Термометр. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Термометр (от греч. therme- тепло и metreo- измеряю)- прибор для измерения температуры. Действие термометра основано на зависимости различных аддитивных физ. величин от температуры. При измерении термометром приводится в тепловое равновесие с объектом, температура к-рого определяется. Бесконтактные высокотемпературные термометры, основанные на измерении параметров оптич. излучения, наз. пирометрами.

В каждом типе термометров непосредственно измеряется определ. физ. величина, связанная с температурой известной зависимостью, к-рая наз. температурной шкалой. Если эта зависимость является следствием второго начала термодинамики, то такой термометр измеряет температуру по термодинамич. температурной шкале и термометр называется первичным. Среди первичных термометров наиб. значение имеет газовый термометр, действие к-рого основано на уравнении состояния идеального газа; для одного моля газа оно имеет вид

где p-давление газа, V-его объем, Т-темп-pa, R - универсальная газовая постоянная. Газовый термометр - осн. прибор при построении Международной практической температурной шкалы. Обычно применяют газовый термометр пост. объёма (рис.), для к-рого p₁/р₂ = T₁/Т₂. Этот термометр обеспечивает точность 2 · 10^-3 К в интервале температур от 2 до 400 К. Для учёта отклонений свойств реального газа (гелий) от идеального измеряют температуру при неск. давлениях заполнения, а затем экстраполируют к p=0 или применяют вириальное ур-ние состояния:

(В, С-вириальные коэф.). В точном газовом термометром учитывается наличие газа в трубке, соединяющей колбу с манометром (вредный объём), изменение объёма колбы с температурой, адсорбция газа и примесей в нём стенками колбы и перепад давлений на концах трубки, вызванный разностью температур колбы и манометра (термомолекулярное давление). Газовый термометр пост. объёма градуируется измерением давления р₁ в одной точке, темп-pa к-рой известна (обычно T₁=0 °С).

Первичным термометром, в к-ром также применяется газ, может служить акустический термометр Скорость звука u₀ в неограниченном пространстве, заполненном идеальным газом, связана с термодинамич. температурой ф-лой

где g - отношение теплоёмкости газа при пост. давлении к теплоёмкости при пост. объёме, М - молекулярная масса газа. Отличие свойств реального газа от идеального учитывается таким же способом, как и в газовом термометром. В реальном акустич. термометром измеряется скорость звука в трубе акустич. интерферометра ,учитываются вязкость газа, теплообмен, акустич. волны со стенками интерферометра и акустич. импеданс излучателя. Найти влияние этих факторов с нужной точностью не удаётся, и акустич. термометр при низких температурах (2-20 К) имеет точность на порядок меньшую, чем газовый. Она может быть повышена в неск. раз при использовании сферич. акустич. резонатора.

Схема простейшего газового термометра: 1 - баллон, заполненный газом; 2 - соединительная трубка; 3 - измеритель давления (манометр).

Первичным может служить термометр, основанный на измерении шумового напряжения на электрич. сопротивлении r, обусловленного тепловыми флуктуациями в нём. Ср. значение квадрата напряжения шумов

связано с температурой Найквиста формулой

где Df-полоса частот, в к-рой производится измерение напряжения. Точность шумового термометра обычно не превышает 0,1%, и его применяют при очень низких (ниже неск. К) или при высоких (св. 1000 К) темп-pax, а также в условиях высокого радиац, фона, когда происходит сравнительно быстрое разрушение любого термометра. Акустич. и шумовой термометр не нуждаются в градуировке, т. к. кельвин входит в газовую постоянную R и в постоянную Больцмана k.

Для измерения температур ниже неск. К часто применяют первичный магнитный термометр, основанный на Кюри законе для идеального парамагнетика .Магн. восприимчивость такого парамагнетика связана с температурой ф-лой

(С-константа Кюри). При очень низких темп-pax, когда тепловые возбуждения не могут воспрепятствовать магн. упорядочению диполей, модель идеального парамагнетика неприменима. Ограничения для использования магн. термометр при высоких темп-pax связаны в осн. с быстрым падением его. чувствительности (~1/T ²). К числу наиб. употребительных парамагн. материалов относятся церий-магниевый нитрат (в интервале температур 0,006-3 К), а также медь и платина (при температурах 10^-6 -0,1 К), в к-рых система диполей образована ядерными магн. моментами, к-рые на 3 порядка величины меньше, чем электронные магн. моменты.

В реальном магн. термометре применяется модифицированный закон Кюри:

он позволяет учесть взаимодействие магн. диполей (D, d), наличие составляющей восприимчивости, не зависящей от температуры (А), а также геом. факторы аппаратуры (А, В и D). Для нахождения всех констант магн. термометр приходится градуировать при 4 известных температурах.

Первичные термометры, как правило, сложны и непригодны для практич. измерений, где применяются вторичные термометры, к-рые градуируют по показаниям первичных термометров. К числу распространённых вторичных термометров относятся жидкостные термометры, в к-рых используется различие в величинах теплового расширения жидкости и прозрачной оболочки, к-рую она заполняет. Положение мениска жидкости в капилляре, припаянном к оболочке, определяется температурой, к-рая отсчитывается по делениям на шкале, расположенной вдоль капилляра. Для разных диапазонов жидкостные термометры заполняют пентаном (от -200 до 35 ''С), спиртом (от -80 до 80 °С), ртутью (от -35 до 600 °С). Оболочку изготовляют из спец. сортов стекла и подвергают старению, а для точных и высокотемпературных термометров - из кварцевого стекла. Высокотемпературные ртутные термометры заполняют азотом под давлением 1-20 атм - для предотвращения перегонки ртути в свободный более холодный конец капилляра. При точных измерениях учитывается темп-pa ртути в капилляре, для чего ртутные термометры погружают в измеряемую среду целиком или до уровня жидкости в капилляре или вводится поправка на выступающий столбик ртути, температура к-рого измеряется отд. термометром. Точность лучших ртутных Т. при измерениях температуры до 100 °С достигает неск. мК. Жидкостные Т. непригодны для автоматич. измерений и постепенно вытесняются электрическими.

Из электрических термометров наиб. распространены термометры сопротивления. Их действие основано на зависимости сопротивления чистых металлов от температуры. В металлах она обусловлена рассеянием электронов проводимости на тепловых колебаниях решётки и в осн. линейна. При темп-pax ниже 20 К, где сказывается рассеяние электронов на дефектах структуры, и при высоких темп-pax, когда возникают дополнит. вакансии, зависимость сопротивления от температуры перестаёт быть линейной.

В металлическом термометре сопротивления чаще всего применяются высокочистые платина, медь и никель. Чувствительный элемент металлич. термометра изготовляют из проволоки, укреплённой на изолирующем каркасе, или из металлич. плёнки, нанесённой на подложку, и, как правило, помещают в защитный кожух. Для получения стабильных показаний проволока укладывается на каркасе свободно, с тем чтобы избежать её деформаций вследствие различий теплового расширения проволоки и каркаса. Чувствительный элемент отжигается, и проволока становится очень мягкой. Для платиновых эталонных термометров, воспроизводящих Международную температурную шкалу, применяется проволока, в к-рой примеси не обнаруживаются при спектральном анализе, а отношение сопротивлений термометра при 100°С и при 0 °С для таких термометров должно быть не менее 1,3925. Эталонные платиновые термометры имеют точность от 1 до 10 мК. В техн. металлич. термометрах проволока закреплена жёстко, что обеспечивает прочность прибора, но приводит к падению точности до 0,1 - 1 К.

При низких темп-pax (до 0,5 К) наиб. точны термометры из сплавов, содержащих небольшое (0,5%) кол-во магн. металла (напр., сплав родия с железом или сплав платины с кобальтом). Зависимость от температуры у этих Т. связана с дополнит. рассеянием электронов проводимости на магн. примеси, при к-ром спин электрона меняет направление (Кондо эффект), и с постепенным упорядочением ориентации магн. моментов примеси при понижении температуры. Такие Т. в области температур ниже 14 К обладают чувствительностью в сотни раз большей, чем платиновые. Стабильность их очень высока, поскольку прочность отожжённой проволоки из таких сплавов гораздо выше, чем прочность платиновой проволоки.

Термометры, использующие температурную зависимость полупроводников, очень разнообразны и применяются при низких темп-pax. Часто используются Т. из германия, легированного сурьмой или мышьяком, с добавлением до 10% акцепторной примеси. При этом ширина запрещённой зоны снижается до сотых долей эВ и при темп-pax ниже 100 К все примесные атомы ионизованы. При понижении температуры число ионизов. атомов и соответственно электронов в зоне проводимости экспоненциально уменьшается и при 10 К становится пренебрежимо малым. При более низких темп-pax проводимость полупроводника не связана со свободными электронами, она продолжает падать экспоненциально, но по иному закону. Чувствительность германиевых Т. очень высока, их сопротивление меняется на десятки процентов при изменении температуры на 1 К вблизи 20 К и на сотни процентов вблизи 2 К. Полупроводниковые Т. различаются по осн. веществу, легирующим материалам, их концентрациям и способам легирования.

Широко распространены также Т. из углеродных материалов (для измерения темл-р от 0,01 до 10 К), термисторы из окисей магния, никеля и кобальта (для измерения ср. температур) и из окисей редкоземельных элементов (для температур до 1000 К). Сопротивление этих Т. растёт с понижением температуры. Их проводимость обусловлена преодолением электронами энергетич. барьера на границах зёрен. Углеродные Т. чувствительны к присутствию адсорбированного на границах зёрен атм. кислорода, поэтому чувствительные элементы таких Т, герметизируются.

Применяются также Т., основанные на температурной зависимости эдс термопар, электрич. ёмкости сегнетоэлек-трика, падения напряжения на полупроводниковом диоде, резонансной частоты пьезокварца, давления плавления ге-лия-3 (от 1 мК до 0,5 К) и т. д. Т. различаются по условиям их применения: метеорологические, медицинские, глубоководные, инкубаторные и др.

Литература по термометрам

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.