Термометрия. Газовая термометрия. Термометрия, основанная на тепловом расширении жидкостей и твердых тел.

 

Газовый термометр

 

В газовом термометре измеряется давление, создаваемое определенным количеством газа при постоянном объеме. При надлежащем выборе рабочего вещества и достаточно низком давлении получается прибор, в принципе отвечающий условиям воспроизведения термодинамической температурной шкалы. Это позволяет рассчитывать температуру по показаниям прибора и определяет особую роль газового термометра, используемого для градуировки других термометров, показания которых не могут быть рассчитаны.

 

Термометр Симона.

 

На рис. 19.1 показан особенно простой тип газового термометра, разработанный Симоном. Этот газовый термометр является по существу термометром постоянного объема, так как изменения объема бурдоновской спирали в манометре В в измеряемом интервале давлений очень малы.

Резервуар А, имеющий объем V, помещается в область низкой температуры, подлежащей измерению, и посредством тонкого капилляра соединяется с манометром, внутренний объем которого равен v. В качестве манометра обычно используют обыкновенный мановакуумметр, но можно получить более точные результаты, если пользоваться поверенным образцовым прибором с воспроизводимостью отсчетов до 0,1 % от полного отклонения по шкале.

 

Рис. 19.1. Термометр Симона.

 

Если принять, что термометрический газ в пределах требуемой точности является „идеальным“, то для постоянной массы газа должно выполняться условие

 

. (19.1)

 

Пусть система заполнена газом до давления при комнатной температуре . Если пренебречь объемом капилляра, давление , которое установится в системе, когда резервуар А примет температуру , можно найти из соотношения

 

, (19.2)

 

откуда

 

(19.3)

 

или

 

. (19.4)

 

Если один из объемов и или оба они неизвестны, их можно определить, произведя градуировку системы при двух или трех известных температурах. После этого по отсчету давления можно определить неизвестную температуру , пользуясь соотношением (19.3). Можно также построить по уравнению (19.4) график зависимости от , используя два (или три для проверки) экспериментальных значения и . Для этого резервуар А следует погрузить в жидкость с известной температурой, например в жидкий гелий, жидкий азот и жидкий кислород.

Чувствительность термометров этого типа при низких температурах может быть заметно повышена, если объем сделать большим по сравнению с объемом . В этом случае основная часть газа при низкой температуре будет находиться в резервуаре А; напротив, при высоких температурах такой термометр мало чувствителен к изменениям (хотя, к сожалению, очень чувствителен к изменению комнатной температуры ). Поэтому, выбирая отношение достаточно большим, шкалу измерительного прибора, показанного на рис. 19.2, можно растянуть в желательной степени в низкотемпературной области. Такой термометр может обеспечить точность отсчета до ± 1/20 К при температурах ниже 30 К, но малопригоден при более высоких температурах.

Заметим, что если желательно получить линейную зависимость от , так чтобы чувствительность термометра более или менее не зависела от температуры, объем нужно сделать большим по сравнению с . Физически это означает, что основная часть газообразного гелия при всех температурах будет находиться в резервуаре A, и поэтому давление будет в первом приближении пропорционально .