к показаниям термометра при его использовании.

Проверять показания термометра можно и по эталонному термометру, помещая оба термометра рядом либо в воду (до 100 °С ). либо в парафиновое масло (до 250 °С).

0011

Рис 92 Приборы для проверки термометра по температуре кипения воды:

с насадкой Кальбаума (а) и эбулиометр(б)

Ртутные ре­зервуары обоих термометров должны соприкасаться друг с другом. Воду или парафиновое масло перемешивают при мед­ленном повышении температу­ры: одно малое деление шкалы термометров в минуту. Показа­ния термометров снимают с помошью лупы или зрительной трубы. Перед этим термометры0 слегка постукивают деревянной палочкой. Чтобы не делать поправку на выступающий стол­бик ртути, оба термометра погружают в жидкость на одно и те же число градусов.

Кальбаум Гебрг Вильгельм Август (1853-1905) - немецкий физик и химик, конструктор многих лабораторных приборов.