Номер 3, страница 130 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

3. Особенности использования термометров для измерения сверхнизких и сверхвысоких температур.

Измерение сверхнизких и сверхвысоких температур требует применения специальных методов и приборов, так как традиционные жидкостные термометры (например, ртутные или спиртовые) в этих условиях неработоспособны из-за замерзания или кипения рабочего вещества. Особенности измерений в экстремальных температурных диапазонах связаны как с физическими явлениями, лежащими в основе методов, так и с конструктивными сложностями самих термометров.

Особенности измерения сверхнизких температур

Измерение сверхнизких (криогенных) температур, условно ниже 120 K (–153 °C), сопряжено с рядом трудностей. Во-первых, при таких температурах необходимо минимизировать любой приток тепла к измеряемому объекту, так как даже незначительная мощность, выделяемая датчиком, может существенно исказить результат. Это требует использования специальных криостатов и тщательной теплоизоляции. Во-вторых, многие материалы меняют свои свойства, становясь хрупкими, а тепловой контакт между датчиком и объектом ухудшается. Для измерения криогенных температур применяют следующие типы термометров:

1. Газовые термометры: Используют зависимость давления идеального газа (чаще всего гелия) от температуры при постоянном объеме ($P \sim T$). Это первичные термометры, позволяющие с высокой точностью определять температуру по термодинамической шкале. Однако они громоздки, инерционны и используются в основном в метрологических целях для калибровки других термометров.

2. Термометры сопротивления: Основаны на зависимости электрического сопротивления материала от температуры.
• Платиновые термометры сопротивления (ПТС) являются эталонными в диапазоне от 13,8 K до 961 °C. Они отличаются высокой стабильностью и воспроизводимостью показаний.
• Полупроводниковые термометры (германиевые, угольные) применяются для более низких температур (до долей кельвина). Их сопротивление резко возрастает с понижением температуры, что обеспечивает очень высокую чувствительность. Недостатком является необходимость индивидуальной калибровки для каждого датчика.

3. Термопары: Принцип действия основан на эффекте Зеебека — возникновении ЭДС в замкнутой цепи из разнородных проводников, спаи которых находятся при разных температурах. Для криогенных температур используют специальные термопары, например, хромель-константан (тип E), медь-константан (тип T) или сплавы на основе золота (например, золото-железо). Они менее точны, чем термометры сопротивления, но просты, дешевы и имеют малые размеры.

4. Магнитные термометры: Используются для измерения температур ниже 1 K. Их работа основана на законе Кюри, согласно которому магнитная восприимчивость $\chi$ парамагнитных солей обратно пропорциональна абсолютной температуре $\text{T}$: $\chi = C/T$. Измеряя восприимчивость образца соли, можно определить его температуру. Этот метод является первичным в области сверхнизких температур.

Ответ: Для измерения сверхнизких температур используются контактные методы, основанные на температурной зависимости давления газа, электрического сопротивления, термо-ЭДС или магнитной восприимчивости. Ключевыми особенностями являются необходимость минимизации теплопритока к объекту, обеспечение надежного теплового контакта и выбор датчика с достаточной чувствительностью в нужном диапазоне.

Особенности измерения сверхвысоких температур

Измерение сверхвысоких температур (выше 1000–1300 °C), характерных для металлургии, плазмы или астрофизических объектов, в большинстве случаев невозможно осуществить контактным методом, так как любой датчик при прямом контакте расплавится или испарится. Поэтому основным методом является бесконтактная термометрия — пирометрия.

Пирометрия — это совокупность методов измерения температуры по интенсивности и спектральному составу теплового излучения тела. Пирометры делятся на несколько типов:

1. Радиационные пирометры (пирометры полного излучения): Измеряют полную мощность теплового излучения, испускаемого телом. Их действие основано на законе Стефана-Больцмана, согласно которому мощность излучения $\text{P}$ с единицы площади поверхности пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры $\text{T}$: $P = \epsilon \sigma T^4$, где $\epsilon$ — коэффициент излучения (степень черноты) поверхности, а $\sigma$ — постоянная Стефана-Больцмана. Точность измерений сильно зависит от правильности определения коэффициента $\epsilon$.

2. Оптические (яркостные) пирометры: Сравнивают яркость свечения измеряемого объекта в узком участке спектра (обычно в красной области) с яркостью нити накала эталонной лампы. Ток, проходящий через нить, регулируют до тех пор, пока ее яркость не сравняется с яркостью объекта (нить «исчезает» на его фоне). Температуру определяют по предварительно откалиброванной шкале амперметра. Этот метод основан на законе излучения Планка.

3. Цветовые (двухспектральные) пирометры: Измеряют интенсивность излучения объекта на двух разных длинах волн и вычисляют температуру на основе их отношения. Преимущество этого метода в том, что результат измерения в меньшей степени зависит от коэффициента излучения $\epsilon$, если предположить, что он одинаков для обеих длин волн. Это позволяет проводить более точные измерения для тел, чей коэффициент излучения неизвестен или меняется.

Для «умеренно» высоких температур (до ~2500 °C) могут применяться и контактные методы:

• Высокотемпературные термопары: Изготавливаются из тугоплавких металлов и их сплавов, например, вольфрам-рений (до 2800 °C) или платина-родий (до 1800 °C). Для защиты от агрессивной среды их помещают в специальные керамические или металлокерамические чехлы.

• Шумовые термометры: Первичный метод термометрии, основанный на измерении теплового электрического шума в резисторе. Согласно теореме Найквиста, среднеквадратичное напряжение шума $V_n$ прямо пропорционально абсолютной температуре: $V_n^2 = 4k_BTR\Delta f$, где $k_B$ — постоянная Больцмана, $\text{T}$ — температура, $\text{R}$ — сопротивление, $\Delta f$ — полоса частот. Метод не зависит от свойств материала резистора и может применяться в очень широком, в том числе и высокотемпературном, диапазоне.

Ответ: Для измерения сверхвысоких температур преимущественно используются бесконтактные методы (пирометрия), основанные на анализе теплового излучения объекта, что позволяет избежать разрушения датчика. Выбор конкретного типа пирометра зависит от условий измерения и известности коэффициента излучения поверхности. В ограниченном диапазоне высоких температур могут применяться специальные контактные термопары из тугоплавких материалов.