3. Вимірювання температур і кількості тепла. Термометри і калориметри

Вимірювання температури – термометрія – одна з найдревніших галузей метрології. Для вимірювання температур створені різноманітні термометри: газові, рідинні, термоелектричні, електричного опору та інші, які задовольняють наявні потреби промисловості, транспорту, медицини, комунального господарства, наукових досліджень.

Для вимірювання кількості теплоти, що виділяється чи поглинається в хімічних і ядерних реакціях, радіаційних взаємодіях, в інших перетвореннях різних видів енергії, а також для визначення теплоємності речовин були розроблені і широко використовуються калориметри – адіабатичні, ізотермічні, діатермічні та інші.

Теплова енергія має важливу особливість – вона довільно переходить від тіл з більш високою температурою до тіл з меншою температурою. Цей експериментально встановлений факт є змістом Другого закону термодинаміки. Для переносу певної кількості теплоти від холодного тіла до нагрітого необхідні витрати відповідної кількості іншого виду енергії (електричної, механічної, хімічної) – такі процеси відбуваються у холодильних установках.

Кількість теплової енергії, яка переходить від більш нагрітого тіла до менш нагрітого тіла (середовища) за інтервал часу Δτ , дорівнює:

Q = qSΔτ , (3)

де S – площа контакту тіл, між якими відбувається теплообмін, і q – густина теплового потоку.

4. Теплові потоки. Електро-тепло-гідравлічна аналогія.

В сучасних розрахунках теплових процесів широко застосовуються методи електро-тепло-гідравлічної аналогії. Вимірювання температури і теплових потоків у теплотехніці аналогічне вимірюванням напруги і сили току в електротехніці і висоти підйому води і потоків води у гідротехніці. Енергія води, яку піднято на висоту Н, можна обчислити за формулою:

Р = МgН, (4)

де g – прискорення сили земного тяжіння.

Кількість Е електричної енергії, яку ми споживаємо, визначається за формулою:

Е = WΔτ = IUΔτ, (5)

де W – потужність, І – сила електричного струму і U – напруга.

Математичні співвідношення, які описують теплові, гідравлічні і електричні процеси, що відбуваються у складних системах і схемах, мають однаковий вигляд і відрізняються тільки фізичним змістом і значеннями коефіцієнтів. Це дозволяє моделювати складні теплові системи і мережі за допомогою гідравлічних і електричних стендів у зменшених масштабах.

В електротехніці розроблені і застосовуються вольтметри, амперметри, ватметри і лічильники електроенергії. У теплотехніці до середини 20-го сторіччя використовувались тільки термометри і калориметри. Перші детектори (перетворювачі теплового потоку - ПТП) і прилади для вимірювання теплових потоків, які можна широко застосовувати у різних галузях промисловості, комунального господарства, медицини тощо, були створені в Україні, в Києві, в Інституті технічної теплофізики НАН України у 1955 році. З того часу створено десятки типів тепловимірювальних приладів для різних галузей застосування, метрологічне забезпечення та методики цих вимірювань. Таким чином, технологи, конструктори і дослідники отримали нові ефективні методи і засоби контролю, проектування і оптимізації теплових установок і апаратів. Це суттєво сприяє розробці і впровадженню новітніх енергозберігаючих технологій.