Проблемы при измерении низких и сверхнизких температур.

Измерение температуры

Температура может быть определена как параметр теплового состояния, характеризующий направление перехода теплоты. Значение этого параметра обусловливается средней кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела. При соприкосновении двух тел, например газообразных, переход тепла от одного тела к другому будет происходить до тех пор, пока значения средней кинетической энергии поступательного

движения молекул этих тел не будут равны.

С изменением средней кинетической энергии движения молекул тела изменяется степень его нагретости, а вместе с тем изменяются также физические свойства тела. При данной температуре кинетическая энергия каждой отдельной молекулы тела может значительно отличаться от его средней кинетической энергии. Поэтому понятие температуры является статистическим и применимо только к телу, состоящему из достаточно большого числа молекул; в применении к отдельной молекуле оно бессмысленно.

К пространству со значительно разреженной материей статистические законы неприменимы. Температура в этом случае определяется мощностью потоков лучистой энергии, пронизывающей тело, и равна температуре абсолютно черного тела с такой же мощностью

излучения.

Известно, что с развитием науки и техники понятие «температура» расширяется. Например, при исследованиях высокотемпературной плазмы было введено понятие «электронная температура», характеризующее поток электронов в плазме.

Нулевой закон термодинамики:

Если системы A и B находятся в тепловом равновесии и системы B и C находятся в тепловом равновесии, то системы A и C также находятся в тепловом равновесии между собой.

На основании этого закона делается вывод о существовании абсолютной температуры как термодинамического параметра, обладающего свойствами эмпирической температуры, но не зависящего от способа её измерения. Равенство температур есть условие теплового равновесия систем (или частей одной и той же системы).

Данный закон указывает на возможность применения сторонних, пробных тел, называемых термометрами, для определения теплового состояния и способности к теплообмену системы.

Термометром может быть любая макроскопическая система, удовлетворяющая следующим требованиям:

1. Система должна иметь термометрический параметр θ, заметно меняющийся от количества теплоты полученного или отданного системой в процессе теплового взаимодействия.

2. Система должна быть значительно меньше исследуемой системы.

Это условие необходимо для сведения к минимуму обмена энергией во время измерения.

Примеры таких систем (термометров):

1. Жидкость в стеклянной трубке малого диаметра (ртуть, спирт, …).

θ – высота жидкости в трубке.

2. Газ заключенный в сосуд с постоянным объемом (газовый термометр постоянного объема). θ – давление газа.

3. Газ заключенный в сосуд с постоянным давлением (это газовые термометры постоянного давления). θ – объем занятый газом.

4. Электрический проводник со стабилизированным слабым током (термометр сопротивления). θ – сопротивление.

5. Парамагнитное вещество. θ – магнитная восприимчивость образца.

6. Спай двух металлов (термопара). θ – термоЭДС.

В 1990-ом году была введена Международная температурная шкала МТШ-90 (ITS-90).

Международная температурная шкала (МТШ-90) введена в соответствии с решением XVIII Генеральной конференции по мерам и весам. МТШ-90 по сути является практической температурной шкалой и заменяет собой предыдущую Международную практическую температурную шкалу МПТШ-68. Основные изменения в шкале связаны с изменением температур реперных точек, расширением диапазона определения шкалы, введением новых интерполяционных приборов и новых методик построения интерполяционных зависимостей для платиновых термометров сопротивления. Шкала считается очень близко аппроксимирующей термодинамическую шкалу температур, поэтому слово «практическая» было опущено в ее названии.

Международная температурная шкала постоянно развивается и дополняется. Так, в октябре 2000 г. Международный комитет по мерам и весам при МБМВ утвердил новую предварительную низкотемпературную международную шкалу ПНТШ-2000 (PLTS-2000), которая расширяет диапазон МТШ-90 в низкотемпературной области. Шкала начинается с температуры 0,902 мК, соответствующей твердому состоянию ³He и доходит до температуры 1 К, таким образом перекрывая диапазон МТШ-90 в интервале 0,65 -1 К. Шкала основана на измерении давления при плавлении ³He.

В июне 2005 г. Консультативный комитет по термометрии выпустил Техническое приложение к МТШ-90, которое получило статус обязательного приложения к тексту шкалы. Дополнение касается определения температуры тройной точки воды и основано на результатах анализа расхождений значений температур ампул тройной точки воды, использующих воду разного изотопного состава.

Обычные измерения определяют не абсолютную термодинамическую температуру, а некоторую температуру (интерполированную или аппроксимированную) относительно нескольких реперных точек. Это связано с калибровкой приборов и невозможностью точного определения температур.

Диапазон,	Метод определения температуры/шкалы
0.65 - 5 К	Через соотношение температуры и давления паров 3He и 4He (конденсационный термометр, разновидность газового термометра постоянного объема (подробнее – см. ниже))
	0.65- 3.2 К	3He
	1.25 – 5 K	4He
3.0 – 24.5561 К (ТТ неона)	Газовый гелиевый термометр – с помощью 3 реперных точек и интерполяции.
13.8033 К – 961.78°С (темп. затвердевания серебра)	Платиновые термометры сопротивления, калиброванные по ряду реперных точек, и с использованием интерполяции
Больше 961.78°С	С помощью данного реперной точки и закона излучения Планка.

Некоторые реперные точки МТШ-90:

№	Состояние равновесия	Приписанное значение температуры, К
1	Тройная точка водорода (в равновесии между орто- и пара-модификациями)	13.8033
2	Тройная точка неона	24.5561
3	Тройная точка кислорода	54.3584
4	Тройная точка аргона	83.8058
5	Тройная точка ртути	234.3156
6	Тройная точка воды	273.1600
	И т.д. (при более высоких температурах)

Проблемы при измерении низких и сверхнизких температур.

Обеспечение теплового контакта измеряемого образца и термометра (пайка, тепловые мосты – например, из меди или серебра, однако, при сверхнизких температурах они становятся сверхпроводниками, и нужно подбирать материалы - несверхпроводники). Если требуется хороший тепловой контакт и электроизоляция, то используется очень тонкие изоляционные материалы до 25 мкм (папиросная бумага).
Теплоемкость при низких температурах очень мала. Небольшое количество тепла может вызвать большое повышение температуры системы – это методическая погрешность.

Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 28; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!