Номер 5, страница 129 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

5. Как устроен газовый термометр?

Как устроен газовый термометр?

Газовый термометр — это прибор для измерения температуры, принцип действия которого основан на зависимости давления или объёма газа от температуры. Газовые термометры являются наиболее точными и служат первичными эталонами для определения температур в рамках Международной температурной шкалы. В качестве рабочего тела в них используют инертные газы, такие как гелий, водород или азот, так как их свойства при определённых условиях близки к свойствам идеального газа. Существует два основных типа газовых термометров: термометр постоянного объёма и термометр постоянного давления.

Наиболее распространенным и точным является газовый термометр постоянного объёма. Его основные компоненты — это резервуар (баллон), представляющий собой герметичную ёмкость известного и строго постоянного объёма $\text{V}$, заполненную рабочим газом; манометр, обычно ртутный, для измерения давления газа; и тонкая соединительная трубка (капилляр), которая соединяет резервуар с манометром и имеет пренебрежимо малый объём по сравнению с объёмом резервуара.

Принцип работы такого термометра основан на законе Шарля, который гласит, что для идеального газа при постоянном объёме ($V = \text{const}$) его давление $\text{P}$ прямо пропорционально абсолютной температуре $\text{T}$, то есть их отношение постоянно: $\frac{P}{T} = \text{const}$. Для измерения температуры резервуар термометра помещают в исследуемую среду. Газ в резервуаре изменяет свою температуру, что приводит к изменению его давления. Это давление измеряется манометром. Для обеспечения постоянства объёма уровень измерительной жидкости (например, ртути) в манометре постоянно возвращают к исходной метке. Температуру вычисляют по формуле, связывающей её с давлением. Обычно термометр калибруют по одной опорной точке, например, по тройной точке воды, температура которой по определению равна $T_{ref} = 273.16$ К. Измерив давление газа $P_{ref}$ при этой температуре, можно найти любую другую температуру $\text{T}$ по формуле: $T = T_{ref} \cdot \frac{P}{P_{ref}}$, где $\text{P}$ — давление газа при измеряемой температуре.

Второй тип — газовый термометр постоянного давления. Его работа основана на законе Гей-Люссака, согласно которому при постоянном давлении ($P = \text{const}$) объём газа $\text{V}$ прямо пропорционален его абсолютной температуре $\text{T}$: $\frac{V}{T} = \text{const}$. В таком приборе при изменении температуры газу позволяют расширяться или сжиматься, поддерживая его давление постоянным, и измеряют изменение его объёма. Температуру рассчитывают по аналогии с термометром постоянного объёма, используя соотношение объёмов: $T = T_{ref} \cdot \frac{V}{V_{ref}}$. Однако такие термометры конструктивно сложнее и менее точны, поэтому на практике применяются редко.

Ответ: Газовый термометр — это прибор, измеряющий температуру на основе зависимости давления или объёма газа от температуры. Он состоит из резервуара с газом (например, гелием), который соединен с прибором для измерения давления (манометром) или объёма. В термометре постоянного объёма, который является наиболее точным, измеряют изменение давления газа при нагреве или охлаждении, поддерживая объём неизменным. Температура рассчитывается из прямой пропорциональности давления абсолютной температуре ($P \propto T$). В менее распространенном термометре постоянного давления измеряют изменение объёма газа, поддерживая давление постоянным, где объём пропорционален абсолютной температуре ($V \propto T$). Из-за высокой точности газовые термометры используются в качестве эталонных приборов в научных исследованиях и метрологии для калибровки других термометров.