|
|
|
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ И ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВЧеловеческое тело способно ощущать температуру, что не является точным методом измерения внешнего тепла. Ощущения человека являются не только нелинейными, но и относительными, поскольку основаны на предшествующем опыте. Однако люди без труда обнаруживают разницу между холодными и теплыми объектами. Почему же эти объекты воспринимаются по-разному? Каждая частица нашей вселенной находится в постоянном движении. Можно считать, что температура является мерой кинетической энергии колеблющихся частиц. Чем быстрее движение, тем выше температура частицы. Конечно же, молекулы и атомы в заданном объеме материала двигаются не с одинаковой скоростью, поскольку на микроскопическом уровне все они находятся при разной температуре. Средняя кинетическая энергия большого количества двигающихся частиц определяет макроскопическую температуру объекта. Эти процессы изучаются в статистической механике. В этой статье будут рассмотрены методы и устройства измерения макроскопической средней кинетической энергии частиц материала, которая, в свою очередь, определяет температуру материала. Поскольку температура зависит от движения молекул, она тесно связана с давлением, то равно силе, приложенной к молекулам на единице площади. Когда различные материалы соприкасаются, атомы и молекулы, двигающиеся в них, взаимодействуют друг с другом. Более того, каждый колеблющийся атом ведет себя как микроскопический передатчик, посылающий электромагнитное излучение в окружающее пространство. Все это и позволяет осуществлять передачу тепла от теплых объектов к холодным. Чем интенсивнее движение атомов, тем выше температура и тем сильнее электромагнитное излучение. Даниэль Фаренгейт, датский изобретатель инструментов, в 1706 году для своего термометра в качестве нулевой точки выбрал холодную температуру смеси воды, льда и поваренной соли. В качестве второй точки он выбрал температуру 96 градусов, определяемую «температурой крови здорового человека» (На самом деле, для Фаренгейта число 96 было просто удобным, поскольку оно хорошо делилось на 2, что позволяло легко наносить деления. Однако Фаренгейт не учитывал, что температура крови зависит от национальности человека и многих других факторов. Для измерения температуры используются специальные устройства, называемые термометрами, которые либо контактируют с объектом, либо принимают его электромагнитное излучение и вырабатывают на выходе физический сигнал. Именно этот сигнал и является мерой температуры объекта. Слово термометр впервые появилось в литературе в 1624 году в статье J.Leurechon «La Recreation Mathematique» [30]. создатель описал устройство стеклянного термометра, заполненного водой, деление шкалы того составляло 8 градусов. Первый термометр, независимый от давления, был изготовлен герцогом Тоскании Фердинандом II в 1654 году. Он представлял собой герметично запаянную трубку, заполненную спиртом. Тепловая энергия, часто называемая теплом, измеряется в калориях (калория, измеряющая калорийность пищи, в действительности равна 1000 физических калорий и называется килокалорией). Одна калория (кал) равна количеству тепла, необходимому для нагрева 1 грамма воды на 1 градус при нормальном атмосферном давлении. В США часто используется английская единица тепла: БТЕ (Британская тепловая единица). 1 БТЕ = 252.02 кал.Температурные шкалы Существует несколько температурных шкал. Первая нулевая температура была установлена в 1664 году Робертом Гуком в точке замерзания дистиллированной воды. В 1694 году Карл Ренальди из Падуи предложил использовать две точки: точку таяния льда и точку кипения воды, в качестве двух реперных точек на линейной температурной шкале. Он разделил весь интервал температур на 12 равных частей. К сожалению, его предложение было забыто почти на 50 лет. В 1701 году Ньютон также предложил использовать две фиксированные точки для задания температурной шкалы. Для первой точки он выбрал температуру плавления льда (нулевая точка), а для второй — температуру подмышкой здорового англичанина, которую назвал точкой 12. По шкале Ньютона вода кипела в точке 34. Пластины прикреплены с левой стороны к опорной стене. При нагреве пластин, т.е. Сейчас уже доказано, что температура здорового человека находится в пределах 97... 100° F (36...37.7°С), но во времена датского изобретателя лучшего термостата, чем человеческое тело еще не существовало). На его шкале точка плавления льда равнялась 32°, а кипения воды — 212°. В 1742 году профессор астрономии Андреас Цельсий предложил шкалу, в той нуль — это точка таяния льда, а 100 — температура кипения воды. В настоящее время в научных и технических разработках обычно применяются две шкалы: Цельсия и Кельвина. Шкала Кельвина базируется на, так называемой, тройной точке воды, соответствующей давлению 4.58 мм ртутного столба, при котором вода одновременно находится в трех состояниях: в виде пара, жидкости и льда. Температура тройной точки воды равна 273.16 К (Кельвин) или ~0°С. Шкала Кельвина является линейной, где нулевая точка (0 К) соответствует температуре, при той кинетическая энергия всех двигающихся частиц равна нулю. Эту точку невозможно реализовать на практике, она является чисто теоретической величиной, называемой абсолютным нулем. Между шкалами Кельвина и Цельсия существует разница в 0.01°, вызванная тем, что нуль градусов Цельсия определяется не тройной точкой воды, а температурой, при той лед и насыщенный влагой воздух при атмосферном давлении находятся в динамическом равновесии. Температура кипения воды равна 100°С = 373.15 К. Шкала Фаренгейта имеет более крутой наклон, поскольку 1°С = 1.8°F. Шкалы Цельсия и Фаренгейта пересекаются при температуре -40°С и °F. Тепловое расширение Все твердые объекты с ростом температуры увеличиваются в объеме, что происходит в результате колебательного движения атомов и молекул. При увеличении температуры среднее расстояние между атомами растет, что приводит к расширению всего твердого тела. Строго говоря, коэффициент а зависит от действительной температуры. Однако для большинства практических применений некрупными изменениями а можно пренебречь. Для, так называемых, изотропных материалов, коэффициенты расширения в любом направлении равны. Небольшие изменения площади объекта и его объема с высокой степенью точности можно выразить при помощи выражений. Тепловое расширение — очень полезное физическое явление, на основе того реализовано много сенсоров, которые либо измеряют тепловую энергию, либо используют ее в качестве сигнала возбуждения. Рассмотрим многослойную структуру, состоящую из двух пластин X и У, склеенных друг с другом (рис.3.38А). Пластины имеют одинаковые толщину и площадь поверхности и идентичные модули упругости, но разные коэффициенты теплового расширения. изменении их температуры с Tt до Т2, пластина X увеличится больше, чем пластина У. Зона скрепления двух пластин не позволит пластине X расширяться равномерно, одновременно, заставляя пластину У увеличиваться больше, чем требует ее коэффициент а. Все это приводит к возникновению внутреннего напряжения, в результате того структура прогибается вниз. И, наоборот, в случае охлаждения пластин вся структура изогнется вверх. Радиус изгиба можно оценить при помощи выражения [36]: 
В результате изгиба максимальное отклонение наблюдается на свободном конце конструкции. Это отклонение может служить мерой изменения температуры. Предполагается, что при калибровочной температуре структура занимает горизонтальное положение; хотя это не всегда так, поскольку форма структуры при калибровке диктуется условиями конкретной задачи Фактически, биметаллическая структура является преобразователем температуры в перемещение. 
Рис. 3.38 А — изгиб двухслойной структуры, в той каждый
слой имеет свой собственный коэффициент расширения, Б — биметаллическая
спираль, используемая как датчик температуры
Большинство таких преобразователей выполняются в виде
биметаллических пластин из сплавов железа-никеля-хрома. Они хорошо себя
зарекомендовали в температурном диапазоне — 75...+600°С. Однако для измерения
небольших температурных изменений биметаллические пластины не подходят,
поскольку имеют очень большой радиус изгиба (несколько метров) и,
следовательно, очень маленькие отклонения конца структуры. Отклонение конца
биметаллической пластины можно определить при помощи формулы:
Такое отклонение очень трудно заметить невооруженным
взглядом, поэтому в промышленных термометрах биметаллическая пластина
изготавливается в форме спирали (рис. 3.38Б). Это позволяет значительно
увеличить длину L, а, следовательно, и величину отклонения Д. Для
вышеприведенного примера при L = 200 мм, отклонение становится равным 4.2 мм,
что значительно больше предыдущего значения. В современных датчиках биметаллические
структуры изготавливаются методами микротехнологий.
Теплоемкость Когда объект нагревается, его температура повышается. Под нагревом подразумевается передача объекту определенного количества тепла или тепловой энергии. Тепло в объекте накапливается в виде кинетической энергии вибрации атомов. Можно провести аналогию между максимально возможным количеством воды в резервуаре и количеством тепла, то может поглотить объект. Естественно, что количество воды в резервуаре не может превышать его объем, называемый емкостью резервуара. Подобно этому, любой объект можно характеризовать теплоемкостью, которая зависит как от материала объекта, так и от его массы т. Удельная теплоемкость описывает сам материал, в то время как теплоемкость является характеристикой объекта, сделанного из этого материала. Строго говоря, удельная теплоемкость не является постоянной величиной во всем температурном диапазоне, включая все состояния материала. Она может существенно меняться при изменении состояния материала, к примеру, при переходе от твердой фазы к жидкой. На микроскопическом уровне удельная теплоемкость отражает структурные изменения материала. к примеру, в температурном ряду жидкой фазы удельная теплоемкость воды является почти постоянной. Почти, но не совсем: она становится несколько выше в окрестности температуры замерзания и несколько ниже — в районе 35°С и в интервале 38...100°С. Также было отмечено, что самая низкая удельная теплоемкость воды соответствует 37°С: биологически оптимальной температуре всех теплокровных животных. В Приложении приведены значения удельных теплоемкостей различных материалов в единицах системы СИ. Для перевода единиц из системы в систему можно использовать соотношение: 
Можно отметить, что, как правило, чем тяжелее материал, тем ниже его удельная теплоемкость. .
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
