Термометрия и калориметрия
Точные измерения температур являются неотъемлемой частью научно-исследовательских и технических работ, а также медицинской диагностики и биологии.
Диапазон известных температур очень широк. Самая низкая температура, полученная к настоящему времени, около 2 • 10-5 К. Верхний предел достижимых температур ничем не ограничен. Наибольшая температура достигнута в земных условиях при взрыве водородной бомбы и составляет примерно 108 К. В недрах звезд, по спектроскопическим данным, температура может достигать 109 К и более.
Температурный интервал окружающей среды, в которой могут длительно или кратковременно находиться биологические системы, сохраняя способность к функционированию, значительно уже. И совсем невелик (приблизительно от 0 до 90 °С) диапазон температур самих живых организмов в состоянии их активной жизнедеятельности.
Методы получения и измерения температур в широком диапазоне весьма различны. Отдел прикладной физики, в которой изучаются методы измерения температуры и связанные с этим вопросы, называют термометрией.
Как известно, температура не может быть измерена непосредственно. Для ее определения нужно установить температурную шкалу: выбрать термометрическое вещество и физическое свойство, зависящее от температуры (термометрическое свойство), условиться о начальной точке отсчета и единице температуры. Для этого обычно выбирают две основные температуры (реперные точки), соответствующие температурам фазовых переходов, например плавлению льда и кипению воды при определенных внешних условиях. Участок шкалы между этими точками называют основным интервалом. За начало отсчета принимают одну из реперных точек (например, 0 °С — температура плавления, или таяния льда), за единицу температуры — долю основного интервала. Так, 1 °С составляет 0,01 долю основного интервала.
Температурные шкалы различаются по термометрическому свойству или веществу. Можно построить огромное количество шкал, значительно отличающихся одна от другой, так как ни одно из свойств не зависит от температуры строго линейно и, кроме того, определяется природой вещества.
Принципиальным недостатком всех эмпирических шкал является их зависимость от свойств термометрического вещества. Независимая от свойств и вещества шкала построена на основе второго начала термодинамики и названа термодинамической шкалой температур. За реперную точку ее принята температура тройной точки воды 273,16 К. Определяется эта шкала с помощью цикла Карно. Измерив количества теплоты Qo и Qs в изотермических процессах этого цикла соответственно при температуре Т0 таяния льда и Тs кипения воды, можно найти
.
Аналогично, для произвольной температуры Т
где Q — количество теплоты, сообщенное системе в изотермическом процессе при температуре Т. Установленную таким образом температуру называют термодинамической.
Единицей термодинамической температуры является Кельвин (К) — 1/273,16 термодинамической температуры тройной точки воды. Кельвин как единица температурного интервала равен 1/273,16 интервала термодинамической температуры между 0К и тройной точкой воды.
Любая эмпирическая шкала приводится к термодинамической посредством введения поправок, учитывающих зависимость термометрического свойства данного вещества от температуры.
Так как температура определяется по значению какой-либо характеристики термометрического вещества, то ее определение состоит в измерении таких физических параметров и характеристик, как объем, давление, электрические, механические, оптические, магнитные свойства и т. п. Разнообразие методов измерения температуры связано с большим количеством термометрических веществ и их свойств, используемых при этом.
Термометры — устройства для измерения температуры — состоят из чувствительного элемента, в котором реализуется термометрическое свойство, и измерительного прибора (дилатометр, манометр, гальванометр, потенциометр и т. д.). Необходимое условие измерения температуры — тепловое равновесие чувствительного элемента и тела, температура которого определяется.
В зависимости от измеряемых интервалов температур наиболее распространены жидкостный, газовый термометры, термометр сопротивления, термопара как термометр и пирометры.
В жидкостном термометре термометрической характеристикой является объем, чувствительным элементом — резервуар с жидкостью (обычно ртуть или спирт). В пирометрах в качестве термометрической характеристики используется интенсивность излу-
чения (см. гл. 22). Принципиальное отличие пирометров от других термометров состоит в том, что их чувствительные элементы не находятся в непосредственном контакте с телом. Пирометры применяют для измерения сколь угодно высоких температур.
Используемый в медицине ртутный термометр указывает максимальную температуру и называется максимальным термометром. Эта особенность обусловлена его устройством: резервуар с ртутью отделен от градуированного капилляра волосяным сужением, которое не позволяет ртути при охлаждении термометра возвратиться в резервуар (рис. 10.12). Существуют и минимальные термометры, показывающие наименьшую температуру, наблюдаемую за длительный промежуток времени.
Многие процессы в физике, химии и биологии существенно зависят от температуры, поэтому получение и поддержание определенной температуры является важной задачей. Для этой цели служат термостаты — приборы, в которых температура поддерживается постоянной, что осуществляют либо автоматическими регуляторами, либо используют для этого свойство фазовых переходов протекать при неизменной температуре.
Для измерения количества теплоты, выделяющегося или поглощаемого в различных физических, химических и биологических процессах, применяют ряд методов, совокупность которых составляет калориметрию1.
Калориметрическими методами измеряют теплоемкость тел, теплоты фазовых переходов, растворения, смачивания, адсорбции, теплоты, сопровождающие химические реакции, энергию излучения, радиоактивного распада и т. п.
Подобные измерения производят с помощью калориметров. Эти приборы можно разделить на два основных типа: калориметры, в которых количество теплоты определяют по изменению их температуры, и калориметры, у которых температура постоянна и количество теплоты определяют по количеству вещества, перешедшего в • другое фазовое состояние (например, плавящееся твердое тело).
Группу методов измерения тепловых эффектов, сопровождающих процессы жизнедеятельности, называют также биокалориметрией, а соответствующие приборы — биокалориметрами.
Дата добавления: 2020-11-18; просмотров: 375;