طرق وأدوات قياس درجة الحرارة

ما هي درجة الحرارة

قياس درجة الحرارة هو موضوع تخصص نظري وتجريبي - قياس الحرارة ، جزء منه ، الذي يغطي درجات حرارة أعلى من 500 درجة مئوية ، يسمى قياس الحرارة.

تمت صياغة التعريف الأكثر صرامة لمفهوم درجة الحرارة ، وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، بالتعبير:

T = دق / دك ،

حيث T هي درجة الحرارة المطلقة لنظام ديناميكي حراري معزول ، و dQ هي الزيادة في الحرارة المنقولة إلى ذلك النظام ، و dS هي الزيادة في إنتروبيا ذلك النظام.

يتم تفسير التعبير أعلاه على النحو التالي: درجة الحرارة هي مقياس للزيادة في الحرارة المنقولة إلى نظام ديناميكي حراري معزول وتتوافق مع الزيادة في إنتروبيا النظام التي تحدث في هذه الحالة ، أو بعبارة أخرى ، الزيادة في اضطراب حالتها.

في الميكانيكا الإحصائية ، التي تصف مراحل النظام ، مع مراعاة المعالجات الدقيقة التي تحدث في النظم الكبيرة ، يتم تعريف مفهوم درجة الحرارة من خلال التعبير عن توزيع جزيئات النظام الجزيئي بين عدد من مستويات الطاقة غير المشغولة (توزيع جيبس) .

يؤكد هذا التعريف (وفقًا للتعريف السابق) على الجانب الإحصائي الاحتمالي لمفهوم درجة الحرارة باعتباره المعلمة الرئيسية للشكل الفيزيائي الميكروي لنقل الطاقة من جسم (أو نظام) إلى آخر ، أي الحركة الحرارية الفوضوية.

أدى عدم وضوح التعريفات الصارمة لمفهوم درجة الحرارة ، والتي لا تصلح أيضًا إلا للأنظمة المتوازنة بالديناميكا الحرارية ، إلى انتشار استخدام التعريف "النفعي" استنادًا إلى جوهر ظاهرة نقل الطاقة: درجة الحرارة هي الحالة الحرارية لجسم أو نظام يتميز بقدرته على تبادل الحرارة مع جسم (أو نظام) آخر.

تنطبق هذه الصيغة على الأنظمة غير المتوازنة من الناحية الديناميكية الحرارية و (مع التحفظات) على المفهوم النفسي الفسيولوجي لدرجة الحرارة "الحسية" ، التي يدركها الشخص مباشرة باستخدام أجهزة اللمس الحراري.

يتم تقييم درجة الحرارة "الحسية" بشكل شخصي من قبل شخص بشكل مباشر ، ولكن فقط من الناحية النوعية وفي فترة زمنية ضيقة نسبيًا ، بينما يتم قياس درجة الحرارة المادية كميًا وموضوعيًا ، بمساعدة أجهزة القياس ، ولكن بشكل غير مباشر فقط - من خلال قيمة بعض الكمية المادية اعتمادًا على درجة الحرارة المقاسة.

لذلك ، في الحالة الثانية ، يتم إنشاء حالة مرجعية (مرجعية) للكمية المادية المعتمدة على درجة الحرارة المحددة لهذا الغرض ويتم تعيين قيمة درجة حرارة رقمية معينة لها ، بحيث يتم تعيين أي تغيير في حالة الكمية المادية المحددة نسبيًا يمكن التعبير عن المرجع بوحدات درجة الحرارة.

تشكل مجموعة قيم درجة الحرارة المقابلة لسلسلة من التغييرات المتتالية في الحالة (أي سلسلة من القيم) لكمية محددة معتمدة على درجة الحرارة مقياسًا لدرجة الحرارة. أكثر مقاييس درجة الحرارة شيوعًا هي Celsius و Fahrenheit و Reaumur و Kelvin و Rankine.

مقاييس درجة حرارة كلفن ودرجة الحرارة المئوية

قام عالم الطبيعة الفرنسي V 1730 René Antoine Reumour (1683-1757) ، بناءً على اقتراح Amoton ، بتمييز نقطة انصهار الجليد على مقياس الحرارة على أنها 0 ، ونقطة غليان الماء تبلغ 80 درجة مئوية. V 1742 NSVedic الفلكي والفيزيائي Anders Celsius (1701 - 1744) ، بعد عامين من اختبار مقياس الحرارة Reaumur ، اكتشف خطأ في تدرج المقياس.

اتضح أن هذا يعتمد إلى حد كبير على الضغط الجوي. اقترحت Celsius تحديد الضغط عند معايرة المقياس ، وقسمت نطاق درجة الحرارة بالكامل على 100 ، لكنني قمت بتعيين العلامة 100 إلى نقطة انصهار الجليد. في وقت لاحق ، قام Linnaeus السويدي أو الألماني Stremmer (وفقًا لمصادر مختلفة) بتغيير تعيينات نقاط التحكم.

وهكذا ظهر مقياس درجة الحرارة المئوية المستخدم على نطاق واسع الآن. تتم معايرته عند ضغط جوي عادي قدره 1013.25 hPa.

تم إنشاء مقاييس درجة الحرارة بواسطة فهرنهايت وريومور ونيوتن (اختار الأخير عن غير قصد درجة حرارة جسم الإنسان كنقطة انطلاق.حسنًا ، العظماء مخطئون!) والعديد من الآخرين. لم يصمدوا أمام اختبار الزمن.

تم اعتماد مقياس درجة الحرارة المئوية في المؤتمر العام الأول للأوزان والمقاييس عام 1889. حاليًا ، الدرجة المئوية هي الوحدة الرسمية لقياس درجة الحرارة التي أنشأتها اللجنة الدولية للأوزان والمقاييس ، ولكن مع بعض التوضيحات في التعريف.

وفقًا للحجج المذكورة أعلاه ، من السهل استنتاج أن مقياس درجة الحرارة المئوية ليس نتيجة نشاط شخص واحد. كانت سيليزيوس واحدة من آخر الباحثين والمخترعين المشاركين في تطويرها. حتى عام 1946 ، كان المقياس يُطلق عليه ببساطة مقياس درجة. عندها فقط حددت اللجنة الدولية للأوزان والمقاييس اسم "درجة مئوية" إلى درجة مئوية.

بضع كلمات عن الجسم العامل لمقاييس الحرارة. سعى منشئو الأجهزة الأوائل بشكل طبيعي إلى توسيع نطاق نشاطهم. المعدن السائل الوحيد في الظروف العادية هو الزئبق.

لم يكن هناك خيار. نقطة الانصهار هي -38.97 درجة مئوية ، ودرجة الغليان + 357.25 درجة مئوية. من بين المواد المتطايرة ، تبين أن النبيذ أو الكحول الإيثيلي هو الأكثر توفرًا. نقطة الانصهار - 114.2 درجة مئوية ، نقطة الغليان + 78.46 درجة مئوية.

تعتبر موازين الحرارة التي تم إنشاؤها مناسبة لقياس درجات الحرارة من -100 إلى + 300 درجة مئوية ، وهو ما يكفي لحل معظم المشكلات العملية. على سبيل المثال ، الحد الأدنى لدرجة حرارة الهواء هو -89.2 درجة مئوية (محطة فوستوك في أنتاركتيكا) ، والحد الأقصى هو + 59 درجة مئوية (الصحراء الكبرى). تمت معظم عمليات المعالجة الحرارية للمحاليل المائية في درجات حرارة لا تزيد عن 100 درجة مئوية.

الوحدة الأساسية لقياس درجة الحرارة الديناميكية الحرارية وفي نفس الوقت واحدة من الوحدات الأساسية النظام الدولي للوحدات (SI) هي درجة كلفن.

يتم تحديد حجم (فجوة درجة الحرارة) بمقدار 1 درجة كلفن من خلال حقيقة أن قيمة درجة الحرارة الديناميكية الحرارية للنقطة الثلاثية للماء محددة بالضبط عند 273.16 درجة كلفن.

يتم أخذ درجة الحرارة هذه ، التي يوجد عندها الماء في حالة توازن في ثلاث مراحل: صلبة وسائلة وغازية ، كنقطة انطلاق رئيسية بسبب قابليتها العالية للتكاثر ، وترتيب الحجم أفضل من استنساخ نقاط التجميد والغليان للماء .

يعد قياس درجة حرارة النقطة الثلاثية للمياه مهمة صعبة تقنيًا. لذلك ، كمعيار ، تمت الموافقة عليه فقط في عام 1954 في المؤتمر العام العاشر للأوزان والمقاييس.

الدرجة المئوية ، بالوحدات التي يمكن أيضًا التعبير عن درجة الحرارة الديناميكية الحرارية فيها ، تساوي تمامًا كلفن من حيث نطاق درجة الحرارة ، لكن القيمة العددية لأي درجة حرارة بالدرجة المئوية أعلى بمقدار 273.15 درجة من نفس درجة الحرارة بالكلفن. .

لا يختلف حجم 1 درجة كلفن (أو 1 درجة مئوية) ، الذي تحدده القيمة العددية لدرجة حرارة النقطة الثلاثية للماء ، مع دقة القياس الحديثة عن الحجم المحدد (الذي تم قبوله سابقًا) باعتباره جزءًا من مائة من فرق درجات الحرارة بين نقطتي التجمد والغليان للماء.

تصنيف طرق وأجهزة قياس درجة الحرارة

يمكن قياس درجة حرارة الجسم أو المحيط بطريقتين غير مباشرتين مختلفتين اختلافًا جوهريًا.

الطريقة الأولى تؤدي إلى قياس قيم إحدى الخصائص التي تعتمد على درجة الحرارة أو معلمات الحالة للجسم نفسه أو البيئة ، والثاني - لقياس قيم الخصائص أو الحالة المعتمدة على درجة الحرارة تم جلب معلمات الجسم المساعد (بشكل مباشر أو غير مباشر) إلى حالة التوازن الحراري مع الجسم أو البيئة التي يتم قياس درجة حرارتها ...

يسمى الجسم الإضافي الذي يخدم هذه الأغراض وهو مستشعر لجهاز قياس درجة الحرارة الكامل مسبار حراري (قياس حراري) أو كاشف حراري... لذلك ، تنقسم جميع طرق وأجهزة قياس درجة الحرارة إلى مجموعتين مختلفتين اختلافًا جوهريًا: دون التحقيق والتحقيق.

قد يتم وضع الكاشف الحراري أو أي جهاز إضافي للجهاز في اتصال ميكانيكي مباشر مع الجسم أو الوسيط الذي يتم قياس درجة حرارته ، أو يمكن إجراء اتصال "بصري" بينهما فقط.

بناءً على ذلك ، يتم تقسيم جميع طرق وأدوات قياس درجة الحرارة إلى الاتصال وعدم الاتصال. تعتبر وسائل الاتصال والأجهزة غير التلامسية ذات أهمية عملية كبيرة.

أخطاء قياس درجة الحرارة

تتميز جميع طرق الاتصال ، ومعظمها حفر ، وطرق قياس درجة الحرارة ، على عكس الطرق الأخرى ، بما يسمى أخطاء منهجية حرارية أو حرارية بسبب حقيقة أن مقياس حرارة مجس كامل (أو بيرومتر) يقيس قيمة درجة الحرارة للجزء الحساس فقط من الكاشف الحراري ، المتوسط ​​على سطح أو حجم ذلك الجزء.

وفي الوقت نفسه ، لا تتطابق درجة الحرارة هذه ، كقاعدة عامة ، مع درجة الحرارة المقاسة ، لأن الكاشف الحراري يشوه حتماً مجال درجة الحرارة الذي يتم إدخاله فيه. عند قياس درجة حرارة ثابتة ثابتة لجسم أو بيئة ، يتم إنشاء وضع معين للتبادل الحراري بينه وبين المستقبل الحراري.

يميز فرق درجة الحرارة الثابت بين الكاشف الحراري ودرجة حرارة الجسم أو البيئة المقاسة الخطأ الحراري الساكن في قياس درجة الحرارة.

إذا تغيرت درجة الحرارة المقاسة ، فإن الخطأ الحراري هو دالة للوقت. يمكن اعتبار هذا الخطأ الديناميكي مكونًا من جزء ثابت ، مكافئ للخطأ الثابت ، وجزء متغير.

ينشأ هذا الأخير لأنه مع كل تغيير في انتقال الحرارة بين الجسم أو الوسط الذي يتم قياس درجة حرارته ، لا يتم إنشاء طريقة جديدة لنقل الحرارة على الفور. يتميز التشوه المتبقي لقراءات مقياس الحرارة أو البيرومتر ، وهو دالة للوقت ، بالقصور الذاتي الحراري لميزان الحرارة.

تعتمد الأخطاء الحرارية والقصور الذاتي للكاشف الحراري على نفس عوامل التبادل الحراري بين الجسم أو البيئة والكاشف الحراري: على درجات حرارة الكاشف الحراري والجسم أو البيئة ، على حجمها وتكوينها (ومن ثم خصائصها) والحالة ، حسب التصميم والأبعاد والشكل الهندسي وحالة السطح وخصائص مواد الكاشف الحراري والأجسام المحيطة به ، من ترتيبها ، وفقًا للقانون تتغير درجة حرارة الجسم أو البيئة المقاسة بمرور الوقت.

تعد الأخطاء المنهجية الحرارية في قياس درجة الحرارة ، كقاعدة عامة ، أعلى بعدة مرات من أخطاء الأدوات في موازين الحرارة والبيرومترات. يتم تحقيق الحد منها باستخدام طرق عقلانية لقياس درجة الحرارة وإنشاء أجهزة الكشف الحراري والتركيب المناسب للأخيرة في أماكن الاستخدام.

يتم تحسين نقل الحرارة بين المستقبِل الحراري والبيئة أو الجسم الذي تُقاس درجة حرارته عن طريق إجبار العوامل النافعة والضارة لنقل الحرارة.

على سبيل المثال ، عند قياس درجة حرارة الغاز في حجم مغلق ، يتم زيادة التبادل الحراري للحمل الحراري للكاشف الحراري مع الغاز ، مما يؤدي إلى تدفق سريع للغاز حول الكاشف الحراري (مزدوج حراري "شفط") ، والحرارة المشعة يتم تقليل التبادل مع جدران الحجم ، مما يؤدي إلى حماية الكاشف الحراري (المزدوج الحراري "المحمي").

لتقليل الجمود الحراري في موازين الحرارة والبيرومترات بإشارة خرج كهربائية ، تُستخدم أيضًا دوائر خاصة تقلل بشكل مصطنع من وقت ارتفاع الإشارة مع تغيير سريع في درجة الحرارة المقاسة.

طرق قياس درجة الحرارة عدم التلامس

يتم تحديد إمكانية استخدام طرق الاتصال في القياسات ليس فقط من خلال تشويه درجة الحرارة المقاسة بواسطة كاشف التلامس الحراري ، ولكن أيضًا من خلال الخصائص الفيزيائية والكيميائية الحقيقية لمواد الكاشف الحراري (التآكل والمقاومة الميكانيكية ، مقاومة الحرارة ، إلخ.).

طرق قياس عدم الاتصال خالية من هذه القيود. ومع ذلك ، فإن أهمها ، أي.استنادًا إلى قوانين إشعاع درجة الحرارة ، فإن الأخطاء الخاصة متأصلة نظرًا لحقيقة أن القوانين المستخدمة صالحة تمامًا فقط للباعث الأسود تمامًا ، والتي تختلف منها جميع بواعث الإشعاع المادية الحقيقية (الأجسام والناقلات) بشكل أو بآخر من حيث خصائص الإشعاع .

وفقًا لقوانين الإشعاع الخاصة بـ Kirchhoff ، فإن أي جسم مادي يصدر طاقة أقل من الجسم الأسود الذي يتم تسخينه إلى نفس درجة حرارة الجسم المادي.

لذلك ، فإن جهاز قياس درجة الحرارة الذي يتم معايرته مقابل باعث أسود ، عند قياس درجة حرارة باعث مادي حقيقي ، سيُظهر درجة حرارة أقل من درجة الحرارة الفعلية ، وهي درجة الحرارة التي عندها يتم استخدام خاصية الباعث الأسود في المعايرة (الطاقة الإشعاعية ، يتطابق سطوعه ، وتكوينه الطيفي ، وما إلى ذلك) في القيمة مع خاصية المبرد الفيزيائي عند درجة حرارة فعلية معينة يتم تحديدها. تسمى درجة الحرارة الزائفة المقاسة بأقل من تقدير درجة الحرارة السوداء.

تؤدي طرق القياس المختلفة ، كقاعدة عامة ، إلى درجات حرارة سوداء غير متطابقة: يُظهر البيرومتر الإشعاعي التكامل أو الإشعاع ، البيرومتر البصري - السطوع ، البيرومتر اللوني - درجات حرارة اللون الأسود.

يتم الانتقال من درجات الأسود المقاسة إلى درجات الحرارة الفعلية بيانياً أو تحليلياً إذا كانت انبعاثية الجسم التي تُقاس درجة حرارته معروفة.

الانبعاثية هي نسبة قيم البواعث الفيزيائية والسوداء المستخدمة لقياس الخصائص الإشعاعية التي لها نفس درجة الحرارة: باستخدام الطريقة الإشعاعية ، تكون الانبعاثية مساوية لنسبة إجمالي الطاقة (عبر الطيف) ، باستخدام الطريقة البصرية ، تكون القدرة على الانبعاث الطيفي مساوية لنسبة الكثافة الطيفية للتوهج. عند تساوي جميع الأشياء الأخرى ، يتم إعطاء أصغر أخطاء الباعث غير السواد بواسطة البيرومتر اللوني.

يتم تحقيق حل جذري لمشكلة قياس درجة الحرارة الفعلية للباعث غير الأسود بالطرق الإشعاعية من خلال تهيئة الظروف لتحويله إلى باعث أسود (على سبيل المثال ، من خلال وضعه في تجويف مغلق عمليًا) .

في بعض الحالات الخاصة ، من الممكن قياس درجة الحرارة الفعلية للباعث غير الأسود باستخدام مقاييس حرارة الإشعاع التقليدية باستخدام تقنيات قياس درجة الحرارة الخاصة (على سبيل المثال ، الإضاءة ، في حزم ثلاثية الأطوال الموجية ، في الضوء المستقطب ، وما إلى ذلك).

أدوات عامة لقياس درجة الحرارة

يحدد النطاق الهائل لدرجات الحرارة المُقاسة والعدد الذي لا ينضب من الظروف المختلفة وكائنات القياس تنوعًا استثنائيًا وتنوعًا في طرق وأجهزة قياس درجة الحرارة.

الأدوات الأكثر شيوعًا لقياس درجة الحرارة هي:

• مقاييس البيرومتر الكهروحرارية (موازين الحرارة) ؛
• موازين الحرارة المقاومة الكهربائية
• البيرومترات الإشعاعية
• بيرومترات الامتصاص البصري.
• مقاييس السطوع البصري
• البيرومترات اللون
• موازين الحرارة السائلة ؛
• مقياس الحرارة
• ترمومتر بخار
• موازين حرارة تكثيف الغاز
• موازين الحرارة التوسعية ؛
• موازين الحرارة ثنائية المعدن
• موازين الحرارة
• مقاييس البيرومتر - البيرسكوبات المسعرية ؛
• الدهانات الحرارية
• موازين الملح البارامغناطيسية.

أشهر الأجهزة الكهربائية لقياس درجة الحرارة:

مقاييس حرارة المقاومة

الثرمستورات

أنظر أيضا: مزايا وعيوب أجهزة استشعار درجة الحرارة المختلفة

يتم استخدام العديد من أنواع الأدوات المذكورة أعلاه للقياسات بطرق مختلفة. على سبيل المثال ، يتم استخدام مقياس حرارة حراري:

• لقياس التلامس لدرجة حرارة البيئات والأجسام ، وكذلك الأسطح الأخيرة ، بدون أو بالاشتراك مع الأجهزة التي تصحح اختلال التوازن الحراري للكاشف الحراري وجسم القياس ؛
• لقياس درجة حرارة عدم التلامس بالإشعاع وبعض طرق التحليل الطيفي ؛
• للمختلط (التلامس - عدم الاتصال) - قياس درجة حرارة المعدن السائل بطريقة تجويف الغاز (قياس درجة حرارة الإشعاع لفقاعة الغاز المنفوخة في المعدن السائل في نهاية أنبوب مغمور فيه بالإشعاع البيرومتر).

في نفس الوقت ، يمكن تطبيق العديد من طرق قياس درجة الحرارة مع أجهزة من أنواع مختلفة.

على سبيل المثال ، يمكن قياس درجة حرارة الهواء الداخلي والخارجي بأجهزة من 15 نوعًا على الأقل. تظهر الصورة ميزان حرارة ثنائي المعدن.

أكبر مقياس حرارة في العالم في بيكر ، كاليفورنيا

تطبيق أدوات قياس درجة الحرارة:

قياس درجات حرارة السطح بالمزدوجات الحرارية

التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء

قياس درجة حرارة عدم التلامس أثناء تشغيل المعدات الكهربائية

ميزات استخدام موازين الحرارة بالليزر