5.2. Газовые тензиметрические термометры
Газовый тензиметрический термометр (тензиметрия - от лат. tendere - напрягать + греч. metreo - мерю) представляет собой сосуд 1 (рис. 93) с постоянной массой газа, термические свойства которого хорошо известны.
Состояние газа при нагревании изменяется в соответствии с уравнениями Менделеева - Клапейрона для идеального газа или реального газа
если учитывать только второй вириальный коэффициент В(T), зависящий от температуры.
Из уравнений следует, что при заданной температуре газ под определенным Давлением занимает вполне определенный объем. Изменение температуры влечет за собой изменение давления или объема. По этим изменениям и определяют температуру. В лабораторной практике обычно используют газовые термометры постоянного объема и постоянного давления.
Газовые термометры постоянного объема. Действие его основано на соотношении
Рис. 93. Газовые термометры постоянного объема (а, б) и постоянного давлению
Давление, под которым газ в резервуаре 1 (рис. 93, а, б) находится в состояниях с Tо и Т, измеряют ртутным манометром 2, причем ртутный столб одновременно используют и для поддержания постоянного объема. Значения Т исследумой среды 5 измеряют по высоте подъема столбика ртути в манометре, прокалиброванного в градусах Цельсия или Кельвина, от исходного давления р0 (рис. 93, б).
На рис. 93, а приведена схема укороченного газового термометра, рекомендуемого для измерения низких температур в интервалах, указанных в табл. 7. Нижний конец манометрической трубки 2 заканчивается капилляром 4 длиной 10-15 мм и диаметром 0,5 мм, а длина всей манометрической трубки 2 составляет 200 мм. Термометру можно придавать любое положение, не опасаясь проникновения газа в манометр. Газовый резервуар -кварцевая трубка / небольшого диаметра. Сверху она закрыта приваренной пористой стеклянной пластинкой б, непроницаемой для ртути. В связи с тем, что объем резервуара 1 мал по сравнению с объемом камеры с ртутью, изменением объема пренебрегают и считают его постоянным. Резервуар У термометра заполняют в зависимости от интервала измеряемых температур одним из газов, указанных в табл. 7. Для наполнения газовых термометров применяют прежде всего те вещества, которые легко получить в чистом состоянии.
В газовом термометре, показанном на рис. 93, б, перед замером температуры по шкале манометра 2 его трубку поднимав на такую высоту, чтобы выпуклый мениск столбика ртути в левом колене коснулся острого конца указателя 3 - изогнутое стеклянного конуса, вплавленного в трубку манометра. Этот указатель фиксирует постоянство объема. Кварцевый резервуар 1 соединен с ртутным манометром 2 капилляром 4.
Газовые термометры постоянного давления (рис. 93, в) при начальной температуре T0 имеют объем газа V0. Если резервуар термометра довести до измеряемой температуры T(Т > T0) при постоянном давлении ро, то объем газа увеличится до V. Расширение газа приведет к вытеснению части ртути из бюретки 2 через открытый кран в стаканчик 3. После прекращения повышения температуры в резервуаре 1 объемом V0 будет находиться n0 моль газа, а в бюретке объемом Vб будет nt моль газа:
(5.3)
так как полное количество вещества газа B(nb) осталось постоянным,
Если газ в бюретке 2 имеет исходную температуру Tо - температуру бюретки, то следовательно
(5.4)
Отсюда измеряемая температура T равна
(5.5)
Отметки 0-0 означают начальное положение мениска ртути перед измерением температуры.
Объем газа в бюретке определяют либо взвешиванием стаканчика 3, в который была вытеснена часть ртути при постоянном давлении P0, либо по делениям откалиброванной бюретки
Точность определения температуры газовым термометром зависит прежде всего от правильной оценки поправки на вредный oбъем (объем капиллярной трубки 4, изменение объема резервура 1 из-за расширения или сжатия материала его стенок, диффузия газа через стенки резервуара, его адсорбция на этих стенках и стенках капиллярной трубки). Другой поправкой является поправка на отклонение газа от идеального состояния.
В обычных условиях 1 °С отвечает изменению давления в 4 торр (533,3 Па). Следовательно, увеличение температуры на 0,01 °С можно заметить, если газовый термометр позволяет обнаружить увеличение давления на 0,04 торр (5,33 Па).