работа на тему (стр. 1 из 7)

Министерство образования РФ

Воронежский Государственный Университет

Физический Факультет

Курсовая работа на тему:

Выполнил:

Студент 1 курса

Тонких В.А.

Проверил:

Доктор физико - математических

Грибков С.П.

2005 г.

Введение.

Существование цивилизации невозможно представить без измерений. Мы сталкиваемся с измерениями различных величин везде - от повседневного быта до сложнейших технических объектов и систем. В России эксплуатируется более одного миллиарда средств измерений, от самых простейших, таких как бытовые часы, термометры или весы, до сложных измерительных комплексов, обеспечивающих высокоточные измерения в навигационных, космических, энергетических и других системах.

Температура – важнейший параметр технологических процессов многих отраслей промышленности. Трудно себе представить область деятельности человека, где бы ни приходилось сталкиваться с температурными процессами. По оценкам отечественных и зарубежных специалистов технические измерения температуры составляют до 50% общего числа измерений. Поэтому качество температурного контроля часто обусловливает успех процесса производства. В связи с этим важнейшими задачами современного приборостроения и современной измерительной техники являются выбор надежных методов измерения температуры применительно к различным производствам, создание приборов необходимой точности, стабильности и быстродействия, а также исследование влияний на результат измерений всей совокупности факторов, сопутствующих измерительному процессу.

Понятие температуры.

Понятие температуры знакомо человечеству с глубокой древности. С тех пор оно существенно не изменилось. Как в древности, так и теперь температура является мерой «нагретости» тела. Взгляды древних ученых и современных расходятся лишь в описании ее сущности. Так в древности люди полагали, что температура есть результат наличия у тела особой невесомой материи – теплорода. Сейчас же известно, что температура есть мера внутренней энергии тела – энергии, обусловленной хаотическим движением молекул (частиц из которых состоят тела).

Понятие температуры легко ввести с помощью следующего наглядного эксперимента. Пусть у нас имеются два тела. Одно – более нагретое, другое – менее. Если мы два этих тела приведем в тесный контакт и изолируем от внешних тел, то мы заметим, что в системе происходят изменения: более нагретое тело отдает избыток имеющейся у него внутренней энергии и охлаждается, менее нагретое тело получает эту энергию и его температура повышается. Процесс будет идти до тех пор, пока температуры обоих тел не сравняются. Следовательно, температура является показателем внутренней энергии тела: чем больше внутренняя энергия у тела, тем выше его температура. Температура тел – величина, полностью определяющая интенсивность теплообмена и указывающая направление передачи энергии от одного тела к другому.

Более строгое определение температуры таково:

Температура – статистически формирующаяся термодинамическая величина, определяемая уровнем внутренней энергии тела. Носителями внутренней энергии тела, как уже было отмечено, являются атомы и молекулы тела, кинетическая энергия которых определяет температуру. Например, температура идеального газа, взаимодействие между молекулами которого не учитывается, связана с температурой следующим соотношением:

(1) , где - квадрат средней скорости молекул, m – их масса, k – постоянная Больцмана.

Распределение кинетической энергии поступательного движения молекул описывается распределением Максвелла для кинетических энергий молекул

(2) .

Кинетическая энергия вращательного движения молекул газа и колебательного движения атомов в кристаллической решетке твердого тела подчиняются аналогичным закономерностям. При интенсивных химических и ядерных реакциях, в ходе которых за небольшие промежутки времени выделяются колоссальные количества тепловой энергии, кинетическая энергия различных видов движения может быть распределена неравномерно. Для такого неравновесного состояния нет однозначного понятия температуры. В таких случаях различают неравновесные температуры: поступательную, колебательную, и вращательную, которые не равны друг другу. В процессе соударений молекул происходит обмен их импульсов и выравнивание распределения энергии между ними, т.е. устанавливается равновесное состояние, при котором все формы кинетической энергии ансамбля молекул и атомов тела характеризуются одинаковыми значениями температуры. Такую равновесную температуру называют термодинамической.

Из выражений (1) и (2) видно, что температура – статистическая величина, появляющаяся в результате анализа поведения большого числа частиц. Поэтому применительно к одной или нескольким молекулам понятия температуры нет. Нельзя говорить о температуре одной молекулы. Точно так же не имеет смысла говорить о температуре в некоторой точке данного тела. Можно лишь говорить о температуре, характеризующей состояние вещества внутри некоторого объёма тела.

Так как температура является мерой кинетической энергии молекул, а, следовательно, и их скорости, то должен существовать верхний предел температур встречающихся в природе. Из теории относительности известно, что скорость движения не может быть больше скорости света(c ~ 3*10⁸м/с). Поэтому получается, что «потолок» температур порядка 10¹²К. И действительно наблюдаемые в природе температуры находятся внутри интервала от 0 до 10¹²К.

Термодинамическая температура входит в фундаментальные соотношения, определяющие либо характер протекания ряда физических процессов, либо связь с другими физическими величинами. К таким фундаментальным соотношениям следует отнести следующие:

1. Уравнение состояния идеального газа – уравнение Менделеева – Клайперона PV=RT.(3)

2. Закон Кюри μ=c/T, (4) где μ – магнитная восприимчивость парамагнитной соли; с – постоянная, определяемая при градуировке.

3. Уравнение Найквиста, определяющее интенсивность тепловых шумов на концах активного сопротивления, вызванных флуктуациями носителей зарядов в проводнике

, (5) где h – постоянная Планка; ν – частота.

4. Формула Планка, определяющая свойства теплового излучения абсолютно черного тела для длины волны λ, Вт/м² ,

, (6) где с₁ и с₂ – постоянные.

5. Уравнение, определяющее скорость звука в газе,

, (7) где М – молекулярная масса газа, γ = с_р/с_v газа.

6. Уравнение Саха, определяющее степень термической ионизации газа α (отношение числа ионизированных атомов к общему числу всех атомов),

, (8) где g_i и g_а – статистические массы ионизированных атомов и всех атомов; m_э – масса электрона; р – давление газа; Е_i – энергия ионизации атомов.

Нужно отметить, что формулы (3) - (8) используются для измерения термодинамической температуры.

Температурные шкалы.

Экспериментальные (эмпирические) температурные шкалы.

Процесс измерения многих физических величин состоит в экспериментальном определении соотношения между значением измеряемой величины и величины, условно принятой за единицу.

Температура, являющаяся характеристикой внутреннего состояния тела и относящаяся к категории «интенсивных» физических величин (т.е. не зависящих от массы тела), не обладает свойством аддитивности. Это приводит к тому, что для измерения этой величины нужна не только единица измерения, но и шкала, по которой как бы «отсчитывается» значение температуры.

За единицу температуры в системе единиц СИ принят кельвин (К). Он определяется как

часть температуры тройной точки воды: температуры равновесия трёх фаз – твёрдой, жидкой и газообразной – чистой воды естественного изотопического состава. Она принята на 0,01 К выше температуры таяния льда. Воспроизводимость тщательно подготовленной тройной точки воды составляет 0,0002 К.

Температурная шкала – непрерывная совокупность чисел, линейно связанных с числовыми значениями какого – либо удобно и достаточно точно измеряемого физического свойства, представляющего собой однозначную и монотонную функцию температуры. Это свойство принято называть термометрическим свойством. Например, в ранней стадии развития термометрии за термометрическое свойство бралось свойство тел, изменять свой объём при изменении температуры тела.

Такие шкалы, построенные с использованием выбранного свойства конкретного рабочего тела, принято называть эмпирическими (экспериментальными).

Строятся эмпирические температурные шкалы достаточно просто.

Пусть у нас имеется произвольный термометр. Обозначим буквой a его термометрическую величину (например, объём жидкости, ЭДС, электрическое сопротивление и т.д.). При нагревании величина a должна изменяться монотонно. Иначе между температурой и термометрической величиной не будет взаимно однозначного соответствия. Так, например, объём воды нельзя принять за термометрическое свойство, т.к. эта функция проходит через минимум при 4˚С. По смыслу между термометрической величиной и температурой должна быть функциональная связь: