Номер 2, страница 130 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

2. Принципы, которыми руководствуются при изготовлении термометров и их градуировке. Современные термометры.

Принципы, которыми руководствуются при изготовлении термометров и их градуировке

В основе работы любого термометра лежит использование физического свойства некоторого вещества (называемого термометрическим телом), которое однозначно и монотонно изменяется с изменением температуры. Это свойство называется термометрической величиной.

Основные термометрические величины, используемые в термометрах:

1. Объем жидкости или газа при постоянном давлении (используется в жидкостных и газовых термометрах).

2. Давление газа при постоянном объеме (в газовых термометрах).

3. Электрическое сопротивление проводника или полупроводника (в термометрах сопротивления и термисторах).

4. Термоэлектродвижущая сила (ЭДС), возникающая в месте контакта двух разнородных проводников (в термопарах).

5. Интенсивность теплового излучения тела (в пирометрах или бесконтактных термометрах).

Процесс градуировки термометра заключается в установлении функциональной зависимости между значением термометрической величины и температурой. Для этого необходимо выбрать температурную шкалу. Создание шкалы требует выбора двух основных элементов:

1. Реперные точки: Это легко и точно воспроизводимые температуры, соответствующие определенным фазовым переходам чистых веществ. Исторически для шкалы Цельсия были выбраны температура плавления льда (принята за 0 °C) и температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении (принята за 100 °C).

2. Способ деления интервала: Интервал между реперными точками делится на равное число частей (например, на 100 для шкалы Цельсия). Предполагается, что термометрическая величина изменяется линейно с температурой в этом интервале. Если $\text{X}$ – это термометрическая величина, то температура $\text{t}$ определяется как $t = aX + b$, где константы $\text{a}$ и $\text{b}$ находятся из измерений в реперных точках.

Современная международная температурная шкала (МТШ-90) основана на абсолютной термодинамической шкале Кельвина. Она использует одну главную реперную точку – тройную точку воды, температура которой по определению равна $273.16$ К ($0.01$ °C). Температура в кельвинах ($\text{T}$) связана с температурой в градусах Цельсия ($\text{t}$) соотношением: $T(K) = t(°C) + 273.15$.

Ответ: Принцип изготовления термометров основан на зависимости какого-либо физического свойства вещества (объем, давление, сопротивление) от температуры. Градуировка термометра — это процесс создания шкалы путем соотнесения значений этого физического свойства с температурами в стандартных, воспроизводимых условиях (реперных точках), таких как точки плавления и кипения воды.

Современные термометры

Современные термометры можно классифицировать по принципу их действия:

1. Жидкостные термометры. Основаны на тепловом расширении жидкости (чаще всего подкрашенного спирта или галинстана — сплава галлия, индия и олова, заменившего токсичную ртуть). Они просты, дешевы, но имеют ограниченный диапазон измерений и относительно невысокую точность. Применяются в быту и лабораториях.

2. Механические (биметаллические) термометры. Принцип действия основан на изгибе пластины, сваренной из двух металлов с разными коэффициентами теплового расширения. При изменении температуры пластина изгибается, приводя в движение стрелку. Они прочны, но не очень точны. Используются в бытовых приборах и некоторых промышленных установках.

3. Электронные (цифровые) термометры. Это наиболее распространенная группа, включающая в себя несколько типов:

- Термометры сопротивления: В качестве чувствительного элемента используется платиновый (например, Pt100, Pt1000) или медный резистор. Его сопротивление линейно зависит от температуры. Обладают высокой точностью и стабильностью в широком диапазоне температур. Широко используются в промышленности и научных исследованиях.

- Термопары: Состоят из спая двух проводников из разных материалов. При нагреве спая возникает ЭДС (эффект Зеебека), величина которой зависит от температуры. Термопары имеют очень широкий диапазон измерений (от -200 °C до +2300 °C), прочны и недороги.

- Термисторы: В качестве датчика используется полупроводниковый материал, сопротивление которого очень сильно (экспоненциально) зависит от температуры. Они обладают высокой чувствительностью, но работают в узком диапазоне температур и имеют нелинейную характеристику.

4. Инфракрасные термометры (пирометры). Это бесконтактные приборы, которые измеряют температуру по мощности теплового излучения объекта в инфракрасном диапазоне. Они позволяют измерять температуру удаленных, движущихся или очень горячих объектов. Точность зависит от коэффициента излучения поверхности.

5. Волоконно-оптические термометры. Используют оптическое волокно для передачи света к датчику, оптические свойства которого (например, время затухания люминесценции) зависят от температуры. Они нечувствительны к электромагнитным помехам и используются в специфических условиях (например, в мощных электрических полях).

Ответ: Современные термометры включают в себя как классические жидкостные и механические, так и разнообразные электронные (на основе термометров сопротивления, термопар, термисторов) и бесконтактные инфракрасные (пирометры) приборы. Выбор конкретного типа термометра диктуется требуемым диапазоном измерений, точностью, условиями эксплуатации и стоимостью.