Termometriya

Термометрия — амалий физика ва метрологиянинг бир бўлими бўлиб, ҳароратни ўлчаш усуллари ва воситаларини ишлаб чиқишга бағишланган. Термометриянинг вазифаси қуйидагиларни ўз ичига олади: ҳарорат ўлчовларини ўрнатиш, стандартларни яратиш, ҳароратни ўлчаш учун асбобларни даражалаш ва калибрлаш усулларини ишлаб чиқиш.

Тарихи

Ҳароратни тўғридан-тўғри ўлчаш мумкин эмас. Шу муносабат билан, термометрия ўз ривожланишида ҳарорат ўлчовларининг бирлигига эришиш учун узоқ ва қийин йўлни босиб ўтди. Қадим замонлардан бери инсон сезгилари ёрдамида ҳароратни сифатли баҳолаш усули маълум. Шунинг учун қайноқ, иссиқ, совуқ тушунчалари мавжуд. Табиат ҳодисаларини сезги орқали идрок этиш асосида қуйидаги тушунчалар пайдо бўлди: қишки совуқ, ёзги иссиқлик, кечки салқинлик, қизил ва оқ иссиқлик, иссиқлик (касаллик пайтида кўтарилган тана ҳароратига нисбатан).

Ўрта асрларда қуйидаги тажриба қайта-қайта тасвирланган, унда бир қўлни иссиқ сувда, иккинчисини совуқ сувда ушлаб туриш ва кейин иккала қўлни илиқ сувга ботириш таклиф қилинган. Натижада, биринчи қўл илиқ сувни совуқ, иккинчиси эса иссиқ деб ҳис қилди. Организмнинг тана ҳароратининг ўзгаришига юқори сезувчанлигига қарамай (${\дисплайстйле 0{,}1\,\матҳрм К}$ гача) бизнинг ҳисларимиз билан ҳароратни миқдорий ўлчаш, ҳатто жуда тор диапазонда ҳам мумкин эмас.

Когнитив ва амалий мақсадларда ҳароратни ўлчаш зарурати ХВИ асрнинг ўрталарида пайдо бўлган. Бундай ўлчовлар учун кузатувлардан маълум бўлган баъзи параметрларнинг ҳароратга функционал боғлиқлигини қўллаш керак эди. Ҳавонинг қиздирилганда кенгайиш қобилияти И асрда Искандариялик Ҳерон томонидан маълум бўлган. Бу билан у олов нима учун кўтарилишини тушунтирди. 1597 йилда Галилей ҳароратни ўрганиш учун термоскопни таклиф қилди. У рангли суюқлик солинганган ингичка найча билан боғланган ҳаво билан тўлдирилган шиша идишдан иборат. Ҳароратнинг ўзгариши рангли суюқлик жойининг ўзгаришига олиб келиши мумкин. Бундай термометрларнинг муҳим камчиликлари уларнинг кўрсаткичларининг атмосфера босимига боғлиқлиги эди. Замонавий суюқ шиша термометрларга ўхшаш термометрнинг дизайни Галилейнинг шогирди, Тоскана герцоги Фердинанд лл номи билан боғлиқ. Термометр вертикал равишда жойлашган кўрсатувчи капиллярга эга спирт билан тўлдирилган кавшарланган шиша идиш эди. Даража бўлинмалари эмал томчилари билан тўғридан-тўғри капилляр найчага туширилган.

Термометриянинг метрологик асоси Падуалик шифокор Санторио томонидан қўйилган. Галилейнинг термоскопидан фойдаланиб, у қор ёғиши пайтидаги ҳароратга ва энг иссиқ кундаги ҳароратга мос келадиган иккита мутлақ нуқтани киритди ва барча Флоренция термометрлари намунали Санкориан-Галилей асбобига мувофиқ калибрланган текшириш тизимини тартибга солди. ХВИИИ асрнинг бошларида термометрик шкалани бир нечта осон ва ишончли такрорланадиган нуқталарга боғлаш бўйича бир қатор таклифлар илгари сурилди, кейинчалик улар „мос ёзувлар нуқталари“ деб номланди.

Ҳарорат ўлчовларини ишлаб чиқишда муҳим рол Фаренгейтга тегишли. У биринчи бўлиб симобни термометрик жисм сифатида ишлатган ва такрорланадиган ҳарорат шкаласини яратган. Фаренгейт шкаласида қорнинг аммиак билан аралашмасининг ҳарорати нолга тенг, иккинчи нуқта эса соғлом одамнинг тана ҳароратига тўғри келди. Ўлчовнинг охирги версиясида музнинг эриш ҳарорати 32 даража, инсон танасининг ҳарорати 96 даража ва дастлаб олинган қиймат бўлган сувнинг қайнаш нуқтаси 212 даража. Муваффақиятли тадбиркор бўлган Фаренгейт биринчи марта термометрларни оммавий ишлаб чиқаришни йўлга қўйишга муваффақ бўлди. Фаренгейт шкаласи ҳали ҳам АҚШда техник ва маиший ҳароратни ўлчаш учун ишлатилади.

1742 — йилда швед математиги ва геодезиячиси Селсий музнинг эриш нуқталари ва сувнинг қайнаш нуқтаси орасидаги диапазонни симоб термометрида 100 та тенг қисмга бўлишни таклиф қилди. Шкаланинг биринчи вариантида сувнинг қайнаш нуқтаси 0 даража, музнинг эриш нуқтаси эса 100 даража деб қабул қилинган. 1750 — йилда бу ўлчовни Селсийнинг талабаларидан бири Стриммер " тескарисига " ўзгартирган. ХХ аср бошларига қадар 1730 — йилда франсуз зоологи ва физиги Реаумур томонидан таклиф қилинган Реаумур шкаласи ҳам кенг тарқалган эди. Реаумур термометрик жисм сифатида этил спиртининг 80% ли эритмасидан фойдаланган. Реаумур шкаласининг бир даражаси, худди Флоренция термометри каби, суюқлик ҳажмининг мингдан бирига ўзгаришига тўғри келди. Музнинг эриш нуқтаси бошланғич нуқтаси сифатида қабул қилинди ва сувнинг қайнаш нуқтаси 80 даража эди.

1848 йилда Томсон (Келвин) мутлақ термодинамик шкалани таклиф қилди, у эмпирик шкалалардан фарқли ўлароқ, термометрик жисмнинг хусусиятларига боғлиқ эмас . Батафсил: Термодинамик ҳарорат .

Ҳароратни ўлчашнинг физик асослари

Юқорида айтиб ўтилганидек, ҳароратни бевосита ўлчаш мумкин эмас. Унинг ўзгариши жисмларнинг бошқа хусусиятларининг ўзгариши, масалан, ҳажм, босим, электр қаршилиги, термо-ЭЮК, нурланиш интенсивлиги ва бошқалар билан баҳоланади. маълум қонуниятлар билан ҳарорат билан боғлиқ. Шунинг учун ҳароратни ўлчаш усуллари асосан юқоридаги термометрик хусусиятларни ўлчаш усулларидир. Муайян усул ёки қурилмани ишлаб чиқишда, тегишли хусусият яхши такрорланадиган ва ҳарорат билан жуда сезиларли даражада ўзгариб турадиган термометрик жисмни танлаш керак. Жисмнинг термометрик хусусияти ҳароратга боғлиқлиги монотон ва сезиларли гистеризисга эга бўлмаган хусусиятдир, бу эса ҳароратни ўлчаш учун фойдаланиш имконини беради.

Ҳароратни ўлчаш учун, шунингдек, танланган даражадан унинг қийматлари ўлчанадиган ўлчов бирлиги ва шкала бўлиши керак. Эмпирик ҳарорат шкаласини яратиш принципи ҳарорат қийматлари тайинланган иккита ${\дисплайстйле т_1}$ ва ${\дисплайстйле т_2}$ асосий осон такрорланадиган мос ёзувлар нуқтасини танлашдан иборат. Ушбу қийматлар орасидаги ҳарорат оралиғи тенг миқдордаги ${\дисплайстйле Н}$ та қисмларга бўлинади ва ${\дисплайстйле 1/Н}$ қисми ҳарорат бирлиги сифатида қабул қилинади. Кейинчалик, ${\дисплайстйле Э}$ ─ термометрик катталикнинг физик хоссаси танланади. Масалан, суюқлик ҳажми, газ босими, электр қаршилиги, термо-ЭЮК ва бошқалар. Булар шартли равишда ҳароратга чизиқли боғлиқ деб ҳисобланади. Бундан қуйидаги тенглама келиб чиқади

${\дисплайстйле дт=кде,}$

Бу ерда ${\дисплайстйле к}$ ─ пропорционаллик (мутаносиблик) коэффициэнти. Интеграл шаклда ─

${\дисплайстйле т=ке+C.}$

${\дисплайстйле к}$ ва ${\дисплайстйле C}$ константаларни аниқлаш учун юқоридаги ${\дисплайстйле т_1}$ ва ${\дисплайстйле т_2}$ ҳароратлардан фойдаланамиз . Ўзгартиришлардан кейин интеграл тенглама шаклни олади

${\дисплайстйле т= т_1+ \фраc{т_2-т_1}{Э_2-Э_1}(Э-Э_1).}$

Охирги ифода масштаб тенгламаси деб аталади. У билан, ${\дисплайстйле Э}$ ўлчанган қийматларга кўра ${\дисплайстйле т}$ ҳарорат қийматларини топилади .

1954- йилгача ҳарорат шкаласи иккита турғун нуқтага асосланган эди: муз эришининг нормал нуқтаси ${\дисплайстйле т_1}$ ва сувнинг нормал қайнаш нуқтаси ${\дисплайстйле т_2}$ . Экспериментал тадқиқотлар шуни кўрсатдики, сувнинг уч ҳолат нуқтаси музнинг эриш нуқталари ва сувнинг қайнаш нуқталарига қараганда яхшироқ такрорланади. Шу муносабат билан, битта мос ёзувлар нуқтаси — сувнинг уч ҳолат нуқтасига асосланган ҳарорат шкаласини яратиш бўйича халқаро шартнома қабул қилинди. Мутлақ термодинамик ҳарорат шкаласи (Келвин шкаласи) деб аталадиган бўлсак, таърифга кўра, бу нуқтанинг ҳарорати айнан ${\дисплайстйле 273{,}16\,\матҳрм К}$деб тахмин қилинади. . Уч нуқта ҳароратининг рақамли қиймати муз ва қайноқ сувнинг нормал эриш нуқталари орасидаги интервал ${\дисплайстйле 100\,\матҳрм К}$ иложи борича аниқроқ бўлиши учун идеал газ термометридан фойдаланилади .

Тажрибалар шуни кўрсатадики, табиатда физик хоссалари ҳароратга қатъий чизиқли боғлиқ бўлган моддалар йўқ. ${\дисплайстйле к}$ коэффициэнтнинг ўзи ҳароратнинг функциясидир. Асосий ${\дисплайстйле т_1}$ ва ${\дисплайстйле т_2}$ нуқталарда бир-бирига тўғри келадиган турли хил ҳарорат хусусиятларига асосланган ҳарорат шкалалари белгиланган ҳарорат оралиғида ҳам, ундан ташқарида ҳам ҳарорат қийматларида номувофиқликларни беради. Юқорида айтиб ўтилган номувофиқликка қўшимча равишда, эмпирик ҳарорат шкалаларининг камчиликлари термометрик жисмларнинг мумкин бўлган ҳароратларнинг барча диапазонида ишлаши мумкин эмаслиги билан боғлиқ бўлган уларнинг узлуксизлигининг етишмаслигини ўз ичига олади.

Термометрлар

Термометр (юнонча тҳéрме ─ иссиқлик ва метрéо ─ ўлчайман) — ҳароратни ўлчайдиган қурилма.

Ўлчов техникасига қараб, термометрлар иккита асосий гуруҳга бўлинади:

1. Контактли термометрлар, сезгир элементлари (датчиклари) ўлчанган обект билан бевосита алоқа қилади (тегиб туради);

2. Об’эктнинг интеграл иссиқлик ёки оптик нурланишининг интенсивлигини масофадан ўлчайдиган контакциз термометрлар;

3. Махсус термометрлар. Улар ултра паст ҳароратларни ўлчаш учун ишлатилади.

Ишлаш принципига кўра контактли қурилмалар ва усуллари қуйидагиларга бўлинади:

а) ҳарорат ўзгариши билан суюқлик ёки газ ҳажмининг ўзгаришини ўлчайдиган ҳажмли (волюмометрик, имглизча — волуме) контактли термометрлар;

б) Дилатометрик термометрлар, уларда ҳарорат ҳарорат ўзгариши билан ҳар хил қаттиқ жисмларнинг чизиқли кенгайиши билан баҳоланади. Баъзи ҳолларда датчиги чизиқли кенгайишнинг турли коэффициэнтларига эга бўлган иккита металлдан тайёрланган биметалик пластинка бўлиб, у қиздирилганда ёки совутилганда эгилади;

c) Термоэлектрик термометрлар, уларнинг датчиклари терможуфтлар бўлиб, улар учлари электр пайвандланган иккита турли ўтказгичлардир. Терможуфтдаги бирикмалар орасидаги ҳарорат фарқи мавжуд бўлганда, термо-э.ю.к пайдо бўлади. Ҳарорат термо-э.ю.к қиймати ёки терможуфт занжириидаги ток қиймати билан ўлчанади;

д) Қаршилик термометрлари ─ ишлаш принципи ҳароратнинг ўзгариши билан ўтказгич ёки яримўтказгичли асбоб (термистор) қаршилигининг ўзгаришига асосланган.

Контакциз усуллар ва қурилмаларга қуйидагилар киради:

а) Радиометрия (радиометрлар) ─ жисмнинг ўз термал нурланиши билан ҳароратни ўлчаш. Паст ва хона ҳарорати учун бу нурланиш инфрақизил тўлқин узунлиги соҳасида.

б) Термал тасвирлаш (термик тасвирлар) — фазовий ўлчамлари ва ҳарорат майдонини телевизор тасвирига айлантириш билан, баъзан ранг контрасти билан радиометрик ҳароратни ўлчаш. Ҳарорат градиэнтларини, ёпиқ жойларда муҳит ҳароратини, масалан қувурлардаги суюқликларнинг ҳароратини ўлчаш имконини беради.

в) Пирометрия (пирометрлар) — ўз-ўзидан ёруғлик берувчи жисмларнинг юқори ҳароратларини ўлчаш: олов, плазма, астрофизик обектлар. Ёрқинлик стандарти (ёрқинлик пирометри ва ёрқинлик ҳарорати) билан обектнинг ёрқинлигини таққослаш принципи қўлланади; ёки стандарт ранги билан обектнинг ранги (ранг пирометри ва ранг ҳарорати); ёки стандарт нурлантиргич томонидан чиқариладиган энергия билан обект томонидан чиқарилган иссиқлик энергиясини таққослаш орқали (радиация пирометри ва радиация ҳарорати).

Термометрия асос бўлган асосий тенгламалар

1. Клапейрон газ ҳолати тенгламаси . Бу тенглама идеал газ ҳарорат шкаласини яратиш учун ишлатилади.

${\дисплайстйле пВ=\фраc{м}{М}РТ.}$

2. Суюқликлар ва газлар ҳажмининг ҳароратга чизиқли боғлиқлигини ифодаловчи иссиқлик кенгайиш тенгламаси ҳароратларни ўлчашнинг ҳажмли усулининг асосидир.

${\дисплайстйле В_т = В_0(1 + \алпҳа_0 т).}$

3. Ҳароратга боғлиқ бўлган қаттиқ жисмларнинг термал чизиқли кенгайиш тенгламалари ҳароратни ўлчашнинг дилатометрик усули асосида ётади.

${\дисплайстйле Л_т = Л_0(1 + \бета т).}$

4. Қаршилик термометрлари ўтказгичлар қаршилигининг ҳароратга чизиқли боғлиқлиги тенгламасига асосланади.

${\дисплайстйле Р_т = Р_0(1 + \гамма т).}$

5. Термал нурланиш ва ҳароратнинг умумий энергиясини функционал боғлиқлик билан боғлайдиган Стефан-Болтзман қонуни ҳароратни ўлчашнинг контакциз усуллари асосида ётади.

${\дисплайстйле Ф=\сигма Т^4,}$

Бу ерда ${\дисплайстйле Ф}$ — абсолют қора жисмнинг интеграл нурланиши , ${\дисплайстйле \сигма}$ — Стефан-Болцман доимийси.

Магнит термометрия

1 К дан паст ҳароратларни ўлчаш учун парамагнетнинг магнит сезгирлигининг ҳароратга боғлиқлигидан фойдаланилади (Кюри қонуни). Магнит сезувчанликнинг ўлчанган қиймати термодинамик ҳароратдан Кюри қонунидан четланиш даражасига қараб бир миқдор билан фарқ қилувчи магнит ҳароратни топиш учун ишлатилади.

ГОСТ 8.157-75 „Амалий ҳарорат шкаласи“ серий -магний нитрат термометрининг магнит сезгирлигининг ҳароратга боғлиқлигига асосланган 0,01 дан 0,8 К гача бўлган ҳароратлар учун шкалани ўрнатади .

Адабиёт

• Базаров И. П.. Термодинамика. М.: Высшая школа, 1991. ИСБН 5-06-000626-3. 
• Белоконь Н. И.. Основные принципы термодинамики. М.: Недра, 1968. 
• Різак В.,Різак І., Рудавський Е.. Кріогенна фізика і техніка. К.: Наукова думка, 2006. ИСБН ИСБН 966-87641-4-5. 
• Сивухин Д. В.. Общий курс физики. Т. ИИ. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Физматлит, 2005. ИСБН 5-9221-0601-5. 
• Козлов М. Г.. Метрология и стандартизация. Учебник. М., СПб: Петербургский ин-т печати, 2001. 
• Иванова Г. М., Кузнецов Н. Д., Чистяков В. С.. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергоатомиздат, 1984. 
• Трайбус М.. Термостатика и термодинамика. М: Энергия, 1970. 
• Физика. Большой энциклопедический словарь. М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. ИСБН 5-85270-306-0. 
• Асланян А. М., Асланян И. Ю., Масленникова Ю. С., Минахметова Р. Н., Сорока С. В., Никитин Р. С., Кантюков Р. Р. Диагностика заколонних перетоков газа комплексом високоточной термометрии, спектралной шумометрии и импулсного нейтрон-нейтронного каротажа // Территория „НЕФТЕГАЗ“. 2016. № 6. С. 52-59. (Wайбаcк Мачине сайтида 2016-08-11 санасида архивланган)