14.3. Пирометрия

Любая поверхность, температура которой выше абсолютного нуля, испускает электромагнитное излучение. Измерительные приборы, которые могут по этому излучению определять температуру излучающего тела, называют пирометрами излучения (радиационными термометрами), или просто пирометрами. Длина волнтеплового излучения лежит в пределах 0,1 - 1000 мкм, т. е. в области, на которую приходится узкий диапазон видимых лучей.

При излучении передается энергия. Если на какую-либо поверхность падает поток излучения Ф (энергия за единицу времени, Вт), то он частично отражается этой поверхностью, частично поглощается н частично пропускается далее. Соответствующие доли энергии характеризуется коэффициентами, которые должны быть меньше или равны единице:

коэффициент отражения  = Ф_r / Ф,

коэффициент поглощения  = Ф_a / Ф,

коэффициент пропускания = Ф_{t r} / Ф.

14.3.1.Пирометры. Зная законы излучения, температуру  излучающей поверхности можно рассчитать по измеренному потоку излучения на известную площадь приемника. Поэтому приемник наряду с оптикой является важнейшей составной частью пирометра. Различают следующие приемники:

Черные и серые приемники. К этой группе так называемых термических приемников излучения относятся термопары или болометры (термометры сопротивления или терморезисторы), закрепленные на зачерненных пластинках из золота или платины. Их чувствительность в основном не зависит от длины волны и проявляется как в ультрафиолетовой, так и в крайней инфракрасной области спектра. Поэтому они особенно пригодны для измерения низких температур, поскольку в этом случае тепловая энергия излучается на длинных волнах.

Селективные чувствительные элементы (сенсоры). К этой группе относятся фотоэлектрические приемники излучения; фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Они чувствительны вообще только в узком спектральном интервале , причем в этом интервале их чувствительность сильно зависит от самой длины волны. Их абсолютная чувствительность гораздо выше, чем термических приемников излучения.

Термические и фотоэлектрические приемники излучения вызывают в зависимости от электрической схемы обработки сигнала соответствующие изменения силы тока, напряжения или сопротивления. Эти изменения по некоторым степенным законам зависят и от изменений потока излучения.

14.4. Калориметрия. Измерение количества тепла.

Единицей количества тепла Q в Международной системе единиц (СИ) является джоуль (Дж). В технике пока еще нередко применяется старая единица тепла - калория (кал), а в англосаксонских странах - Британская тепловая единица (Б. т. е.) Соотношения между ними:

1 кал = 4,1868 Дж; 1 Б. т. е. = 1055,06 Дж.

Как форма энергии тепло может быть непосредственно сопоставлено с электрической или механической энергией:

1 Дж = 1 Вт·с = 1 Н·м.

Тепловой поток Ф - это количество тепла, проходящего через поперечное сечение (А) за единицу времени: Ф = Q/t. Тепловой поток измеряется в единицах мощности (Дж/с), которые могут быть переведены в другие единицы мощности:

1 Дж/с = 1 Вт = 1 Н·м/с.

Для практических расчетов можно принимать 1 ккал/ч  1 Вт (точное значение 1,163 Вт).

Плотность теплового потока q, Дж/(с·м²), определяется как количество тепла, проходящего за единицу времени t через еди­ницу площади поверхности:

q =(I/A) (Q/t).

Теплоемкость С (ранее называвшаяся также водяным эквивалентом W), Дж/К, означает изменение энтальпии (теплосодержания) тепла при изменении его температуры на 1 К:

Удельная теплоемкость с, Дж/(кг·К), характеризует изменение энтальпии тела единичной массы (1 кг) при изменении его температуры на 1 К:

Почти при всех физических и химических процессах происходят изменения количества тепла Q (Вт·с, Дж). Величина этих изменений определяется свойствами вещества и условиями окружающей среды. Задачей калориметрии является экспериментальное определение влияния различных параметров на превращения тепловой энергии (на тепловой эффект). Устройства, в которых протекают исследуемые процессы, называют калориметрами.

Калориметр обычно работает таким образом, что после инициирования какого-либо процесса проба отдает калориметрическому устройству или получает от него некоторое неизвестное количество тепла Q. При этом специальными мероприятиями в основном предотвращается теплообмен калориметрического устройства с окружающей средой. В соответствии с изменением энтальпии калориметра на Q его температура повышается или снижается на . Это изменение температуры и является мерой количества тепла Q, участвовавшего в обмене. Таким образом, намерение количества тепла сводится к определению разности температур (косвенный метод намерения). Тепловой баланс для идеализированной системы записывается в следующем виде:

где С_K - тепловой эквивалент всех компонентов калориметра, термически участвующих в процессе, Дж/К; W - тепловые потери.

Величину С_k как константу прибора можно определить экспе­риментально по градуировке в таких же условиях, как при по­следующем эксперименте, причем точно определяемое количе­ство тепла подводится в калориметр либо при помощи электриче­ского нагревателя, либо инициированием известных реакций с ве­ществами - эталонами.