Вимірювання тиску. Одиниці вимірювання тиску

Лекція 2

Вимірювання параметрів стану

Вимірювання тиску.

Вимірювання температури.

Яке тіло обрано в якості термометричного в абсолютній термодинамічній шкалі температур? В чому переваги такого вибору?
Перерахуйте опорні точки в Міжнародній практичній шкалі температур.
Якими термометрами і методами вимірюються температури в різних інтервалах.

На попередній лекції було відзначено, що стан макроскопічної системи визначається набором зовнішніх і внутрішніх параметрів та температурою. Нагадаємо, зовнішні параметри визначаються положенням тіл, які не входять до розглядуваної системи. Наприклад, об’єм газу обмежується стінками посудини, напруженість електричного поля залежатиме від розташування зарядів зовні нашої системи. Внутрішні параметри визначаються сукупним рухом частинок системи і їх розташуванням у просторі – густина, тиск, енергія, намагніченість і т.і.

В рівноважному стані внутрішні параметри залежать від зовнішніх параметрів і температури. Зв’язок між зовнішніми і внутрішніми параметрами та температурою описується рівнянням стану. Якщо рівняння стану відомо, можна за відомими параметрами встановити невідомі. На цьому побудовані принципи вимірювань фізичних величин.

На попередній лекції, виходячи з корпускулярних уявлень про будову речовини, було отримано рівняння стану ідеального газу, яке зв’язує його об’єм, тиск і температуру. Сьогодні поговоримо про способи визначення даних параметрів стану. Почнемо з тиску.

Вимірювання тиску. Одиниці вимірювання тиску

Спочатку торкнемось одиниць вимірювання. В системі СІ за одиницю тиску приймається тиск, при якому на 1 м² поверхні перпендикулярно до неї діє сила в 1 ньютон. Така одиниця називається паскаль (Па):

1 Па = 1 Н/м².

Це дуже мала величина (коли ми з вами розв’язували задачі, ви побачили, що в умовах Па майже не зустрічається), тому на практиці більш зручно користуватись одиницею на п’ять порядків більшою, яка має назву бар:

1 бар = 10⁵ Па.

В системі СГС тиск вимірюється в одиницях дін/см²:

1 дін/см² = 0.1 Па.

В техніці використовується одиниця тиску, яка має зазву технічна атмосфера (скорочено ат), яка дорівнює 1 кгс/см². Вона лише на 2% відрізняється від бара:

1 ат = 1 кгс/см² = 98066,5 Па 0,98 бар

Фізична атмосфера (атм) рівна тиску стовпчика ртуті висотою 760 мм. Вважаючи, що густина ртуті дорівнює 13,5951 кг/м³ і прискорення вільного падіння дорівнює 9,80665 м/с², отримаємо:

1 атм = 760 мм рт.ст. = 101325 Па » 1.013 бар

В області низьких тисків використовується одиниця тиску тор (міліметр ртутного стовпчика):

1 тор = атм = 133.322 Па.

Системними тут є тільки Па (СІ) та дін/см² (СГС), і це необхідно пам’ятати при розв’язуванні задач.

Тепер розглянемо прилади вимірювання тиску і їх класифікацію. Загальна назва приладу, з допомогою якого визначають тиск, - манометр. А прилади, призначені для вимірювання атмосферного тиску, називають – барометрами.

Манометри поділяються на:

– абсолютні (або первинні) – безпосередньо вимірюють тиск як величину, що дорівнює відношенню сили до площі;

– вторинні – вимірюють не тиск безпосередньо, а в певний спосіб пов’язану з тиском деяку іншу величину. Тому вторинні прилади потребують попереднього градуювання (тарировки), шляхом порівняння їх показників із показниками первинних приладів.

Відношення тисків, вимірюваних на практиці, складає величину 10²⁰, тому зрозуміло, що універсального методу визначення тиску не існує. Умовно до низьких відносіть тиск менше 1 тора, до високих – тиски порідку сотень атмосфер, до надвисоких – тиски більше десятків тисяч атмосфер.

Для вимірювання тисків від 1 тора до 1 атм найчастіше використовують рідинні манометри, які найчастіше заповнюються ртуттю. Рідинні манометри, які безпосередньо вимірюють тиск, відносять до класу найбільш точних приладів, призначених для даних цілей. Рідинніманометри являють собою U- подібну трубку як це представлено на рис. 1. Одне з колін відкачують до високого вакууму і запаюють. Друге коліно приєднується до досліджуваного об’єму. Різниця рівнів h в обох колінах дає одразу тиск в мм. рт. ст. Для того, щоб не вводити поправки на меніск рідини, трубки повинні бути однакового діаметра. (Як впливає кількісно на показники ртутного манометра бульбашка повітря, що попадає в запаяне коліно, ми розглянули на практиці).

Найпростіший барометр - барометр Торичеллі (1643) — трубка з ртуттю перекинута в посудину з ртуттю (рис. 2). Простір у трубці містить тільки пари ртуті, тиском яких при звичайній температурі можна знехтувати. Знову за висотою стовпчика ртуті визначаємо атмосферний тиск:

Рідинні манометри використовують також для вимірювання невеличких різниць тисків – диференціальні манометри. Їх схема представлена на рис. 3: манометр вимірює різницю тисків в посудинах А і В. Збільшити чутливість манометру можна, якщо використати замість ртуті легку рідину, в цьому випадку чутливість манометру збільшується до сотих долей мм.рт.ст.

Серед первинних манометрів для великих тисків у першу чергу треба зазначити поршневі манометри (див. рис. 4). Вони використовуються також для градуювання вторинних манометрів. Рідині через поршень, за законом Паскаля, передається вимірюваний тиск. Якщо, в свою чергу, площа рухомого поршня мала, то навіть при дуже великому тиску діюча на поршень сила може бути врівноважена іншою силою, значення якої відоме.

Манометри, якими вимірюється низький тиск, складають предмет вакуумної техніки. Це вторинні манометри і серед них виділяють іонізаційні та термоелектричні. Іноді використовую такий прийом: стискають досліджуваний газ до стану, коли можна вимірити тиск, а потім, знаючи умови стискування, можна обчислити вихідний малий тиск.

Вимірювання температури

Загальна назва приладу, з допомогою якого визначають температуру, - термометр. Якщо привести термометр у тепловий контакт із тілом, температуру якого необхідно виміряти, то через деякий час встановиться термодинамічна рівновага між термометром та тілом. Це дозволяє приписати тілу значення температури, що показує термометр. Виходячи з такого принципу вимірювань, одразу випливають вимоги до термометрів – вони не повинні змінювати стан тіла, температура якого вимірюється. (Пригадайте розміри відомих вам термометрів.) Цього можна досягти зменшенням розмірів термометрів.

Щоб визначити температуру кількісно, вводять температурну шкалу – систему правил, з допомогою якої кожна температура може бути охарактеризована певним числом. Проградуйований за даним правилом прилад, називається термометром. Основний елемент термометра – термометричне тіло – тіло, яке приводять у контакт із об’єктом, температуру якого необхідно визначити. Фізична величина, яка виступає в якості індикатора температури називається термометричною величиною. Приклади:

Рідинні термометри – т.т. – рідина – т.в. – її об’єм

Термометри опору - т.т. – металевий дріт або напівпровідник – т.в. – електроопір

Термопарні термометри - т.т. – термопара – т.в. – е.р.с.

Процедура введення температурної шкали наступна. Обирають термометричну величину – позначимо її буквою а. При нагріванні вона повинна змінюватись монотонно. Інакше не буде однозначного зв’язку між а та Т. З цього випливає, що об’єм води, наприклад, не підходить в якості термометричної величини, оскільки при 4^оС він має мінімальне значення. Далі, між а та Т обирають характер зв’язку:

Т = f(а).

Зв’язок може бути довільним, і отже з допомогою одного і того ж термометра можна побудувати нескінченну кількість температурних шкал. Найпростіший випадок – лінійна однорідна функція

Т = Аа. (1)

Вибір константи дасть одиницю температури – градус. На практиці поступають навпаки. Величину А знаходять, призначаючи певній точці певне значення температури або двом точкам – різницю температур. Такі точки називають реперними.

Приклад. До 1954 р. температурна шкала будувалась по двом реперним точкам – нормальній точці кипіння води Т_к та нормальній точці плавлення льоду Т_пл. За означенням, приймалось, що різниця температур цих точок рівна 100^о. Після цього для А маємо

де а_к та а_пл – значення термометричної величини у відповідних точках. Між тим краще відтворюється потрійна точка води, в якій у тепловій рівновазі знаходяться всі три фази – лід, вода і пара. В абсолютній термодинамічній шкалі температур або шкалі Кельвіна приймається, що температура цієї точки рівна 273.16 градусів точно. Для А маємо

Такий вибір дозволяє зберегти зв’язок із шкалою, в якій використовувались дві реперні точки, тобто різниця Т_к - Т_пл = 100 град, якщо в якості термометричного тіла використовується ідеальний газ.

Отже емпіричною температурою називають визначену з досліду міру відхилення термодинамічного стану тіла від стану теплової рівноваги із льодом, який тане при нормальному тиску. Існує безліч емпіричних температурних шкал, які відрізняються одна від одної термометричною величиною. Показники таких термометрів співпадають лише в реперних точках. Тобто ртутний, спиртовий, із мідного дроту термометри при визначенні температури одного і того ж тіла дадуть різні значення.

Але температура – об’єктивна міра інтенсивності теплового руху. З цієї точки зору перевагу надають якомусь одному типу термометрів і інші градуюють за основним.