Единицы и шкала измерения температуры.
Лекция № 1.
Введение. Закономерности развития высокотемпературной физики, термохимии и материаловедения.
Граница между химией и физикой уже в момент появления научной химии была весьма условной. На протяжении XVII – XVIII веков ещё можно было говорить о более или менее явных различиях в предметах этих наук; к предмету химии относились процессы, сопровождавшиеся изменением состава вещества. Однако начало XIX века ознаменовалось стремительным взаимным проникновением физики и химии. Атомно-молекулярную теорию вряд ли можно счесть исключительно химической теорией; изучение тепловых эффектов, сопровождающих химические реакции, нельзя считать предметом одной только химии. Создание гальванического элемента, электролиз, открытие оптической активности веществ, установление связи между теплоёмкостью и атомной массой существенно размыли границу между этими науками.
Уже в конце XVIII века появились первые работы, посвящённые изучению тепловых эффектов химических реакций, с которых и началось становление термохимии. Следует отметить, что термохимия сразу же приобрела важное практическое значение: определение теплоты горения различных видов топлива имело большое значение для техники. Однако уже в первой половине XIX века химики рассматривали термохимию ещё и как важный инструмент для решения таких важнейших теоретических проблем химии, как изучение состава и строения вещества и определения сил химического сродства. Теплоту начали рассматривать и как возможную меру прочности соединения атомов и взаимодействия молекул.
|
|
|
Следует отметить, что во время возникновения термохимии взгляды на природу теплоты существенно отличались от современных. Естествоиспытатели исходили из предположения, что существует некая невесомая материальная субстанция – теплород – высвобождающаяся либо поглощающаяся в ходе химической реакции.
Иное представление о теплоте как о форме движения мельчайших частиц материи (атомов) появилось еще в XVII веке. Этих воззрений придерживались Френсис Бэкон, Рене Декарт, Исаак Ньютон, Роберт Гук. Швейцарский математик и физик Даниил Бернулли предложил в 1734 г. уравнение, связывающее давление газа с движением атомов. Михаил Васильевич Ломоносов, развивая свою корпускулярную философию, детально разработал положения кинетической теории теплоты. Однако без доказательства существования атомов кинетические воззрения на природу теплоты не могли найти всеобщего признания. В 1798 г. Бенджамин Томпсон (граф Румфорд), описав выделение большого количества тепла при высверливании канала в пушечном стволе, посчитал это экспериментальным доказательством того, что теплота является формой движения. Конечно, факт выделения тепла при трении был известен с незапамятных времен, однако сторонники теории теплорода усматривали в этом явлении нечто аналогичное электризации тел трением – трение способствует выжиманию теплорода из тела. Румфорд, однако, показал, что из ограниченного количества материи может быть получено неограниченное количество теплоты. Получение теплоты с помощью трения подтвердили и опыты Гемфри Дэви, обнаружившего, что трение двух кусков льда друг о друга вызывает их плавление. После утверждения атомно-молекулярной теории теплородная теория теплоты в значительной степени поколебалась, однако в первой половине XIX века концепция теплорода разделялась большинством ученых.
|
|
|
Одним из первых систематическое изучение тепловых явлений начал английский химик Джозеф Блэк. Он сформулировал понятия теплоёмкости тел и скрытой теплоты изменения агрегатного состояния вещества, указал на необходимость чёткого различения между количеством и интенсивностью теплоты (температурой). С помощью изобретённого им калориметра Блэк в 1759-1763 гг. выполнил первые определения теплоёмкостей веществ и скрытой теплоты плавления льда и испарения воды.
|
|
|
Первые систематические опыты по измерению теплот химических реакций начали в 1780 г. французские химики Антуан Лоран Лавуазье и Пьер Симон де Лаплас. Одним из предметов изучения Лавуазье были тепловые явления, тесно связанные с процессом горения. Вместе с Лапласом, будущим творцом «Небесной механики», Лавуазье даёт начало калориметрии. Они создают ледяной калориметр, с помощью которого измеряют теплоёмкости многих тел и теплоты, освобождающиеся при различных химических превращениях, например, при сгорании угля, фосфора, водорода, при взрыве смеси селитры, серы и угля. Обобщая результаты своих исследований, Лавуазье и Лаплас сформулировали правило, известное сейчас как первый закон термохимии (закон Лавуазье-Лапласа): «Всякие тепловые изменения, которые испытывает какая-нибудь материальная система, переменяя свое состояние, происходят в порядке обратном, когда система вновь возвращается в свое первоначальное состояние». Например, чтобы разложить угольную кислоту на уголь и кислород, необходимо потратить столько же тепла, сколько его выделяется при сгорании угля в углекислоту. Калориметрические и термохимические исследования Лавуазье и Лапласа описаны в мемуаре «Sur la chaleur» (1780).
|
|
|
Важнейшую роль в развитии термохимии сыграл русский химик Герман Иванович Гесс. В период с 1830 по 1850 гг. им был проведён ряд систематических исследований в области термохимии. В 1840 г. Гесс сформулировал фундаментальный закон термохимии – закон постоянства количества теплоты: "Каким бы путём не совершалось соединение, – имело ли оно место непосредственно или происходило косвенным путём в несколько приёмов, – количество выделившейся при его образовании теплоты всегда постоянно". Гесс не только открыл основной закон термохимии, доказав его экспериментально, но и широко применял этот закон для расчётов теплот различных процессов, которые невозможно определить непосредственно. Закон Гесса выражает принцип сохранения энергии применительно к химическим процессам, являясь следствием первого начала термодинамики.
Открытие в конце 1986 года нового класса высокотемпературных сверхпроводящих материалов радикально расширило возможности практического использования сверхпроводимости для создания новой техники и оказало революционное воздействие на эффективность отраслей народного хозяйства.
Явление, заключающееся в полном исчезновении электрического сопротивления проводника при его охлаждении ниже критической температуры, было открыто в 1911 году, однако практическое использование этого явления началось в середине шестидесятых годов 20 века, после того как были разработаны сверхпроводящие материалы, пригодные для технических применений. В связи с тем, что критические температуры этих материалов не превышали 20 К, все созданные сверхпроводниковые устройства эксплуатировались при температурах жидкого гелия, т.е. при 4-5 К. Несмотря на дефицитность этого хладоагента, высокие энергозатраты на его ожижение, сложность и высокую стоимость систем теплоизоляции, по целому ряду направлений началось практическое использование сверхпроводимости. Наиболее крупномасштабными применениями сверхпроводников явились электромагниты ускорителей заряженных частиц, термоядерных установок, МГД-генераторов (магнитогидродинамических). Были созданы опытные образцы сверхпроводниковых электрогенераторов, линий электропередачи, накопителей энергии, магнитных сепараторов и др. В последние годы в различных странах началось массовое производство диагностических медицинских ЯМР-томографов со сверхпроводниковыми магнитами, потенциальный рынок которых оценивается в несколько млрд. долларов.
Открытие высокотемпературных сверхпроводников, критическая температура которых с запасом превышает температуру кипения жидкого азота, принципиально меняет экономические показатели сверхпроводниковых устройств, поскольку стоимость хладоагента и затраты на поддержание необходимой температуры снижаются в 50-100 раз. Кроме того, открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) сняло теоретический запрет на дальнейшее повышение критической температуры с 30 К - вплоть до комнатной. Так, со времени открытия этого явления критическая температура повышена с 30 до 130 К.
Развитие отраслей новой техники требует интенсификации рабочих процессов и применения высокотемпературных материалов, работающих в различных средах (агрессивных и инертных), при разнообразных давлениях (от сотен атмосфер до высокого вакуума).
Развитие ракетной техники связано с использованием высоких температур. Материалы камер сгорания и элементов защитных конструкций ракет при их движении в плотных слоях атмосферы работают при высоких температурах и различных давлениях. Способность работы этих материалов при еще более высоких температурах определяет мощность и надежность ракет, особенно космических аппаратов с живыми организмами. В генераторах прямого преобразования тепловой энергии в электрическую материалы должны работать при весьма высоких температурах (3000—3500°С — для элементов магнитогидродинамических систем и 1700—2000° С — для термоэлектрогенераторов). Высокотемпературные материалы применяют в ракетных двигателях с ядерным горючим, поскольку температуры там достигают до 3000—3300° С. Высокотемпературные материалы используются в установках для определения прочностных, электрических и теплофизических свойств вновь разрабатываемых сплавов и соединений. Естественно, что свойства конструкционных материалов этих установок, к которым относятся детали крепления образцов, пуансоны, подставки, токоподводы и т. п., должны обладать более высокой стойкостью при высоких температурах, чем испытуемые образцы. Поскольку часто исследуют материалы при температурах выше 2000°С, то упомянутые элементы должны работать при 2500— 3000° С и даже выше, обеспечивая одновременно возможность испытаний в нейтральных, агрессивных и разреженных средах.
В некоторых случаях производство изделий из высокотемпературных материалов немыслимо без их использования. Например, качественная термообработка и спекание изделий из тугоплавких металлов, карбидов и других материалов требуют электротермического оборудования, в котором основные элементы изготавливаются из этих же материалов.
Почти все тугоплавкие материалы применяются в атомной технике. Ниобий и молибден, а также их сплавы применяются в качестве конструкционного материала. Широкой известностью в ядерной энергетике пользуются графит, окись бериллия, двуокись тория. В связи с работами по прямому превращению тепловой энергии ядерного реактора в электрическую понятен интерес к высокотемпературным материалам в этой отрасли промышленности.
Изделия из высокотемпературных материалов в основном изготавливаются методом порошковой металлургии. Только за последние 10—15 лет тугоплавкие металлы частично стали проходить обычный металлургический цикл: плавка, горячая или холодная обработка давлением с получением сортамента1 и затем изготовление изделий штамповкой, резанием или сваркой. Правда, в самое последнее время (5—7 лет) появились сообщения о получении отливок из тугоплавких металлов в дуговых или электроннолучевых установках с использованием гарниссажа2, но эти работы еще широко не применяются в промышленности.
Технология изготовления изделий из высокоогнеупорных окислов использует различные методы порошковой металлургии: прессование и шликерное литье с последующим спеканием, горячее прессование. Начали применяться методы плавки очень чистых окислов для получения монокристаллов окиси алюминия и окиси магния для новых областей техники (лазеры, специальные прозрачные детали и т. п.). Плавка окислов часто является необходимой операцией для технологической подготовки материала (плавленые и измельченные окислы алюминия — корракс, магния — периклаз), из которого затем изделия приготавливаются обычными методами порошковой металлургии.
1 – состав продукции по маркам, профилям, размерам и т.д.
2 – твердый защитный слой, образующийся при плавке на рабочих поверхностях стенок металлургических установок
Что касается изделий из тугоплавких карбидов, боридов, нитридов и т. п. соединений, то они могут быть получены только методами порошковой металлургии. Одним из основных звеньев порошковой металлургии является высокотемпературный обжиг или спекание; причем качество изделий находится в прямой зависимости от температуры спекания. Оптимальная температура спекания для различных групп высокотемпературных материалов определяется условиями производства.
Лекция № 2.
Измерение температуры.
При высокотемпературных исследованиях чрезвычайно важно правильно измерять температуру.
Температура (от латинского temperatura – надлежащее смешение, нормальное состояние) – физическая величина, примерно характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия. В системе СИ (международная система единиц) температура измеряется в кельвинах. Но на практике часто применяют градусы Цельсия из-за привязки к важным характеристикам воды – температуре таяния льда (00 С) и температуре кипения (1000 С). Это удобно, так как большинство климатических процессов и процессов в живой природе связаны с этим диапазоном.
Термодинамическая температурас молекулярно-кинетической точки зрения – физическая величина, характеризующая интенсивность хаотического, теплового движения всей совокупности частиц системы и пропорциональная средней кинетической энергии поступательного движения одной частицы.
Связь между кинетической энергией, массой и скоростью выражается следующей формулой: Ек=1/2mv2. Таким образом, частицы одинаковой массы и имеющие одинаковую скорость имеют и одинаковую температуру.
Средняя кинетическая энергия частицы связана с термодинамической температурой постоянной Больцмана: Еср=i/2kT, где i – число степеней свободы, k = 1,3806505*10-23 Дж/К – постоянная Больцмана, Т – термодинамическая температура, К.
С точки зрения термодинамики, температура – величина, обратная изменению энтропии (степени беспорядка) системы при добавлении в систему единичного количества теплоты: 1/Т=ΔS/ΔQ. В равновесном состоянии температура имеет одинаковое значение для всех макроскопических частей системы. Если в системе два тела имеют одинаковую температуру, то между ними не происходит передачи кинетической энергии частиц (тепла). Если же существует разница температур, то тепло переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, потому что суммарная энтропия при этом не возрастает.
Для измерения температуры выбирается некоторый термодинамический параметр термометрического вещества (вещество, физические параметры которого зависят от его температуры). Изменения этого параметра однозначно связывается с изменением температуры.
На практике для измерения температуры используют
l термометр
l термопару
l оптический пирометр
l термосопротивление (термометр сопротивления)
l газовый термометр
Единицы и шкала измерения температуры.
Из того, что температура – это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять ее в энергетических единицах (т. е. в системе СИ в джоулях), однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах – градусах.
Шкала Кельвина.
В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один кельвин равен 1/273,16 расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояние, при котором лед, вода и водяной пар находятся в равновесии). Для пересчета кельвинов в энергетические единицы служит постоянная Больцмана.
Шкала Цельсия.
В быту используется шкала Цельсия, в которой за 00 принимают точку замерзания воды, а за 1000 точку кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за -273,150С. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете, и на ней основана жизнь. Ноль Цельсия – особая точка для метеорологии, поскольку связана с замерзанием атмосферной воды. Шкала предложена Андерсом Цельсием в 1742 г.
Шкала Фаренгейта.
В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. Ноль градусов Цельсия – это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия. В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (10 F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +320 F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия(t0 C) соотношением t0 C= 5/9(t0 F-32), 10 F=9/5t0C+32. Шкала предложена Г. Фаренгейтом в 1724 г.
Шкала Реомюра.
Предложена в 1730 г. Р.А. Реомюром, который описал изобретенный им спиртовой термометр. Единица – градус Реомюра ( 0 R), 10R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками – температурой таяния льда (00 R) и кипения воды (800 R). 10 R= 1,25 0 С. В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.
Электронвольт.
В ядерной физике, особенно при изучении термоядерных реакций, иногда используется энергетическая единица измерения – электронвольт (эВ), 1 эВ ≈ 11604,505(20) К ~ 104 К. Применяются и производные единицы: КэВ, МэВ, ГэВ и т.д.
Переходы из разных шкал.
| в/из | Кельвин | Цельсий | Фаренгейт |
| Кельвин | = К | = С+273,15 | = (F+459,67)/1,8 |
| Цельсий | = К-273,15 | = С | = (F-32)/1,8 |
| Фаренгейт | = К*1,8-459,67 | = С*1,8+32 | = F |
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 290; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!