Как измерить температуру расплавленного металла


Измерение температуры жидкой стали в металлургическом производстве

Измерение температуры жидкой стали в металлургическом производстве производиться чаще всего платиновыми термопарами градуировки В и S. В России наибольшее распространение получили термопары градуировки В, в европейских странах в основном используется градуировка S Термопара (или как ее еще называют пакет, зонд, термопреобразователь) представляет собой картонную трубку, на одном конце которой находиться чувствительный элемент – собственно сама термопара. Чувствительный элемент состоит из керамического основания, платиновой термопары, расположенной внутри кварцевой трубочки и контактной группы. Контактная группа выполнена из полипропилена и двух медных контактных проводников, к которым приварена платиновая проволока. Чувствительный элемент на клею с натягом посажен с торца в картонную гильзу пакета.

Кварцевая трубочка с проволокой защищена стальным колпачком, который может быть дополнительно защищен картонным колпачком. Пакет надевается на жезл или манипулятор и погружается в расплавленную сталь. Измерение длиться от 3 до 6 секунд – именно за такое время при благоприятных условиях термопара успевает прогреться до температуры жидкой стали. Вторичный прибор фиксирует факт установления показаний температуры и термопара извлекается из стали. Пакет является одноразовым изделием и после извлечения снимается с жезла и выбрасывается. Погрешность измерения применяемых термопар составляет 0…+3 °С. В качестве компенсационных проводов для термопар градуировки В используется обычный медный провод. В той части жезла или манипулятора где возможно воздействие высоких температур используется специальный кабель КМЖ (кабель медный жаростойкий) способный работать при температурах до 500 °С. Как правило, при штатном протекании процесса измерения та часть жезла или манипулятора, которая закрыта картонной гильзой пакета не нагревается.

За 10 секунд нахождения пакета в расплавленной стали картонная гильза обгорает примерно на половину своей толщины, но ни металлический контактный блок, ни металлический жезл под пакетом не нагреваются.  Нагреваются лишь те части жезла или манипулятора (за счет налипания брызг шлака и металла и теплового излучения), что не защищены пакетом.  Это и обуславливает необходимость применения КМЖ.

Слабым местом КМЖ является высокая гигроскопичность изолирующей засыпки кабеля. В результате насыщения засыпки кабеля влагой сопротивление между жилами резко падает, что ведет к увеличению погрешности измерения (причем измеренное значение температуры становиться существенно больше реального). Сопротивление между жилами КМЖ в случае необходимости контролируется  с помощью мегомметра или мультиметра с пределом измерения сопротивления не менее 200 МОм. Сопротивление между жилами должно быть не менее 50 МОм, в противном случае КМЖ следует заменить. Это же касается и гибких соединительных компенсационных проводов, идущих к вторичному прибору.

Большое влияние на качество замера оказывает количество влаги, содержащейся в картонной гильзе пакета. В случае ее большого содержания при погружении пакета в сталь возникают биения из-за испарения этой влаги. Поэтому перед применением пакеты желательно просушить. При поставке зондов с завода-производителя содержание влаги в них составляет от    7 до 10% по массе.  При их транспортировке и  хранении до использования содержание влаги в может измениться. Рекомендуется хранить зонды в теплых и сухих помещениях. Опыт показывает, что при хранении при температуре  20°C и относительной влажности 50 - 70 % содержание влаги в зондах стабилизируется на уровне 7 - 9%.

Также качество замера зависит от глубины погружения пакета в жидкую сталь. Недопустимо, чтобы при измерении термопара пакета находилась в зоне разделения двух сред – шлака и металла. Так как из-за существенной разницы в температурах шлака и металла может возникнуть такая ситуация, когда при трех последовательных замерах с интервалом в несколько минут показания будут следующими: 1705°, 1560°, 1648°. При том, что реальные значения температуры стали в это же время были равны 1540°, 1550°, 1565° соответственно.

Наибольшее распространение на уральских металлургических заводах нашло оборудование отечественного предприятия ООО «Теплоприбор-ЭкспрессАнализ» и бельгийской компании Heraeus Electro-Nite. Рассмотрим основной комплект оборудования и расходных материалов компании Electro-Nite.

С чувствительного элемента (термопары) сигнал термоЭДС снимается посредством контактного блока Positherm или Celox. Контактный блок Positherm имеет два вывода: Т+ и Т-. Контактный блок Celox имеет четыре вывода: кроме тех же температурных контактов Т+ и Т- он дополнительно имеет два вывода на окисленность О+ и О- для работы с комбинированными зондами (пакетами) Celox. Выводы Т- и О- соединены соеденены между собой внутри контактного блока. Выводы контактных блоков имеют ту же цветовую и символьную маркировку, что и КМЖ. Сигнал с термопары посредством внутреннего и внешнего компенсационного провода передается на вторичный показывающий прибор Digitemp или MultiLab.

Пакеты (термопреобразователи) фирмы Electro-Nite выпускаются нескольких модификаций. Для жезлов ручного замера в основном применяют пакеты Positherm и  Celox под наконечник жезла Celox, который имеет наружный диаметр 16 мм.  Наконечник жезла Celox комплектуется контактным блоком Positherm или Celox.

Автоматические манипуляторы замера температуры MORE Catfis комплектуются наконечниками жезла BSE или MORE. Наконечник жезла BSE с внешним диаметром 39 мм комплектуется стандартным контактным блоком Positherm или Celox и ориентирован под пакеты Positherm и Celox типа BSE. Наконечник жезла More комплектуется контактным блоком EN-3 и имеет наружный диаметр 27 мм. Этот наконечник жезла и контактный блок были разработаны итальянской компанией More – производителем автоматических манипуляторов для замера температуры расплавленных металлов в металлургических печах. Пакеты под наконечник жезла и контактный блок Moreтакже выпускаются фирмой Electro-Nite. Выбирая тот или иной наконечник жезла (BSE или More) для применения на автоматическом манипуляторе необходимо учитывать их достоинства и недостатки.

К недостаткам наконечника жезла BSE можно отнести его более низкую изломостойкость, по сравнению с наконечником жезла More. В случае если при перемещении манипулятора наконечник жезла во что-то упрется (заросший порог печи, нерасплавленный тяжеловесный лом в ванне печи и т.п.) то он может сломаться. Применяемый контактный блок Celox также является слабым местом, так как он имеет существенную длину ни чем не защищенной выступающей части. Но высокая технологическая дисциплина персонала может сделать эти недостатки несущественными. Наконечник жезла BSE с контактным блоком Celox так же более требователен к остаточной влажности пакетов Celox – комбинированных зондов для одновременного измерения температуры жидкой стали и ее окисленности. Наружная металлическая поверхность контактного блока Celox является плюсовым выводом окисленности. При большом выделении влаги из непросушенного пакета в процессе его погружения в горячий металл плюс окисленности через пленку воды электрически соединяется с заземленным наконечником жезла. Это приводит к непредставительному замеру окисленности с сильными колебаниями показаний. Избавиться от этого недостатка можно только применяя предварительно просушенные пакеты. Кроме того, влага вместе со смольным компонентом (выделяющимся при горении пропитанной клеем картонной гильзы пакета) через зазор между корпусом контактного блока и наконечником жезла  BSE проникает внутрь наконечника жезла и постепенно впитывается гигроскопичной засыпкой КМЖ. Это приводит к уменьшению сопротивления изоляции кабеля КМЖ и завышению (!!!) показаний измеренной температуры. Данный недостаток можно устранить герметизацией зазора намоткой изоляционной ПВХ ленты.

К достоинствам наконечника жезла BSE можно отнести все же более высокий ресурс работы применяемого контактного блока Celox по сравнению с контактным блоком EN-3. Но, пожалуй, в большинстве случаев определяющим фактором применения BSE является более низкая стоимость пакетов.

К достоинствам наконечников жезла More можно отнести то, что их труднее сломать. При ударе о препятствие они, как правило, гнуться, но не ломаются. Выпрямить погнутый наконечник жезла More можно даже не демонтируя его с манипулятора. Применяемый контактный блок EN-3 защищен от механических повреждений, так как полностью находиться внутри наконечника жезла. Кроме того наконечник жезла More имеет меньшую стоимость и более ремонтопригоден, так как имеет более простую конструкцию.

К недостаткам наконечников жезла More можно отнести то, что применяемые в них контактные блоки EN-3 требуют более частой очистки и чаще выходят из строя при попадании на них горячего металла или шлака. Кроме того пакеты под данный тип наконечника жезла имеют более высокую стоимость.


На машинах непрерывного литья заготовок нашла применение система постоянного измерения температуры с многоразовыми пакетами Contitherm. В процессе работы эти пакеты погружаются в расплавленную сталь и осуществляют непрерывное измерение ее температуры. Ресурс пакета рассчитан приблизительно на 24 часа работы. При смене промковша Contitherm извлекается из него с помощью манипулятора и при постановке нового промковша в позицию разливки вновь погружается в жидкую сталь. 

По своей сути Contitherm является все той же термопарой градуировки В, но имеет усиленную жаропрочную оболочку из алюмографита. Термопару размещают так, чтобы её нижний конец находился на глубине примерно 510 мм  в зоне выпускного отверстия пром. ковша. Контактный блок Contitherm и компенсационный кабель имеют несколько иную конструкцию – это связано с тем, что зона контакта в процессе работы может нагреваться до 400°С, что является допустимым нагревом. Термопара  Contitherm прогревается от комнатной температуры до до температуры 1540 °С  за 1 – 2 мин. После этого она реагирует на изменение температуры со скоростью ±10 °С/мин.

Для увеличения времени работы постоянного замера на некоторых предприятиях термопару Contitherm дорабатывают. На то место термопары, которое будет находиться в слое шлака одевают керамическую втулку подходящего диаметра. Как правило, для этих целей используют обрезок керамического сталеразливочного стакана машины непрерывного литья заготовок. Втулку крепят к термопаре с помощью футеровочной массы, используемой для заливки промковшей и стальковшей. Чаще всего термопара постоянного замера температуры Contithermвыходит из строя при ее извлечении из промковша из-за врастания ее в слой шлака. Поэтому при извлечении Contitherm рекомендуется сначала еще немного глубже погрузить ее в ковш, а уже потом поднимать.

В удобное для восприятия человеком числовое значение температуры измеренная термоЭДС преобразуется вторичными приборами Digitemp или MultiLab III Celox. Прибор Digitemp имеет всего один вход для подключения термопары. Он имеет встроенную плату Profibus для передачи данных в PLC и релейную плату для формирования световых сигналов на светофоре. Digitemp может быть настроен на работу с термопарами разового замера или с термопарами постоянного замера. Прибор Multilab III Celox имеет расширенные коммуникационные возможности (Profibus, COM, TTY), сенсорный ЖК дисплей, на котором в графическом и цифровом виде отображается процесс измерения температуры и окисленности жидкой стали, а также релейные карты переменного и постоянного тока для формирования световых сигналов на светофоре или других целей.

В случае применения термопар разового замера действительное значение температуры определяется по факту выделения прибором так называемой площадки. При погружении пакета в расплавленную сталь первоначально показания термопары растут очень быстро, затем их рост замедляется и наконец останавливается. Заданные пользователем характеристики площадки позволяют прибору определить, что рост показаний остановился и измеренное значение температуры равно действительному. Площадка описывается двумя параметрами: длительностью площадки (в секундах) и изменением температуры (дельты) в пределах границ площадки (в градусах). Например, задана площадка с параметрами 0,8 сек и 10°С. То в момент времени когда скорость роста значения измеренной температуры станет меньше 10°С за 0,8 секунд  прибор завершит измерение, так как посчитает, что измеренное значение достигло действительного значения температуры.

Уменьшение времени выделения площадки и увеличение дельты температуры приводит к снижению точности измерения, но время измерения при этом уменьшается, что является положительным фактором. Идти на ухудшение параметров площадки приходиться в случае если процесс замера не стабилен, наблюдаются значительные колебания температуры, например, из-за сырых пакетов. Увеличение времени площадки и уменьшение дельты приводит к повышению точности замера, но существенно повышает его продолжительность.

На стабильность получения результатов замеров влияет и то, с помощью чего они производяться. Применяя ручные жезлы трудно обеспечить хорошие замеры, так как при погружении надетого на жезл пакета в жидкую сталь начинаются сильные биения. Появление биений связано с бурно протекающими процессами испарения влаги из пакета и сгорания верхних слоев картонной оболочки. При большом количестве влаги пакет может даже сорвать с жезла. Лучшие результаты обеспечивает применение автоматических манипуляторов для замера температуры жидкой стали. Большая масса манипулятора и жесткость его конструкции позволяет снизить влияние биений.

Самой распространенной маркой автоматических манипуляторов для дуговых сталеплавильных печей на уральских заводах является итальянская MORE. В выдвижной водоохлаждаемый зонд с одного торца вкручивается наконечник жезла, на который и надевается одноразовый пакет. Недостатком стандартной конструкции манипулятора MORE Catfis является заклинивание резьбового соединения наконечник жезла - водоохлаждаемый зонд из-за попадания шлака или жидкой стали. Так как наконечник жезла приходиться довольно часто менять, то это доставляет массу проблем. Данная проблема устраняется установкой шайбы из нержавеющей стали между наконечником жезла и торцом водоохлаждаемого зонда. Толщина диска 3…5 мм, диаметр диска чуть менее диаметра плоской части торца зонда.

В целом, измерение температуры жидкой стали является достаточно сложным процессом как с технической так и с технологической точек зрения, предьявляющим серьезные требования к бесперебойной и качественной работе оборудования КИП. Процесс проведения замеров регламентируется технологическими и рабочими инструкциями.

Дополнительную информацию вы можете найти в разделе "Вопрос-ответ".

Посмотреть другие статьи в том числе про измерение температуры.

Металлы и сплавы - температуры плавления

Точка плавления - это температура, при которой вещество переходит из твердого состояния в жидкое.

Точки плавления для некоторых металлов и сплавов:

660 Медь 9199 217 24

932

Металл Точка плавления
( o C)
Адмиралтейство Латунь 900 - 940
Алюминий
Алюминиевый сплав 463-671
Алюминий бронза 1027-1038
Сурьма 630
Баббит 249
Бериллий

0

Бериллий Медь 865-955
Висмут 271.4
Латунь, красный 1000
Латунь, желтый 930
Кадмий 321
Хром 1860
Кобальт 9959
1084
Купроникель 1170-1240
Золото, 24K чистое 1063
Hastelloy C 1320-1350
Инконель 1390-1425
1390–1425
Иридий 2450
Кованое железо 1482–1593
Железо, серое литье 1127–1204
Ковкое железо 1149
Свинец 327.5
Магний 650
Магниевый сплав 349 - 649
Марганец 1244
Марганцевая бронза 865 - 890
Ртуть -890
Молибден 2620
Монель 1300-1350
Никель 1453
Ниобий (колумбий) 2470
Осмий 925824

0 Палладий 1555

Фосфор 44
Платина 1770
Плутоний 640
Калий 63.3
Красная латунь 990-1025
Рений 3186
Родий 1965
Рутений 2482
Селен 924
Селен
1411
Серебро, монета 879
Серебро, чистое 961
Серебро, стерлинговое 893
Натрий 97.83
Припой 50-50 215
Сталь углеродистая 1425-1540
Сталь нержавеющая 1510
Тантал 2980
Торий 1750
Олово 232
Титан 1670
Вольфрам 3400
Уран 1132
Ванадий 1900
Цинк 419.5
Цирконий 1854

Золото, серебро и медь - давление и температура плавления

.

Как определить удельную теплоемкость

ChemTeam: как определить удельную теплоемкость

Как определить удельную теплоемкость вещества

Перейти к проблемам с теплоемкостью 1-10

Вернуться в меню термохимии


Пример № 1: Мы собираемся определить удельную теплоемкость металлической меди. Сейчас это уже делалось много раз, поэтому значение есть в справочниках. Мы сделаем вид, что это не так.

Очевидно, нам нужна чистая медь, поэтому мы берем ее небольшой кусочек.Допустим, мы используем 15,0 грамма. Форма значения не имеет.

Помещаем металлическую медь в открытый стакан, наполненный кипятком, и даем ему отстояться. Мы даем ему отстояться, пока вся медь не достигнет температуры кипящей воды. Мы знаем, какая температура, не так ли?

Это 100,00 ° C.

Теперь, как долго он находился в кипящей воде, не имеет значения, потому что мы предположим, что он просидел достаточно долго.

Теперь наступает настоящий ключевой шаг. Как можно быстрее вытаскиваем металл из кипящей воды и переносим его в стакан на 100.0 мл более холодной воды, скажем, 25,00 ° C. Мы знаем это, потому что измерили температуру термометром.

Раскаленная медь остывает, а вода нагревается, пока они оба не достигнут одинаковой конечной температуры. Мы записываем это с помощью термометра и находим, что это 26,02 ° C. Теперь мы знаем два разных значения Δt. Один составляет 100,00 минус конечная температура (медь), а другой - конечная температура минус 25,00 (вода).

На этом этапе мы сделаем ключевое предположение, которое упростит нашу задачу.Это означает, что все тепло, теряемое медью, уходит в воду. На самом деле это не так. В реальном эксперименте теплопередача не будет 100%, и вы должны предпринять шаги, чтобы компенсировать эти потери. Мы их проигнорируем.

Вышеупомянутый абзац, когда он сформулирован как уравнение термохимии, выглядит следующим образом:

q медь = q вода

Путем подстановки получаем (значения меди слева, значения воды справа):

(масса) (Δt) (C p ) = (масса) (Δt) (C p )

Если подставить числа на место, получим:

(15.0 г) (73,98 ° C) (x) = (100,0 г) (1,02 ° C) (4,184 Дж г ¯ 1 ° C ¯ 1 )

Решение дает 0,384 Дж ¯ 1 ° C ¯ 1

Обратите внимание на довольно небольшой прирост температуры воды (с 25,00 до 26,02) и большое (для сравнения) изменение температуры (от 100 до 26,02) меди. Это типично для подобных задач.

Обратите внимание, что в приведенном выше расчете используется 100,0 г воды, а далее над текстом указано 100,0 мл воды. Масса присутствующей воды определяется умножением объема на плотность.Поскольку плотность воды составляет 1,00 г / мл ¯ 1 , расчет выглядит следующим образом:

100,0 мл x 1,00 г мл ¯ 1

с ответом 100,0 г.


Пример № 2: Тот же текст, что и выше, только вместо меди на свинец и с другими номерами.

Мы собираемся определить удельную теплоемкость металлического свинца. Сейчас это уже делалось много раз, поэтому значение есть в справочниках. Мы сделаем вид, что это не так.

Очевидно, нам нужен чистый свинец, поэтому мы берем его небольшой кусочек. Допустим, мы используем 49,51 грамма. Форма значения не имеет.

Помещаем провод в открытый стакан, наполненный кипятком, и даем ему отстояться. Даем настояться, пока весь свинец не достигнет температуры кипящей воды. Мы знаем, какая температура, не так ли?

Это 100,00 ° C.

Теперь, как долго он находился в кипящей воде, не имеет значения, потому что мы предположим, что он просидел достаточно долго.

Теперь наступает настоящий ключевой шаг. Как можно быстрее мы извлекаем металл из кипящей воды и переносим его в химический стакан, в котором содержится 50,0 мл более холодной воды, скажем, 24,40 ° C. Мы знаем это, потому что измерили температуру термометром.

Горячий свинец остывает, а вода нагревается, пока они не достигнут одинаковой конечной температуры. Мы записываем это с помощью термометра и находим, что это 27,20 ° C. Теперь мы знаем два разных значения Δt. Один составляет 100,00 минус конечная температура (опережение), а другой - конечная температура минус 24.40 (вода).

На этом этапе мы сделаем ключевое предположение, которое упростит нашу задачу. Это означает, что все тепло, теряемое свинцом, попадает в воду. На самом деле это не так. В реальном эксперименте теплопередача не будет 100%, и вы должны предпринять шаги, чтобы компенсировать эти потери. Мы их проигнорируем.

Вышеупомянутый абзац, когда он сформулирован как уравнение термохимии, выглядит следующим образом:

q свинец = q вода

Путем подстановки имеем (значения свинца слева, значения воды справа):

(масса) (Δt) (C p ) = (масса) (Δt) (C p )

Если подставить числа на место, получим:

(49.51 г) (72,8 ° C) (x) = (50,0 г) (2,8 ° C) (4,184 Дж г ¯ 1 ° C ¯ 1 )

Решение дает 0,1625 Дж ¯ 1 ° C ¯ 1 . Следуя правилу округления до пяти, окончательный ответ будет 0,162 Дж г ¯ 1 ° C ¯ 1 .

Обратите внимание на довольно небольшое увеличение температуры воды (от 24,40 до 27,20) и очень большое изменение температуры (от 100 до 27,20) свинца. Это типично для подобных задач.

Обратите внимание, что 50.В приведенном выше расчете используется 0 г воды, а далее в тексте указано 50,0 мл воды. Масса присутствующей воды определяется умножением объема на плотность. Поскольку плотность воды составляет 1,00 г / мл ¯ 1 , расчет выглядит следующим образом:

50,0 мл x 1,00 г мл ¯ 1

с ответом 50,0 г.


Пример № 3: Мы собираемся определить удельную теплоемкость металла, используя экспериментальные данные. В этом эксперименте мы использовали калориметр «кофейная чашка» и собрали следующие данные:

Масса пустой чашки 2.31 г
Масса чашки + вода 180,89 г
Масса чашки + вода + металл 780,89 г
Начальная температура воды 17,0 ° С
Начальная температура металла 52,0 ° С
Конечная температура системы 27,0 ° С

Ключевое уравнение термохимии для решения этой проблемы:

q металл = q вода

Тогда, путем подстановки, мы имеем (значения металлов слева, значения воды справа):

(масса) (Δt) (C p ) = (масса) (Δt) (C p )

Нам нужно работать со значениями из таблицы данных, чтобы получить то, что нам нужно подставить в приведенное выше уравнение.

масса воды: 180,98 - 2,31 = 178,58 г

масса металла: 780,89 - 180,89 = 600,0 г

изменение температуры воды: 27,0 - 17,0 = 10,0 ° C

изменение температуры металла: 52,0 - 17,0 = 25,0 ° C

Если подставить числа на место, получим:

(600,0 г) (25,0 ° C) (x) = (178,58 г) (10,0 ° C) (4,184 Дж · г ¯ 1 ° C ¯ 1 )

Решение дает 0,498 Дж ¯ 1 ° C ¯ 1

Обратите внимание на начальную температуру металла (52.0 ° С). Это необычное значение, поскольку металлический образец обычно нагревают путем погружения в кипящую воду, в результате чего обычная начальная температура металла составляет 100,0 ° C или около нее.

Часто для решения задач такого рода требуется не граммы, а миллилитры воды. Масса присутствующей воды определяется умножением объема на плотность. Поскольку плотность воды составляет 1,00 г / мл ¯ 1 , расчет выглядит следующим образом:

мл x 1,00 г мл ¯ 1

с тем же числовым значением, только с граммами в качестве единицы измерения, а не с мл.


Пример № 4: Кусок металла массой 59,047 г нагревали до 100,0 ° C и затем помещали в 100,0 мл воды (первоначально при 23,7 ° C). Металлу и воде позволяли достичь равновесной температуры, которая составила 27,8 ° C. Предполагая, что в окружающую среду не теряется тепло, рассчитайте удельную теплоемкость металла.

q металл = q вода

(масса) (Δt) (C p ) = (масса) (Δt) (C p )

(59.047 г) (72,2 ° C) (x) = (100,0 г) (4,1 ° C) (4,184 Дж г ¯ 1 ° C ¯ 1 )

x = 0,402 Дж г ¯ 1 ° C ¯ 1


Пример № 5: Кусок металла весом 25,6 г был взят из стакана с кипящей водой при 100,0 ° C и помещен непосредственно в калориметр, содержащий 100,0 мл воды при 25,0 ° C. Теплоемкость калориметра 1,23 Дж / К. Учитывая, что конечная температура при тепловом равновесии составляет 26,2 ° C, определяют удельную теплоемкость металла.

Решение:

1) Мы знаем это:

q потеряно, металл = q получено

2) Однако энергию получают два разных объекта (вода и сам калориметр). Следовательно:

q потеряно, металл = q получено, вода + q получено, калориметр

3) Подставляя, имеем:

(масса) (Δt) (C p, металл ) = (масса) (Δt) (C p, вода ) + (Δt воды) (постоянная калориметра)

4) Расстановка ценностей и решение:

(25.6 г) (73,8 ° C) (x) = (100,0 г) (1,2 ° C) (4,184 Дж / г ° C) + (1,2 ° C) (1,23 Дж / K)

x = 0,266 Дж / г ° C

Комментарий №1: ° C и K отменяются в этом случае, потому что (1) один ° C соответствует размеру одного K и (2) 1,2 ° C - это разница температур, а не температура 1,2 ° C.

Комментарий № 2: мы могли бы предположительно идентифицировать металл как ниобий, основываясь на его удельной теплоемкости. Глянь сюда.


Пример № 6: Когда 12,29 г мелкодисперсной латуни при 95.0 ° C быстро размешивают с 40,00 г воды при 22,0 ° C в калориметре, температура воды повышается до 24,0 ° C. Найдите удельную теплоемкость латуни.

Решение:

1) Используем следующую удельную теплоемкость воды:

4186 Дж кг ¯ 1 К ¯ 1

2) Определите энергию для нагрева воды:

q = (масса) (изменение температуры) (удельная теплоемкость)

q = (0,04000 кг) (2,0 K) (4186 Дж кг ¯ 1 K ¯ 1 ) = 334.88 Дж

3) Количество энергии, теряемой латунью при охлаждении, равно количеству, поглощаемому водой:

q = (масса) (изменение температуры) (удельная теплоемкость)

334,88 Дж = (0,01229 кг) (71,0 К) (x)

x = 384 Дж кг ¯ 1 K ¯ 1

или, если хотите, 0,384 Дж г ¯ 1 ° C ¯ 1


Пример № 7: Когда 450 г металлической дроби при температуре 100,0 ° C быстро выливается в отверстие в глыбе льда при температуре 0 ° C.00 ° C, тает 25,0 г льда. Какова удельная теплоемкость металла?

Решение:

Поскольку остается лед, температура жидкой воды остается 0,00 ° C.

(25,0 г) (334,166 Дж / г) = 8354,15 Дж (количество тепла, теряемого металлической дробью)

q = (масса) (Δt) (удельная теплоемкость)

8354,15 Дж = (450. г) (100,0 ° C) (C p )

C p = 0,186 Дж ¯ 1 ° C ¯ 1 (до трех сигнатур)


Перейти к задачам удельной теплоемкости 1-10

Вернуться в меню термохимии

.

Измерение температуры двумерных материалов на атомном уровне

Роберт Кли, профессор физики. Предоставлено: Дженни Фонтейн.

Исследователи из Университета Иллинойса в Чикаго описывают новый метод точного измерения температуры и поведения новых двумерных материалов, который позволит инженерам разрабатывать более компактные и быстрые микропроцессоры. Их результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters .

Недавно разработанные двумерные материалы, такие как графен, который состоит из одного слоя атомов углерода, могут заменить традиционные микропроцессорные чипы на основе кремния, размер которых достиг предела возможного размера. Но инженеры оказались в тупике из-за невозможности измерить, как температура повлияет на эти новые материалы, известные как дихалькогениды переходных металлов, или TMD.

Используя сканирующую просвечивающую электронную микроскопию в сочетании со спектроскопией, исследователи из UIC смогли измерить температуру нескольких двумерных материалов на атомном уровне, что открыло путь для создания гораздо меньших и более быстрых микропроцессоров. Они также смогли использовать свою технику для измерения расширения двумерных материалов при нагревании.

«Микропроцессорные микросхемы в компьютерах и другой электронике сильно нагреваются, и мы должны иметь возможность измерять не только то, насколько они нагреваются, но и насколько материал расширится при нагревании», - сказал Роберт Кли, профессор физики в UIC и корреспондент статьи.«Важно знать, как материал будет расширяться, потому что, если материал слишком сильно расширяется, соединения с другими материалами, такими как металлические провода, могут сломаться, и чип станет бесполезным».

Традиционные способы измерения температуры не работают с крошечными чешуйками двумерных материалов, которые использовались бы в микропроцессорах, потому что они слишком малы. Оптические измерения температуры, в которых для измерения температуры используется отраженный лазерный свет, нельзя использовать на чипах TMD, потому что у них недостаточно площади поверхности для размещения лазерного луча.

«Нам нужно понять, как накапливается тепло и как оно передается на стыке двух материалов, чтобы создать эффективные микропроцессоры, которые работают», - сказал Кли.

Кли и его коллеги разработали способ измерения температуры TMD на атомном уровне с помощью сканирующей переходной электронной микроскопии, которая использует пучок электронов, проходящих через образец, для формирования изображения.

«Используя эту технику, мы можем зафиксировать и измерить колебания атомов и электронов, которые по сути являются температурой одного атома в двумерном материале», - сказал Кли.Температура - это мера средней кинетической энергии случайных движений частиц или атомов, составляющих материал. По мере того как материал нагревается, частота атомных колебаний становится выше. При абсолютном нуле, самой низкой теоретической температуре, все движение атомов прекращается.

Кли и его коллеги нагревали микроскопические «хлопья» различных TMD внутри камеры сканирующего просвечивающего электронного микроскопа до различных температур, а затем направляли электронный луч микроскопа на материал.Используя метод, называемый электронной спектроскопией потерь энергии, они смогли измерить рассеяние электронов на двумерных материалах, вызванное электронным лучом. Картины рассеяния были введены в компьютерную модель, которая преобразовала их в измерения колебаний атомов в материале - другими словами, температуры материала на атомном уровне.

«С помощью этого нового метода мы можем измерять температуру материала с разрешением, которое почти в 10 раз лучше, чем у традиционных методов», - сказал Кли.«С помощью этого нового подхода мы можем разработать более совершенные электронные устройства, которые будут менее подвержены перегреву и потреблять меньше энергии».

Этот метод также можно использовать для прогнозирования того, насколько материалы будут расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении, что поможет инженерам создавать микросхемы, которые менее склонны к разрушению в точках, где один материал соприкасается с другим, например, когда двумерный кристалл материала соприкасается с проводом.

«Никакой другой метод не может измерить этот эффект при том пространственном разрешении, о котором мы сообщаем», - сказал Кли.«Это позволит инженерам разрабатывать устройства, которые могут управлять перепадами температуры между двумя разными материалами на наномасштабном уровне».


Ученые измерили отдельные атомы в графеновой "чашке Петри"
Дополнительная информация: Сюан Ху и др., Отображение коэффициентов теплового расширения в отдельно стоящих 2D-материалах в нанометровом масштабе, Physical Review Letters (2018).DOI: 10.1103 / PhysRevLett.120.055902 Предоставлено Иллинойский университет в Чикаго

Цитата : Измерение температуры двумерных материалов на атомном уровне (2018, 3 февраля) получено 29 октября 2020 с https: // физ.org / news / 2018-02-temperature-2D-materials-atomic.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

.

Различные типы термометров и их применение [Обновлено]

Типы термометров

Термометр - это устройство, которое используется для измерения температуры тела. Распространенными типами термометров являются медицинские термометры, инфракрасные термометры, ртутные термометры, термопары, лабораторные термометры, биметаллические полосковые термометры, пирометры и т. Д.
Этот пост включает:

  • Различные виды термометров
  • Использование термометров
  • Много больше

Если вы хотите получить пользу от этого сообщения, вам понравится этот пост.
Продолжайте читать…

Типы термометров

Основные типы термометров приведены в списке ниже:

  • Клинические или медицинские термометры

    клинический термометр

A Медицинский термометр используется для измерить температуру тела. В основном термометры, изготовленные в 20 веке, являются ртутными термометрами. Они чувствительны и точны, имеют узкое место, где уровень ртути повышается очень быстро.Изгиб трубки предотвращает падение уровня ртути самостоятельно.
Эти виды термометров используются в клиниках врачами, поэтому их еще называют врачебными термометрами. Он используется для измерения температуры человеческого тела в диапазоне от 35 ° C до 42 ° C. Медицинские термометры очищаются спиртом до и после каждого использования.

Используется для измерения комнатной температуры горячих твердых тел и жидкостей в экспериментах. Он измеряет температуру в диапазоне от 5 ° C до 110 ° C и при более высоких температурах.

Цифровые термометры измеряют температуру с помощью электронной схемы. Информация, которую они собирают, отправляется на микрочип, который обрабатывает ее и отображает в числовом виде на цифровом экране. Они просты в использовании, быстры, точны и недороги. Это современные термометры, которые используются для измерения температуры тела с высокой точностью.
Как использовать цифровые или клинические термометры?
Чтобы правильно измерить температуру тела цифровым термометром, необходимо выполнить следующие шаги:

  • Включите термометр и проверьте, появляется ли на дисплее цифра ноль;
  • Поместите кончик термометра под подмышку или осторожно введите его в задний проход, в основном для измерения температуры у детей.В случае ректального пути вы должны лечь на спину, вставив в задний проход только металлическую часть термометра;
  • Подождите несколько секунд, пока не услышите сигнал термометра;
  • Снимите термометр и проверьте значение температуры на экране;
  • Очистите металлический наконечник с помощью ваты или марли, смоченной спиртом.

Инфракрасные ушные термометры

Температура в ухе также известна как температура барабанной перепонки или барабанной перепонки.Это один из способов измерить температуру тела внутренней частью уха. Детям нравится такой способ измерения температуры, потому что он измеряется быстро. Нормальная температура уха у взрослых составляет 99,5 градусов F (37,5 градусов C). Их нельзя пережимать или использовать на ушах с большим количеством воска.
Инфракрасные термометры улавливают тепло тела в виде инфракрасной энергии, выделяемой источником тепла. Этот тип термометра основан на том факте, что законы, регулирующие радиоактивное излучение тел, позволяют точно рассчитать температуру излучающего объекта по его спектру излучения, не требуя прямого контакта с ним.
Как пользоваться ушным инфракрасным термометром?
Чтобы использовать термометр в ухе, также известный как тимпанический термометр, необходимо:

  • Поместите кончик термометра внутрь уха и направьте его в сторону носа;
  • Нажимайте кнопку «питание» на термометре, пока не услышите сигнал;
  • Считайте значение температуры, которое появляется мгновенно;
  • Выньте термометр из уха и протрите кончик ватной или спиртовой марлей.

Инфракрасный ушной термометр очень быстрый и легко читаемый, поэтому вам необходимо регулярно покупать пластиковые защитные колпачки, что делает использование термометра более дорогим.

См. Также : Лучшие бесконтактные цифровые инфракрасные термометры

Некоторые другие типы термометров на основе технологии

Идеальный термометр должен иметь бесконечный диапазон температур. Поскольку нет идеального термометра, у нас есть большое количество термометров.

ртутный термометр

Он имеет свойство линейного расширения и имеет диапазон температур от -35 ° C до +500 ° C (со сжатым азотом). Он работает по принципу:

ΔL α ΔT

Где ΔT = Δl / lοα, а α - коэффициент линейного расширения.

Как пользоваться ртутным термометром?
Использование ртутного термометра противопоказано из-за рисков для здоровья, таких как респираторные проблемы или повреждение кожи, но в настоящее время существуют также стеклянные термометры, похожие на старые ртутные, так называемые аналоговые термометры, которые не содержат ртути в своем составе и могут безопасно использовать.
Чтобы измерить температуру с помощью этих устройств, вы должны:

  • Проверить температуру термометра перед его использованием, наблюдая, близка ли температура жидкости к самой низкой температуре;
  • Поместите металлический наконечник термометра под подмышкой или в анус, в зависимости от того, где вы собираетесь измерять температуру;
  • Держите руку с термометром рядом с телом;
  • Подождите 5 минут и снимите градусник с подмышки;
  • Проверьте температуру, наблюдая за местом, где заканчивается жидкость, которая будет значением измеренной температуры.

Этот тип термометра измеряет температуру дольше, чем другие, и считывать показания обычно труднее, особенно для пожилых людей или людей с ослабленным зрением.

  • Спирт в стеклянных термометрах

    Изготовленный из герметичного стекла, он отображает температуру по уровню, при котором ртуть или спирт достигают градуированной шкалы. Эти жидкости расширяются и сжимаются из-за изменений температуры. Как правило, вы используете шкалу измерения Цельсия, хотя она также может быть выражена в градусах Фаренгейта.Эти термометры в настоящее время содержат цветной спирт из-за опасности контакта с ртутью.

  • Газовые термометры постоянного давления

Термометры этого класса могут работать как при объемном, так и при постоянном давлении. Имея очень точную систему измерения, они часто используются для регулировки других термометров.

Газовый термометр постоянного давления

В этом термометре объем увеличивается непосредственно с увеличением температуры. Он измеряет температуру в диапазоне от o k 5oo k.

ΔV α ΔT

Где ΔT = ΔV / Vογ = ΔV × 273 / Vο

И γ = 1/273 для идеальных газов.

  • Термометры постоянного объема

В этом термометре давление увеличивается непосредственно с повышением температуры. Он измеряет температуру в диапазоне от o k до 5 o k.

ΔP α ΔT

где ΔT = Δp / P тройная точка γ

= 273 Δp / P тройная точка

  • Платиновые термометры сопротивления

Они измеряют температуру с помощью платинового провода, прикрепленного к электрическое сопротивление, которое изменяется в зависимости от температуры.Обычно используется для измерения наружной температуры, он очень точный, хотя и медленный.

В этом термометре сопротивление материала термометра увеличивается непосредственно с повышением температуры. Он измеряет температуру в диапазоне от 5 до 2300 К.

ΔR α ΔT

где ΔT = ΔR / Rα, α - термический коэффициент сопротивления.

  • Термопары

Эти термометры измеряют температуру очень быстро, они обычно используются в лабораториях.Они измеряют температуру через электрическое сопротивление, которое генерирует напряжение, которое изменяется в зависимости от температуры подключения.

Этот термометр работает по принципу:

эдс ∈ = αT + β T²

В данном случае шкала нелинейна. Температура либо соответствует стандартной кривой, предоставленной производителем, либо предоставляется цифровой дисплей. Α и β зависят от материалов, из которых изготовлена ​​термопара. где:

ЭДС ∈ = αT + βT² / 2

Он измеряет температуру в диапазоне от 500 k до 2300 k

Измеряет температуру от теплового излучения, испускаемого объектами.Эти термометры позволяют использовать их, не касаясь объектов, что позволяет измерять их, когда они движутся или далеко, а также при очень высоких температурах.
Этот термометр работает по принципу излучения. Он измеряет температуру выше 2000 К. Он использует закон Стефана:

Интенсивность E = σT4

  • Термометры-пустышки

    Они подходят для младенцев, поскольку они измеряют одинаковую температуру, не вызывая дискомфорта.Используйте то же, что и стандартный цифровой термометр для измерения температуры в полости рта.

  • Пластиковый полосковый термометр

    Некоторые пластиковые полоски, наложенные на лоб ребенка, могут измерять изменения температуры в данный момент, давая колориметрическую шкалу, которая сообщает нам, приложив ее на минуту ко лбу ребенка, есть ли у ребенка лихорадка или нет. Однако такое измерение не является надежным, но ориентировочным.

Какой вид вещества следует использовать в стеклянных термометрах?

Некоторые вещества обладают свойством, изменяющимся при изменении температуры.Вещества, показывающие изменение температуры, можно использовать в качестве термометрического материала. Например, некоторые вещества расширяются при нагревании, некоторые меняют свой цвет, некоторые изменяют свое электрическое сопротивление и т. Д. Почти все вещества расширяются при нагревании. Жидкости также расширяются при нагревании и подходят в качестве термометрических материалов. Обычные термометры обычно изготавливаются с использованием подходящей жидкости в качестве термометрического материала.

Какие свойства должны присутствовать в термометрической жидкости?

Термометрическая жидкость должна иметь следующие свойства:

  • Она должна быть видимой.
  • Он должен иметь равномерное тепловое расширение.
  • Он должен иметь низкую температуру замерзания.
  • Он должен иметь высокую температуру кипения.
  • Не следует намочить стекло.
  • Он должен хорошо проводить тепло.
  • Он должен иметь небольшую удельную теплоемкость.

Какие жидкости используются в стеклянном термометре?

Жидкостный стеклянный термометр имеет колбу с длинной капиллярной трубкой однородного и мелкого диаметра. В колбу наливается подходящая жидкость.Когда колба соприкасается с горячим предметом, жидкость в ней расширяется и поднимается по трубке. Стеклянный стержень термометра толстый и действует как цилиндрическая линза. Это позволяет легко увидеть уровень жидкости в стеклянной трубке. Чаще всего в стеклянных термометрах используются Mercury и спирт .

Почему в термометрах вместо воды используют ртуть?

Ртуть чаще всего используется в термометрах из-за следующих свойств:

  • Видно.
  • Имеет низкую температуру замерзания (-39 ° C).
  • Он имеет очень высокую температуру кипения (357 ° C).
  • Расширяется линейно.
  • Дает точные измерения.
  • Хороший проводник тепла.
  • Быстрое время отклика.
  • Имеет широкий диапазон температур.

Свойства спиртов для термометров

  • Обладает низкой температурой замерзания (-112 ° C).
  • Он имеет температуру кипения (78 ° C).
  • Используется для измерения высоких температур.
  • Плохой проводник тепла.
  • Имеет яркий цвет.
  • Расширяется больше, чем ртуть.

Связанные темы:

Внешние ссылки:

  • http://www.bbc.co.uk/skillswise/factsheet/ma27temp-e3-f-types-of-thermometer
  • https: // my .clevelandclinic.org / health / article / 15272-термометры-типы
.

Смотрите также