Термометры сопротивления, терморезисторы

Чувствительные элементы металлических термометров сопротивления представляют собой тонкую проволоку (медную, платиновую, золотую), намотанную бифилярно на специальный слюдяной, фарфоровый или пластмассовый каркас. Для предохранения от внешних воздействий чувствительные элементы ТС заключают в металлическую трубку с литой головкой, в которой смонтированы выводы концов обмотки для их подключения к соединительным проводам.

Термометры сопротивления, изготовленные из полупроводниковых материалов, называют термисторами. Температурная зависимость электросопротивления полупроводников гораздо более сильная[1], поэтому терморезисторы намного чувствительнее металлических термометров сопротивления.

Для измерения электросопротивления резистора через него должен быть пропущен электрический ток. Поэтому в состав термометра сопротивления должен быть включен источник тока.

Кроме терморезисторов применяются полупроводниковые датчики, в которых используется изменение характеристик p-n перехода под влиянием температуры. В качестве термодатчиков могут быть использованы любые диоды или биполярные транзисторы.

Теплопроводность и температуропроводность

Основной физической величиной, характеризующий данный процесс в конкретном материале, является коэффициент теплопроводности [2]. Эта величина входит в формулу закон теплопроводности Фурье, согласно которому в установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:

, (1)

где {\displaystyle {\vec {q}}} q вектор плотности теплового потока, т.е. количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной оси координат, {\displaystyle \varkappa } χ – коэффициент теплопроводности, {\displaystyle T} Т – температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad T (то есть в сторону скорейшего убывания температуры).

Численно коэффициент теплопроводности равен количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В системе СИ единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).

В некоторых экспериментах определяют величину коэффициента температуропроводности, характеризующую скорость изменения (выравнивания) температуры вещества в неравновесных тепловых процессах. Численно коэффициент температуропроводности (или просто температуропроводность) равен отношению теплопроводности χ к произведению теплоёмкости при постоянном давлении C_p на плотность ρ:

. (2)

В системе СИ коэффициент температуропроводности измеряется в м²/с.

Теплоемкость

В молекулярно-кинетической теории показывается, что температура пропорциональна средней кинетической энергии частиц вещества. Отсюда следует, что для увеличения температуры тела необходимо к нему подвести некоторое количество энергии, пропорциональное количеству вещества в этом теле и разности конечной и исходной температур Δ Т:

. (3)

Если в этой формуле m – масса тела, то коэффициент с называется удельной теплоемкостью вещества. Удельная теплоемкость равна количеству теплоты, необходимой для нагревания единицы массы вещества на 1 К. Размерность удельной теплоемкости – Дж/кг·К.

Если в качестве единицы количества вещества используется моль, то коэффициент в формуле (3) называют молярной теплоемкостью. Молярная теплоемкость равна количеству теплоты, необходимой для нагревания 1 моль вещества на 1 К. Размерность молярной теплоемкости – Дж/моль·К.

Тепловое расширение

При нагревании твердые тела и жидкости, как правило, увеличиваются в объеме. Изменение объема и линейных размеров твердых тел при нагревании обычно записывают в виде

, (4)

, (5)

где V ₀ и L ₀ – объем или линейный размер образца при начальной температуре, Δ V и Δ V – изменение этих величин при изменении темперfтуры на Δ Т. Коэффициенты k_V и k_L называются коэффициентами соответственно объемного и линейного расширения вещества (материала).

Формулы (4) и (5) применимы лишь в том случае, когда изменение температуры Δ Т не слишком велико, так как коэффициенты теплового расширения обычно зависят от температуры. Если необходимо знать эту зависимость, то эксперименты проводят при достаточно малых значениях Δ Т.