molfizБІО2011кін_вар

де: густина рідини манометра. g прискорення вільного падіння,

L довжина рідини в трубі похилого манометра

Р

Δh

Рис.9.2 Чашечко – подібний

Рис.9.1. U–подібний манометр манометр

Р2 Р1

Δh

α

Рис. 9.3. Похилий манометр

51

Температура Слово “температура” латинського походження i означає “нормальний стан”. Температура – фізична величина, яка характеризує середню енергію хаотичного руху частинок матерії, тобто температура – міра теплового руху атомів і молекул речовини. Температура є статистичною величиною. Вона визначається за усередненим значенням енергії великої кількості молекул. Вести мову про температуру окремої молекули або атома втрачає всякий сенс.

Одиниця вимірювання температури в системі СІ – Кельвін. Згiдно резолюцiї X Генеральної конференцiї по мiрам i вагам (1954 р.) мiжнародна термодинамiчна температурна шкала визначається за допомогою потрiйної точки води, якiй приписана температура 273,16 K. (Потрійна точка води– точка в якій вода знаходиться в трьох станах : твердому, рідкому та газоподібному.) Одиницею вимiрювання температури по мiжнароднiй шкалi прийнято Кельвiн, це 1/273,16 частина термодинамiчної температури потрiйної точки води. Шкала температур побудована на даному принципі називається абсолютною шкалою температур або шкалою Кельвіна.

Температура–один із найважливіших параметрів, що визначає тепловий стан тіла. За молекуляно-кінетичною теорією ідеального газу середня квадратична кінетична енергія поступального руху молекули газу пропорційна абсолютній температурі газу Т

W			mV 2	3		kT ,
	0						(2.9.5)
		2		2

отже температуру можна визначити як величину пропорціональну середній квадратичній кінетичній енергії поступального руху молекул газу:

	T	2			mV2
							,		(2.9.6)
			3k			2
де k стала	Больцмана,	m маса				молекули, V			середня
квадратична	швидкість	поступального						руху	молекул,

mV 2 середня кінетична енергія поступального руху молекули

2

газу.

З цього визначення випливає, що абсолютна температура завжди додатна. При температурі абсолютного нуля тепловий рух молекул припиняється.

52

На практиці для вимірювання температури використовують також шкали: Цельсія, Реомюра та Фаренгейта.

В термометрах з шкалою Цельсiя вiдстань мiж сталими точками термометра подiляється на 100 рiвних частин. Є й iншi способи подiлу шкали: за Реомюром ця вiдстань подiляється на 80 рiвних частин, за Фаренгейтом – 180 частин (в термометрах Фаренгейта точка танення льоду позначається числом 32, а точка кипiння води — числом 212).

Формула переходу вiд практичної (шкали Цельсiя) до абсолютної

температури шкали (шкали Кельвiна) має вигляд Т К = 273,15 + 0С

Для переводу значень температур між шкалами Цельсія, Реомюра

та Фаренгейта слiд користуватись такими спiввiдношенями: 1 0С = 4/5 0P або 9/5 0Ф

1 0Р = 5/4 0С або 9/4 0Ф 1 0Ф = 5/9 0С або 4/9 0Р

Безпосередньо виміряти кінетичну енергію теплового руху молекул неможливо. Тому вимiрювання температури грунтується на ряду фiзичних явищ: теплового розширення тiл (ртутнi, спиртовi, газовi термометри); залежностi електрорушiйної сили термоелемента вiд рiзницi температури (термопара); залежностi опору провiдника вiд температури (термометр опору), випромінювальної здатності тіла

від температури ( оптичні пірометри).
Ртутні термометри застосовуються	для вимірювання

температури в межах від –30 до +550оС.В процесі вимірювання термометр повинен знаходитися у вертикальному положенні. Для простих лабораторних вимірювань використовують звичайні лабораторні термометри, а для вимірювань з високою точністю – прецизійні зразкові термометри. Найменші ціни поділок у лабораторних та зразкових термометрів складають 0,1; 0,2; 0,5; 1оС.

При точному вимірюванні температури рідинним термометром вводиться багато поправок. Основні із них:

–поправка на температуру виступаючого стовпчика ртуті;

–поправка на зовнішній тиск. (Балончик термометра виготовлено

зтонкого скла, яке в певній мірі деформується під впливом різниці

тисків, тому збільшення зовнішнього тиску приводить до збільшення показів термометра).

– поправка на зміщення нульової точки ( Термометричне скло, розширюючись при нагріванні, при послідуючому охолодженні не

53

зразу набуває свого початкового об’єму. Ця властивість викликає зміщення нульової точки по відношенню до паспортних даних термометра)

Суттєві недоліки рідинного термометра

–велика теплова інертність ( не придатний для вимірювання температур, які швидко змінюються з часом);

–значні геометричні розміри (не придатний для вимірювання температури малих об’єктів);

–малий інтервал робочих температур.

Термопари. Термопарою (термоелементом) (рис.9.4а) називають пристрій з двох різнорідних провідників, з'єднаних між собою надійним контактом (зварені або спаяні). В основу роботи

Холодний	T2	T2
спай
	2	2
		3	4
Копель	Хромель		mV
		3	4
Гарячий	1	1	б)
спай	а)
	T1	T1

Рис. 9.4. Електричні схеми термопари (а) і термоелектричного термометра (б)

термопари покладено термоелектричне явище Зеебека. У електричному колі, що складається із двох різнорідних провідників (рис.9.4а), спаї яких знаходяться при різних температурах, виникає електрорушійна сила (її називають термоелектрорушійною силою термопари, скорочено позначають – термо-е.р.с.) величина якої пропорційна різниці температур між ними

(T2	T1) ,	(2.9.7)
54

де: коефіцієнт термо-е.р.с., Т1,	Т2 температура спаїв.
Термопара, у якої обидва
спаї виражені явно і під час
роботи один із них підтримується
при сталій температурі 273К ( 0°
С), називається диференціальною		mV
(рис. 9.5). Термопара з одним
явно вираженим спаєм, в якій
роль другого спаю відіграють	Рис.9.5.
клеми для вмикання в коло,
називається простою Другий

«спай» має температуру навколишнього середовища. Якщо холодний спай термопари підтримувати при постійній температурі T1 , то термо е.р.с. термопари однозначно визначається температурою гарячого спаю T2 . Отже температуру гарячого спаю можна визначити за значенням величини термо е.р.с.. Зручно температуру холодного спаю термопари підтримувати при температурі 273 К

Термопари широко застосовують для вимірювання і контролю за сталістю температури – це так звані термоелектричні термометри, які складаються з термопари (термоелемента, приладу, який вимірює термо–е.р.с. та з’єднувальних провідників 3 4 (рис. 9.4а,).

Термоелемент утворюють термоелектроди 1 2 і 2 3 1 виготовлені із різнорідних провідників (наприклад хромель–копель, мідь–константан та інші термоелектричні пари). Термоелектрод 2 3 1 розрізаний і до його кінців 3 3 за допомогою

з’єднувальних провідників ввімкнено електровимірювальний прилад (мілівольметрт, потенціометр). В точках 3 3 та зажимах приладу 4 4,якщо в них з’єднуються різнорідні провідники можуть виникати додаткові термо-е.р.с.. тому обидві точки 3 3, а також точки 4 4 повинні знаходитися при однакових температурах. Часто з’єднувальні провідники беруть мідними. В такому випадку достатньо термостатувати точки 3 3, помістивши їх у суміш льоду з водою. Більшість лабораторних термопар призначених для лабораторних вимірювань попередню градуюються по зразкових термометрах (рис.9.5). Якщо один спай термопари, наприклад D, підтримувати при сталій температурі (273 К), а другий A нагрівати, то прилад покаже певні значення е.р.с.; за цими значеннями

55

будується графік залежності е.р.с. термопари від температури або складається таблиця. Такий термоелектричний термометр являє собою диференціальну термопару. Диференціальні термопари широко застосовуються в лабораторіях при наукових дослідженнях. При цьому один із спаїв поміщають у посудину Дюара, наповнену подрібненим льодом і дистильованою водою (цим підтримується температура холодного спаю Т0=273 К), а другий знаходиться при температурі Т.

Термо–е.р.с. термопари вимірюють потенціометрами або електронними мілівольтметрами високого класу точності. За виміряною термо–е.р.с. з таблиць визначають або відразу невідому температуру (диференціальна термопара), або різницю між невідомою температурою і температурою навколишнього середовища (проста термопара).Шкала електронного вольтметра може бути прокалібрована не у мілівольтах, а у Кельвінах або градусах Цельсія для даної термопари. Такий прилад називають електронним термопарним термометром або просто електронним термометром.

Переваги термопар:

–мала теплова інерційність;

–малі геометричні розміри;

–висока точність;

–широкий інтервал вимірювання температури;

–можливість автоматизації процесу вимірювання температури. Недоліки:

–відносно висока вартість термоелектричних термометрів;

–необхідність стабілізації температури холодного спаю при точних вимірюваннях;

–вплив на процес вимірювання зовнішніх електромагнітних

полів.

Термометри опору. Електричний опір металів і напіпровідників залежить від температури:

R R(T) .

Якщо залежність R R(T) відома, то, визначивши електричний

опір, наприклад, тонкої металевої дротини, яка знаходиться в певному середовищі, можна обчислити температуру цього середовища.

56

Найкращим матеріалом для термометра опору є платина. Вона має надзвичайно високу хімічну стійкість, значну залежність

величини	електричного	опору від	температури	(	залежність
R R(T)	для платини,	близька	до лінійної)	і	достатньою

стабільністю опору в часі. Платинові термометри опору застосовують для вимірювання температур від -190 до 1000оС. Опір робочого елемента термометра опору вимірюють містками опору або електронними омметрами високого класу точності. Шкалу електронного омметра можна прокалібрувати не в Омах, а у Кельвінах або градусах Цельсія для даного термометра опору. Такий прилад називають електронним термометром опору.

Із інших металів для виготовлення термометрів опору використовують мідь ( до 150оС), нікель ( до 250оС). Метали для виготовлення термометрів опору повинні бути хімічно чистими. Для термометрів опору також використовують напівпровідникові матеріали.

Платинові термометри виготовляють із дроту діаметром від 0,05 до 0,2 мм. Дріт спочатку відпалюється до температури 900–1000оС, шляхом пропускання через нього електричного струму. Намотують

.дріт на каркас термометра біфілярно ( дріт складається вдвоє, після чого намотується на каркас, при такій намотці струм в середині витків тече в різних напрямках) і без натягу.

Вологість повітря. Атмосферне провітря завжди містить водяну пару. Суміш сухого повітря і водяної пари називають вологим повітрям. У вологому повітрі водяна пара перебуває під невеликим парціальним тиском Pп і в перегрітому стані. Очевидно, що парціальний тиск водяної пари значно менший від парціального тиску сухого повітря (при нормальних умовах Pпmax 1 103 Па ,

Pповітря 1 105 Па ), тому вологе повітря можна розглядати як суміш ідеальних газів, за винятком того, що при певних умовах буде конденсуватися водяна пара або випаровуватися вода. Тиск волого повітря для відкритого об’єму рівний атмосферному

	Pвп Ра
Виходячи із закону Дальтона, маємо:
Pвп Ра	Рсп Рп ,	(2.9.8)
	57

m маса

де Pвп	тиск вологого	повітря,	Рсп парціальний тиск	сухого
повітря,	Рп парціальний тиск водяної пари.
При	випаровуванні	речовина	змінює свій агрегатний	стан.

Фазовий перехід у загальному випадку – це перехід із однієї фази в іншу. Фаза є сукупністю частин термодинамічної системи, які мають однакові фізичні та хімічні властивості, що не залежать від кількості речовини. Якщо система однофазна, то вона фізично однорідна або гомогенна. Багатофазна система фізично не однорідна або гетерогенна. Фази гетерогенних систем при рівноважних процесах здатні до співіснування і завжди відокремлені одна від одної макроскопічними поверхнями розділу. Прикладом фазових відмінностей можуть бути: агрегатні відмінності ( твердий, рідкий та газоподібний стани), кристалічна чи молекулярна будова ( тверде залізо має чотири фази , , , , вуглець у твердому стані має дві

фази – алмаз та графіт, вода у рідкому стані має дві фази – важка та звичайна вода, кисень у газоподібному стані має дві фази –

звичайний кисень О2 та озон О3 і т. д.).

Поділ речовини на фази ефект суто фізичний, а не хімічний. Фази гетерогенної системи будуть існувати в рівновазі лише при певних значеннях параметрів стану. Фазові переходи поділяють на фазові переходи першого та другого роду. Найбільш типовими переходами першого роду є агрегатні перетворення. Вони характеризуються стрибкоподібними змінами внутрішньої енергії, ентальпії, ентропії та об’єму і завжди супроводжуються виділення або поглинанням

термодинамічною системою теплоти.
dQ dm,	(2.9.10)

де: питома прихована теплота фазового перетворення, речовини, що змінює агрегатний стан.

Агрегатні перетворення можуть протікати у двох напрямках. В одному з них відбувається перехід до фази, яка існує при вищих температурах ( наприклад: плавлення, випаровування, сублімація), а в другому – навпаки. Температура і тиск системи, при цьому залишається сталим.

Фазовий перехід речовини з рідкого стану у стан пари називають пароутворенням. Тут можливі два процеси: випаровування та кипіння.

58

Випаровування – це процес пароутворення на вільній поверхні рідини. Він проходить при будь-якій температурі рідини. Процес випаровування з молекулярно-кінетичної точки зору пояснюється наявністю у рідині молекул, енергія яких перевищує певний рівень, унаслідок чого молекула може покинути поверхню рідини і вийти у простір над нею. Рідину покидають молекули. Що мають найбільші швидкості, внаслідок, чого зменшується середня швидкість теплового руху залишених у рідині молекул і знижується її температура. Очевидно, що внутрішня енергія системи при цьому зменшується. Пара, яка перебуває у динамічній рівновазі з рідиною, називається насиченою. При насиченні виліт молекул з рiдини не припиняється, але число молекул, що вилiтають з рiдини, стає рiвним числу молекул, якi повертаються за той же час в рiдину.

Кипіння – це бурхливе пароутворення по всьому об’єму рідини під час нагрівання рідини, доведеної до температури кипіння. Утворені на поверхні посудини і всередині рідини бульбашки пари, збільшуючись в об’ємі, піднімаються на поверхню рідини.

Кiлькiсть водяної пари, що мiститься в одному кубічному метрi

повiтря, називається абсолютною вологістю повітря. Отже,

абсолютна вологість повітря – фізична величина, що дорівнює густині водяної пари в повітрі.

	п		m	.	(2.9.10)
			V

Абсолютна вологість повітря має розмірність одиниці густини речовини

кг

[ п ]Ci м3

Оскільки, реально в одному кубічному метрі повітря декілька грам водяної пари, то зручно як одиницю абсолютної вологості використовувати дольну одиницю 1 г/м3.

Практично дуже важко вимiряти кiлькiсть водяної пари в 1м3 повiтря (густину). Тому в метеорологiї користуються iншим визначенням. Тиск водяної пари, що знаходиться в повiтрi при данiй температурi, називається абсолютною вологiстю

Абсолютна вологiсть може бути виражена через тиск водяної пари, що мiститься в повiтрi. Величину абсолютної вологості повітря, визначену у такий спосіб називають, пружністю або тиском водяної пари

59

Р

п

m

RT

m

RT

п

RT

,

(2.9.11)

V

V

відповідно розмірність водяної пари у повітрі

у системі СІ має

розмірність:

Рп СІ Па.

Часто тиск водяної пари виражають у мм.рт.ст.

Вiдносною вологiстю повiтря називається величина, що вимiрюється вiдношенням абсолютної вологостi до абсолютної вологості у стані насичення повiтря при данiй температурi, вираженiй у відсотках

	r	п		100% .	(2.9.12)
			н
			п

Відносну вологість також визначають через відношення тисків водяної пари у повітрі

Вiдносною вологiстю називають величину, що вимiрюється вiдношенням тиску водяної пари, що мiститься в повiтрi, до тиску водяної пари, яка насичує повiтря при тiй же температурi, вираженiй у відсотках.

	r	Рп	100%.	(2.9.13)
		Рпн

Точкою роси називається така температура, при якiй пара, що знаходиться в повiтрi, стає насиченою. Насичуючою парою називається така пара, яка перебуває в динамiчнiй рiвновазi з своєю рiдиною.

Ненасичена пара може бути переведена в насичену шляхом пониження температури. Поява слiдiв роси на охолоджених предметах є ознакою насичення, температура появи роси на охолодженій поверхні фіксується як точка роси.

Методи визначення вологості повітря

1. Метод точки роси. Вологість повітря методом точки роси визначають гігрометром Ламбрехта (рис.9.6). Він складається з

60