Конденсационный термометр.

Упругость пара сжиженного газа является быстро меняющейся функцией температуры и поэтому может быть использована для создания удобных вторичных термометров. Упругость паров обычно употребляемых жидкостей уже измерена и протабулирована как функция абсолютной термодинамической температуры, что создает ряд надежных "первичных" температурных шкал в области низких температур.

Упругость паров жидких гелия, водорода, кислорода и азота можно использовать для градуировки термометров сопротивления и термопар или для проверки точности газовых термометров соответственно в температурных интервалах 1 - 4,2 К, 14 - 20 К, 55 - 90 К и 63 - 73 К.

Давление пара жидкости можно вычислить теоретически интегрированием уравнения Клаузиуса – Клапейрона

, (19.11)

где - изменение объема при испарении, а L - скрытая теплота испарения. Если теплота L = const, то интегрирование дает

. (19.12)

В более общем случае, когда теплота L может быть представлена как линейная функция температуры

(19.13)

и интегрирование приводит к более сложной формуле

. (19.14)

Уравнение такого типа удается соответствующим подбором констант очень близко подогнать к экспериментальным значениям упругости пара; однако обычно удобнее протабулировать p в функции T и пользоваться такой таблицей для нахождения T(p) по экспериментальным значениям упругости пара.

Некоторые типичные случаи постановки опытов при измерении упругости пара схематически показаны на рис. 19.6. В случае рис. 19.6.5а жидкость кипит при атмосферном или некотором другом регулируемом давлении и упругость пара над ее поверхностью измеряется манометром, который присоединен к сосуду посредством трубки. Температурные неоднородности в жидкости могут в этом случае привести к тому, что измеряемая упругость пара будет довольно плохим указателем истинной температуры внутри жидкости.

Рис. 19.6. Измерение упругости пара.

На рис. 19.6 б показан обычный тип криостата с небольшой камерой во внутреннем пространстве С, которая может быть заполнена жидкостью из дьюара через вентиль V. Трубка, присоединенная к манометру, подведена вплотную к поверхности жидкости в малой камере, где жидкость может кипеть при атмосферном или пониженном давлении. Если эта камера изготовлена из металла, хорошо проводящего тепло (например, из меди), и если ни одна точка трубки, ведущей к манометру, не имеет более низкой температуры, чем жидкость в камере, то измеренное давление пара достаточно точно соответствует температуре жидкости. Однако в обоих случаях (а и б) на результат измерения заметно влияют следы примесей в жидкости. Например, следы кислорода в азоте или следы азота в кислороде значительно изменяют упругость пара жидкости при данной температуре.

Для точной градуировки какого-либо другого термометрического прибора обычно применяют конструкцию криостата, показанную на рис. 19.6 в. Здесь медный блок погружен в ожиженный газ, а небольшая полость в нем, в которой конденсируется чистый газ, образует резервуар для измерения упругости пара. Трубка, передающая давление пара внешнему манометру, предохраняется от соприкосновения с жидкостной ванной, в которой могут иметься области с более низкой температурой, чем температура конденсированной фазы в резервуаре. Если окружающая жидкость значительно холоднее чистой жидкости во внутренней камере, то соединительную трубку следует окружить электрической нагревательной обмоткой. В медном блоке предусмотрены дополнительные отверстия для помещения термометров сопротивления, газовых термометров, термопар и других исследуемых приборов.

Из-за орто - пара - конверсии водорода ясно, что использование жидкого водорода для определения температуры по упругости пара несколько сложнее, чем в случае других газов. Действительно, нормальный Н₂ (75% орто + 25% пара) кипит при нормальном давлении при 20,39 К, в то время как равновесный Н₂ (практически чистый пара-водород в термодинамическом равновесии при температуре кипения) кипит при 20,27 К. Тем не менее для большинства целей использовать водородную шкалу все же можно. При этом надо исходить из того, что если чистый водород, взятый из резервуара, находящегося при комнатной температуре, конденсируется в некотором сосуде, его точка кипения в течение нескольких часов будет оставаться очень близкой к 20,39 К. При очень точных определениях пользуются равновесным Н₂; для этого в сосуд с сжиженным водородом помещают в небольшом количестве подходящий катализатор, например окись неодима, гель гидроокиси железа или хромовый ангидрид. Приблизительно через час после этого можно считать, что жидкость представляет собой равновесный Н₂.

Для измерения упругости пара при давлениях порядка атмосферного можно использовать ртутный манометр или точный (образцовый) стрелочный моновакуумметр. При более низком давлении для этой цели удобно применить масляный манометр, компрессионный манометр Мак-Леода или тепловой манометр сопротивления (манометр Пирани).

В предыдущем разделе было отмечено, что термомолекулярную разность давлений следует учитывать только в тех случаях, когда измеряемое давление очень мало и средний свободный пробег молекул газа сравним с диаметром соединительной трубки. При использовании трубок диаметром 0,5 см или более поправка становится незначительной, если только измерение давления пара не распространяется на область, где давление много ниже 1 мм рт. ст

В отсчеты упругости пара по показаниям жидкостных манометров нужно вносить поправки на изменение силы тяжести в различных географических пунктах и на температуру манометрической жидкости. Конечно, это необходимо только при прецизионных измерениях и в тех случаях, когда значение ускорения силы тяжести g в данном месте существенно отличается от g на уровне моря на широте 45, а также, когда температура ртутного столба в манометре существенно отличается от температуры, использованной при вычислении табличных данных. Поправка на изменение силы тяжести обычно крайне мала; ее можно внести с помощью каких-либо таблиц физических величин. Эта поправка пропорциональна разности между ускорением силы тяжести в рассматриваемом пункте и стандартным ускорением силы тяжести, равным 980,665 см/сек².