Техника физико-химического эксперимента : измерение температуры, работа с газами

Москва  2020

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра функциональных наносистем  

и высокотемпературных материалов

ТЕХНИКА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО 
ЭКСПЕРИМЕНТА

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ, РАБОТА С ГАЗАМИ

Лабораторный практикум

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 3513

УДК 620.183 
 
Т38

Р е ц е н з е н т 

канд. техн. наук, доц. И.В. Смарыгина

А в т о р ы : 

Е.Н. Сидорова, И.В. Блинков, Ю.В. Конюхов, В.М. Нгуен, А.О. Волхонский

Т38  
Техника физико-химического эксперимента : изме-

рение температуры, работа с га-зами : лаб. практикум / 
Е.Н. Сидорова [и др.]. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 
2020. – 96 с.

Лабораторный практикум по курсу «Техника физико-химическо-

го эксперимента», раздел «Измерение температуры, работа с газами» 
включает описания и методические рекомендации по выполнению 
четырех лабораторных работ, посвященных изучению методов из-
мерения температуры термопарами, термометрами сопротивления 
и пиро-метрами, а также методов регулирования и контроля расхода 
малых потоков газа.

Предназначен для бакалавров, обучающихся по направлениям 

подготовки 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов», 
28.03.03 «Наноматериалы», 03.03.02 «Физика».

УДК 620.183 

 Е.Н. Сидорова, И.В. Блинков, 

Ю.В. Конюхов, В.М. Нгуен, 
А.О. Волхонский, 2020

 НИТУ «МИСиС», 2020

Содержание

Введение ........................................................................... 5
Лабораторная работа 1. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ 
ТЕРМОМЕТРАМИ И УПРАВЛЕНИЕ РАБОТОЙ ПЕЧИ 
ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ ..................................................6

1.1. Цели работы ............................................................. 6
1.2. Теоретическое введение ............................................. 6

1.2.1. Измерение температуры термопарами .................... 8
1.2.2. Измерение температуры термисторами, 
термометрами сопротивления ...................................... 18

1.3. Экспериментальная часть ........................................ 21

1.3.1. Описание лабораторной установки 
и экспериментальных схем измерения .......................... 21
1.3.2. Техника безопасности при выполнении работы ..... 24
1.3.3. Порядок выполнения  ........................................ 24
1.3.4. Обработка результатов эксперимента ................... 37

1.4. Требования к отчету о работе .................................... 38
1.6. Библиографический список ...................................... 40

Лабораторная работа 2. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ 
АБСОЛЮТНО ЧЕРНОГО ТЕЛА ИНФРАКРАСНЫМИ 
ТЕРМОМЕТРАМИ ........................................................... 41

2.1. Цели работы ........................................................... 41
2.2. Теоретическое введение ........................................... 41

2.2.1. Характеристики теплового излучения ................. 41
2.2.2. Абсолютно черное тело и законы излучения .......... 44
2.2.3. Оптическая пирометрия ..................................... 49

2.3. Экспериментальная часть ........................................ 51

2.3.1. Описание лабораторной установки ...................... 51
2.3.2. Техника безопасности при выполнении работы ..... 56
2.3.3. Порядок выполнения ......................................... 56
2.3.4. Обработка результатов эксперимента ................... 59

2.4. Требования к отчету о работе .................................... 60
2.5. Контрольные вопросы ............................................. 60
2.6. Библиографический список ...................................... 61

Лабораторная работа 3. ПОВЕРКА ПИРОМЕТРА 
ПО ОБРАЗЦОВОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЛАМПЕ 
НАКАЛИВАНИЯ ............................................................... 63

3.1. Цели работы ........................................................... 63
3.2. Теоретическое введение ........................................... 63

3.2.1. Измерительные приборы и их поверка ................. 63
3.2.2. Поверка ИК-термометра с помощью  
образцовой лампы накаливания ................................... 66

3.3. Экспериментальная часть ........................................ 69

3.3.1. Описание лабораторной установки ...................... 69
3.3.2. Техника безопасности при выполнении работы ..... 71
3.3.3. Порядок выполнения  ........................................ 72
3.3.4. Обработка результатов эксперимента ................... 73

3.4. Требования к отчету о работе .................................... 73
3.5. Контрольные вопросы ............................................. 73
3.6. Библиографический список ...................................... 74

Лабораторная работа 4. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ГАЗА ........ 77

4.1. Цель работы ........................................................... 77
4.2. Теоретическое введение ........................................... 77
4.3. Экспериментальная часть ........................................ 85

4.3.1. Описание лабораторной установки ...................... 85
4.3.2. Требования безопасности  
при выполнении работы .............................................. 87
4.3.3. Порядок выполнения лабораторной работы .......... 87
3.3.4. Обработка результатов эксперимента ................... 93

3.4. Требования к отчету о работе .................................... 94
3.5. Контрольные вопросы ............................................. 94
3.6. Библиографический список ...................................... 95

ВВЕДЕНИЕ

Курс «Техника физико-химического эксперимента» предна-

значен для будущих специалистов в области научных исследо-
ваний, эффективность работы которых в значительной степени 
определяется научно обоснованным выбором методики исследо-
вания и планированием эксперимента. Правильно поставлен-
ный научный эксперимент с использованием современной ап-
паратуры и приборов позволяет получить достоверные и точные 
данные, установить природу и закономерности изучаемых явле-
ний и процессов. 

Лабораторная работа 1 

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ 

ТЕРМОМЕТРАМИ И УПРАВЛЕНИЕ РАБОТОЙ 

ПЕЧИ ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ

1.1. Цели работы

1. Изучить устройство и принцип работы термопар и термоме-

тров сопротивлений.

2. Определить характеристики термопар и термометров со-

противлений.

3. Получить практические навыки измерения температуры 

термометрами и управления работой печи электросопротивления.

1.2. Теоретическое введение

Температура – физическая величина, характеризующая 

термодинамическую систему в состоянии равновесия и количе-
ственно выражающая интуитивное понятие о различной степени 
нагретости тел. Численно она пропорциональна средней кинети-
ческой энергии молекул в веществе, приходящейся на одну сте-
пень свободы. Понятие температуры применимо только к макро-
скопическим телам и не имеет смысла для систем, состоящих 
из нескольких молекул.

Каждому равновесному состоянию тела можно поставить в со-

ответствие некоторый параметр, характеризующий температуру 
этого тела, причем, чем выше температура, тем больше значение 
этого параметра. Величина указанного параметра называется 
значением температуры.

Однако непосредственно измерить температуру нельзя. Ее 

значение определяют по каким-либо другим физическим пара-
метрам тела, которые однозначно изменяются в зависимости 
от нее. Причем измеряемые параметры должны быть просты и 
легко воспроизводимы, например, объем, длина, электрическое 
сопротивление, термоэлектродвижущая сила, энергетическая 
яркость излучения и др.

Для определения значения температуры какого-либо тела 

необходимо выбрать ее эталон, т.е. найти такое тело, кото-

рое при заданных условиях, равновесных и достаточно легко 
воспроизводимых, имело бы определенное значение темпера-
туры. Это значение является реперной точкой соответствую-
щей шкалы температур. Последняя представляет собой по-
следовательность значений температуры. В настоящее время 
существуют несколько температурных шкал, в частности, 
Кельвина, Цельсия, Фаренгейта и Реомюра. Все они постро-
ены на измерении какого-либо термодинамического свойства 
вещества между двумя выбранными реперными точками. Как 
правило, это точки фазового равновесия чистых веществ. Из-
менение термометрического свойства в этом интервале ап-
проксимируется линейной зависимостью от температуры. 
В России допускается применение двух температурных шкал: 
абсолютной термодинамической в кельвинах (К) и междуна-
родной практической в градусах Цельсия (°С). Абсолютную 
температуру обозначают буквой Т, а температуру по шкале 
Цельсия – t:

 
Т = t + Т0; t = Т – Т0, где Т0 = 273,15 К. 
(1.1)

В Англии, США, а также в некоторых других европейских 

странах до сих пор употребляется шкала Фаренгейта и исполь-
зуются термометры на ее основе. Реперными точками для такой 
шкалы служат равновесия в смесях некоторых солей – NaCl, 
NH4Cl, льда и точка кипения воды. Нормальная температура че-
ловеческого тела по Фаренгейту считается равной 98,5 °F (при-
мерно 37 °С).

Связь между температурами, выраженными в градусах Цель-

сия и Фаренгейта, имеет вид

 
C
F
32.
100
180
t
t
°
° −
=
 
(1.2)

Диапазон температур можно разделить на ряд характерных 

поддиапазонов (в кельвинах):

1) сверхнизкие температуры – 0…4,2 К;
2) низкие – 4,2…273 К;
3) средние – 273…1300 К;
4) высокие – 1300…5000 К;
5) сверхвысокие – от 5000 К и выше.

Наиболее часто измеряемые температуры лежат в области 

низких, средних и высоких температур.

Широкий диапазон подлежащих измерению температур, раз-

нообразие условий и объектов исследования обусловили много-
численность методов и средств измерений температуры.

Температура может измеряться контактным и бесконтакт-

ным способом.

Для измерения температуры контактным способом приме-

няют термометры:

 – сопротивления (использующие зависимость электрического 

сопротивления вещества от его температуры);

 – термоэлектрические (основанные на измерении возникаю-

щей термоэлектродвижущей силы в месте контакта двух разно-
родных проводников);

 – расширения (измеряющие температуру по тепловому рас-

ширению жидкостей или твердых тел);

 – манометрические (использующие зависимость давления 

газа или насыщенных паров жидкости от температуры).

Для измерения температуры бесконтактным способом ис-

пользуют пирометры:

 – яркостные (измеряющие температуру по яркости накален-

ного тела в заданном узком диапазоне длин волн);

 – радиационные (измеряющие температуру по тепловому дей-

ствию суммарного излучения нагретого тела во всем диапазоне 
длин волн);

 – цветовые (принцип действия основан на измерении отноше-

ния энергий, излучаемых телом в разных спектральных диапа-
зонах).

Рассмотрим некоторые контактные методы измерения темпе-

ратуры с помощью различных термодатчиков.

1.2.1. Измерение температуры термопарами

Трмопары (ТП) – это термоэлектрические контактные датчи-

ки, которые состоят из двух разных по физическим свойствам 
проводников и их соединений (пар). Термопары не требуют 
внешнего источника питания и сами вырабатывают напряже-
ние (термоэлектродвижущую силу) в зависимости от изменения 

температуры. Они надежные, недорогие и широко используют-
ся в различных измерительных системах. Термопары являются 
единственными температурными датчиками, позволяющими 
измерять сверхвысокие температуры (до +2300 °С).

Принцип действия термопары основан на явлениях, заклю-

чающихся в том, что нагревание или охлаждение спаев двух 
различных проводников сопровождается возникновением элек-
тродвижущей силы, которые описываются двумя основными за-
конами: Зеебека и Пельтье.

Закон Зеебека. В замкнутой цепи, содержащей два спая двух 

разнородных проводников, возникает электрический ток, про-
порциональный разности температур этих спаев.

Закон Пельтье: Если по цепи, содержащей два спая двух раз-

нородных проводников, пропустить электрический ток, то темпе-
ратура одного из проводников повысится, а второго – понизится.

Причиной этих эффектов являются неодинаковые значения 

работ выхода электронов и различные значения концентрации 
свободных электронов в соприкасающихся металлах.

На рис. 1.1 приведены энергетические диаграммы контакта 
двух металлов с различной работой выхода: не находящихся 
в контакте (а) и приведенные в контакт (б).

 
 
а 
 
б

Рис. 1.1. Энергетическая диаграмма контакта двух металлов

Металлы обмениваются электронами, а так как энергия Ферми 

B
A
F
F
E
E
>
 и работа выхода χA > χB, то преимущественными переходами 
будут переходы электронов из металла B в металл А, в результате 
чего в слое суммарной толщиной d появится избыточный 
заряд, в металле А – отрицательный потенциал, а в металле В – 
положительный. Между металлами возникнет контактная разность 
потенциалов VK, равная разности работ выхода.

На рис. 1.2 показана контактная цепь из двух разнородных 

проводников. При одинаковой температуре контактов А и В разности 
потенциалов VK на каждом контакте, одинаковые по величине 
и направленные навстречу друг другу, уравновешиваются, 
и суммарная ЭДС в цепи равна 0 (рис. 1.2, а, в).

а

 
б 
 
 
в 
 
 
г

Рис. 1.2. Возникновение термоэлектродвижущей силы

Нагреем контакт А, а В оставим холодным. На контакте 
А энергетическая диаграмма изменится (рис. 1.2, б, г, д): контактная 
разность потенциалов станет отличной от той, которая 
существует на холодном контакте B, в цепи возникнет ЭДС.

ЭДС полной цепи будет равна разности ЭДС, генерируемых 

холодным и горячим спаями, которая в свою очередь пропорциональна 
разности температур между ними.

Опыт показывает, что связанная с термотоком ЭДС e пропорциональна 
разности температур «горячего» (А) и «холодного» (
В) спаев (рис. 1.3):

A B
1
2
(
)
T
T
−
ε = α
−
, 
(1.3)

где 
1
A B
2
ln n
k
e
n
−
α
=
⋅
 – коэффициент термоЭДС, определяемый 

свойствами металлов, из которых изготовлена термопара. Например, 
для пары железо-константан a = 5,3·10–5 В/К;
здесь k – постоянная Больцмана;
е – заряд электрона;
n1, n2 – концентрации свободных электронов в соприкасающихся 
металлах;
T1, T2 – температуры «горячего» и «холодного» спаев, К.

Рис. 1.3. Возникновение термоЭДС в цепи термопар

Схемы подключения термопар к измерительному прибору 
показаны на рис. 1.4. В реальной практике в большинстве 
случаев используют вторую схему, где измерительный прибор 
включается в разрыв одного из термоэлектродов. Подобное подключение 
позволяет компенсировать «ненужную» термоЭДС, 
возникающую в точках подключения термоэлектродов к проводам, 
ведущим к прибору. Эти точки в случае первой схемы хотя 
и находятся при одинаковой температуре, но соединяют разные 
по физическим свойствам проводники (например, медь-железо 
и медь-константан, если соединительные провода медные), в ре-
зультате чего в них может возникать дополнительная неском-
пенсированная термоЭДС, влияющая на результаты измерения. 

Термопара на основе такой схемы подключения называется диф-
ференциальной.

 
 
а 
б

Рис. 1.4. Способы подключения термопары: 

а – подключение измерительного прибора 1 соединительными 
проводами 2 к концам термоэлектродов 3 и 4; б – подключение 

измерительного прибора 1 в разрыв термоэлектрода

Следует отметить, что схема подключения может содержать 

более двух спаев. Такие схемы могут использоваться для изме-
рения, например средней температуры объекта по нескольким 
точкам замера.

Для расчета суммарной термоЭДС в цепи дифференциальной 

термопары необходимо знать как минимум температуру одного 
из спаев. Раньше «холодные» спаи опускались в сосуды с таю-
щим льдом для поддержания их температуры, равной 0 °C (от-
сюда появилось название «холодные спаи»), но это очень неудоб-
но, а для многих практических схем и вовсе невозможно. Сейчас 
обычно температура «холодного» спая контролируется дополни-
тельным детектором (например, терморезистором).

Зависимость ЭДС термопары от температуры в широком диа-

пазоне температур нелинейна, но на определенном участке ее 
можно считать линейной и использовать для расчета коэффици-
ента термоЭДС a (рис. 1.5).