Arbeitsmethoden Der Thermodynamik: Band 1: Temperaturmessung

ISBN-13: 9783642480478 / Niemiecki / Miękka / 2012 / 442 str.

Franz X. Eder

Opis

Mit dcm vorliegcnden ersten Band wird die dreiteilige Darstellung der Arbeits methoden der Thermodynamik eroffnet, deren Schwerpunkt auf der Beschrei bung der in diesem Sachgebiet der Physik erforderlichen und angewandten Mel. verfahren liegt. Die Behandlllng dieser in der in- und auslandischen Literatur nicht sehr reichhaltig durch Lehrbiicher der Experimentier- und Me13kunst vertretenen Disziplin der reinen und angewandten Physik ist nach didaktischen Gesichtspunkten ausgerichtet und geht iiber die reine Aufzahlung geeigncter oder bckannter Me13- und Arbeitsverfahren hinaus. Es werden vielmehr die ZUl1l Yerstandnis notwendigen Zusammephange und theoretischen Ableitungen der mel. ltechnischen Grundlagen in Ansalz lind ihren Ergebnissen dargestellt, um die schopferischen Krafte und Einfallsrei'c4tum des Lesers fiir die Durchfiihrung . 'I selbstandiger Forschungsvorhaben zu aktivitrcn. Yon den vielen in der Fa- literatur verstreuten Hinweisen auf relevante Methoden und Instrumente werden in diesem Buch die wichtigsten Beispiele meist ausfiihrlicher beschrieben, vielfach im Detail bildlich erlautert und ihre Leistungsfahigkeit sowie Anwendungsbereiche diskutiert. Auf weitere Methoden wird in einem umfangreichen Literaturver zeichnis verwiesen, das jedem Kapitel angefiigt wurde und auf dem aktuellsten Entwicklungsstand gehalten ist. Um dem Leser die Auswahl der verfugbaren und geeigneten Me13methoden zu erleichtern, werden jeweils Beispiele fiir die er zielbaren Mel. lergebnisse und ihre Genauigkeitsgrenzen aufgefuhrt. Diese Drei teilung der Darstellung wird in diesem Buch konsequent beibehalten und durch zusatzliche Hinweise auf die Anwendung bei technischen Problemen erweitert.

Spis treści

1 Grundlagen der Thermometrie.- 1.1 Temperaturbegriff.- 1.2 Kelvin-Temperaturskala.- 1.3 Statistische Wärmetheorie.- 1.4 Negative absolute Temperaturen.- 1.5 Thermodynamische Temperaturskala.- 1.5.1 Carnot-Prozeß.- 1.5.2 Kelvin-Skala.- 1.5.3 Temperaturskalen.- 1.5.4 Ideales Gasverhalten und thermodynamische Temperaturskala.- 1.5.5 Carnot-Prozeß für das ideale Gas.- 1.5.6 Die Entropie:.- 1.5.7 Thomson-Joule-Effekt.- 1.6 Thermodynamische Temperaturskala unterhalb von 1 K.- 1.6.1 Thermometereichung nach dem 2. Hauptsatz.- 1.6.2 Besetzungsthermometrie.- 1.6.3 Temperaturmessung durch den osmotischen Druck.- 1.6.4 Schmelzdruck von 3He.- 1.7 Rauschthermometrie.- 1.8 Strahlungstheoretische Temperaturskala.- 1.9 Akustische Thermometrie.- 1.10 Internationale praktische Temperaturskala 1968 (IPTS-68).- 1.10.1 Allgemeines.- 1.10.2. Einheiten.- 1.10.3. Definition der IPTS-68.- 1.10.4 Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der IPTS-68.- 1.10.5 Empfohlene praktische Temperaturskala unterhalb von 5,2 K.- 1.10.6 Bereich zwischen 5,189 und 13,81 K.- Literatur zu Kapitel 1.- 2 Praktische Temperaturmessung.- 2.1 Ausdehnungsthermometer.- 2.1.1 Allgemeines.- 2.1.2 Gasthermometer.- 2.1.2.1 Gasthermometer konstanten Volumens.- 2.1.2.2 Gasthermometer konstanten Druckes.- 2.1.2.3 Gefäßmaterialien.- 2.1.2.4 Füllgase.- 2.1.2.5 Reduktion der gasthermometrischen Temperatur auf die thermodynamische Skala.- 2.1.2.6 Differential-Gasthermometer.- 2.1.3 Flüssigkeitsthermometer.- 2.1.3.1 Allgemeines.- 2.1.3.2 Bauarten, Theorie.- 2.1.3.3 Thermometerkorrekturen.- 2.1.3.4 Spezielle Formen des Flüssigkeitsthermometers.- 2.1.4 Flüssigkeits-Federthermometer.- 2.1.5 Metallausdehnungsthermometer.- 2.2 Dampfdruckthermometer.- 2.2.1 Allgemeines.- 2.2.2 Meßmethoden, Ausführungsformen.- 2.2.3 Thermomolekulare Druckdifferenz.- 2.2.4 Dampfdrucktabellen.- 2.3 Thermoelemente.- 2.3.1 Thermoelektrischer Effekt.- 2.3.2 Thermoelektrische Thermometer.- 2.3.3 Gebräuchliche Thermoelemente.- 2.3.4 Ausführungsformen und Herstellung.- 2.3.5 Messung der Thermospannung.- 2.3.5.1 Ausschlagsverfahren.- 2.3.5.2 Kompensationsmethoden.- 2.3.5.3 Digital-Millivoltmeter.- 2.3.5.4 Nachweis kleiner Thermospannungen durch Gleichspannungs-Wechselspannungs-Umsetzer.- 2.3.5.5 Thermospannungskonverter.- 2.3.6 Prüfung und Eichung von Thermoelementen.- 2.3.6.1 Allgemeines zu den Eichmethoden.- 2.3.6.2 Spezielle Eichverfahren.- 2.3.6.3 Erzielbare Genauigkeit.- 2.3.6.4 Einfluß der Temperatur der Nebenlötstelle.- 2.3.6.5 Prüfung der Homogenität von Thermodrähten.- 2.3.7 Meßfehler beim Einbau, äußere Einflüsse und Alterung.- 2.3.7.1 Einbaufehler.- 2.3.7.2 Einfluß des Druckes.- 2.3.7.3 Einfluß eines Magnetfeldes.- 2.3.7.4 Einfluß einer Neutronenbestrahlung.- 2.3.7.5 Alterungseffekte.- 2.4 Widerstandsthermometer.- 2.4.1 Allgemeines.- 2.4.2 Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes.- 2.4.3 Werkstoffe für metallische Widerstandsthermometer.- 2.4.3.1 Grundsätzliches.- 2.4.3.2 Platin-Widerstandsthermometer.- 2.4.3.3 Platinthermometer für hohe Temperaturen.- 2.4.3.4 Platinthermometer und Internationale Temperaturskala.- 2.4.3.5 Widerstandsthermometer aus anderen Metallen.- 2.4.4 Halbleiterwiderstände (Thermistoren).- 2.4.5 Konstruktion der Widerstandsthermometer.- 2.4.5.1 Drahtwicklung.- 2.4.5.2 Dünnfilmwiderstände.- 2.4.5.3 Anschlußleitungen.- 2.4.5.4 Thermometerformen; Schutzrohre.- 2.4.5.5 Alterung der Widerstandsthermometer.- 2.4.6 Meßverfahren.- 2.4.6.1 Kompensationsverfahren.- 2.4.6.2 Brückenschaltungen.- 2.4.6.3 Kreuzspulinstrument.- 2.4.6.4 Linearisierung von Widerstandsthermometern; Widerstandskonverter.- 2.4.6.5 Temperaturintegrator mit Thermistor.- 2.4.6.6 Direkte Verstärkungsmethoden.- 2.4.6.7 Messung von Temperaturdifferenzen.- 2.4.7 Meßfehler und Eichung.- 2.4.7.1 Erwärmung des Thermometers durch den Meßstrom.- 2.4.7.2 Druckeinflüsse.- 2.4.7.3 Stabilität von Widerstandsthermometern.- 2.4.7.4 Eichmethoden.- 2.4.8 Anwendungen spezieller Art.- 2.5 Strahlungspyrometer.- 2.5.1 Grundlagen der Pyrometrie.- 2.5.1.1 Bestimmung der Temperatur aus Strahlungsmessungen.- 2.5.1.2 Der schwarze Körper.- 2.5.1.3 Methoden der Lichtschwächung.- 2.5.2 Gesamtstrahlungspyrometer.- 2.5.2.1 Allgemeines.- 2.5.2.2 Strahlungsempfänger.- 2.5.2.3 Gesamtstrahlungspyrometer mit Thermoelement.- 2.5.2.4 Gesamtstrahlungspyrometer mit Fotozellen.- 2.5.2.5 Messung nichtschwarzer Körper.- 2.5.2.6 Meßfehler.- 2.5.3 Optische Pyrometrie.- 2.5.3.1 Temperatur und Helligkeit.- 2.5.3.2 Glühfadenpyrometer.- 2.5.3.3 Objektive optische Pyrometer.- 2.5.3.4 Pyrometer nach Wanner.- 2.5.3.5 Spektralfotometer von König-Martens.- 2.5.3.6 Emissionsgrad und Messung nichtschwarzer Strahler.- 2.5.4 Farbpyrometrie.- 2.5.4.1 Verteilungstemperatur.- 2.5.4.2 Messung mit dem Glühfadenpyrometer.- 2.5.4.3 Farbpyrometer nach Naeser.- 2.5.4.4 Objektive Farbpyrometer.- 2.5.5 Fotothermometrie.- 2.5.6 Temperaturmessung an Flammen.- 2.5.6.1 Temperatur einer Flamme.- 2.5.6.2 Messung an leuchtenden Flammen.- 2.5.6.3 Methode der Linienumkehr.- 2.5.6.4 Temperaturbestimmung aus der Breite von Spektrallinien.- 2.5.6.5 Andere Meßmethoden in Gasentladungen.- 2.6 Weitere Temperaturmeßmethoden; Temperaturindikatoren.- 2.6.1 Temperaturbestimmung mittels Schallgeschwindigkeit.- 2.6.2 Quarzresonator als Thermometer.- 2.6.3 Rauschthermometrie.- 2.6.4 Interferometrische Temperaturmessung.- 2.6.5 Magnetische Temperaturmessung.- 2.6.6. Pyro- und ferroelektrische Thermometer.- 2.6.7 Thermokolore; Seger-Kegel.- 2.6.8 Thermographie, optische Methoden.- 2.6.9 Kalorimetrische Temperaturmessung.- 2.7 Thermostate; Temperaturregelung und -aufzeichnung.- 2.7.1 Theorie der selbsttätigen Temperaturregelung.- 2.7.2 Temperaturfühler und -regier; Peltier-Kühlung.- 2.7.3 Gas- und Flüssigkeitsthermostate.- 2.7.3.1 Badflüssigkeiten.- 2.7.3.2 Rührvorrichtung.- 2.7.3.3 Wasserbadthermostate.- 2.7.3.4 Gasthermostate.- 2.7.3.5 Thermostate für höhere Temperaturen.- 2.7.3.6 Thermostate für Temperaturen unterhalb des Eispunktes.- 2.7.4 Präzisionsthermostate.- 2.7.5 Hochtemperaturthermostate.- 2.7.6 Steuerung von zeitlich veränderlichen Temperaturen.- 2.7.6.1 Programmierbare Temperatursteuerung.- 2.7.6.2 Thermostate mit linearem Temperaturanstieg.- 2.7.6.3 Thermostate für zyklische Temperaturänderungen.- 2.7.6.4 Thermostate zum Erzeugen eines konstanten Temperaturdifferentials.- 2.7.6.5 Thermostate für periodischen Temperaturverlauf.- 2.7.7 Temperaturaufzeichnung.- 2.8 Thermometereichung; Standardinstrumente.- 2.8.1 Allgemeines über Thermometereichung.- 2.8.2 Eichung von Standardthermometern.- 2.8.3 Vergleich mit Standardthermometern.- 2.8.4 Allgemeines über Temperaturfixpunkte.- 2.8.5 Primäre thermometrische Fixpunkte.- 2.8.5.1 Primäre Fixpunkte zwischen 13,81 und 27,102 K.- 2.8.5.2 Die Sauerstoff-Fixpunkte.- 2.8.5.3 Der Wassertripelpunkt.- 2.8.5.4 Der Wassersiedepunkt.- 2.8.5.5 Erstarrungspunkte von Zn, Ag und Au.- 2.8.6 Sekundäre Fixpunkte unterhalb des Eispunktes.- 2.8.7 Sekundäre Fixpunkte oberhalb des Eispunktes.- 2.9 Einbau und Trägheit des Thermometers.- 2.9.1 Theorie des inneren Einbaus.- 2.9.2 Innerer Einbau der Thermometer.- 2.9.2.1 Allgemeines.- 2.9.2.2 Messung in festen Körpern.- 2.9.2.3 Temperaturmessung in Flüssigkeiten.- 2.9.2.4 Lufttemperaturmessung.- 2.9.2.5 Gastemperaturmessung in Rohrleitungen.- 2.9.2.6 Messung hoher Gastemperaturen.- 2.9.2.7 Messung in schnell strömenden Gasen.- 2.9.3 Messung der Oberflächentemperatur.- 2.9.4 Anzeigeträgheit des Thermometers.- 2.9.4.1 Einmalige, plötzliche Temperaturänderung.- 2.9.4.2 Periodische Temperaturänderungen.- 2.9.4.3 Nacheilen des Thermometers.- 2.9.5 Temperaturmessung an rotierenden Teilen.- 2.9.6 Berührungsfreie Temperaturmessung.- 2.9.6.1 Oberflächentemperaturmessung durch kompensierte Wärmeübertragung.- 2.9.6.2 Oberflächentemperaturmessung an Ultrazentrifugen.- 2.9.6.3 Induktive Signalübertragung von rotierenden Teilen.- 2.9.6.4 Induktive Temperaturübertragung bei Waagen.- 2.9.6.5 Spezielle Verfahren.- 2.9.7 Untersuchung von Temperaturfeldern.- Literatur zu Kapitel 2.- 3 Messung tiefer Temperaturen.- 3.1 Gas-, Dampfdruck- und akustische Thermometer.- 3.1.1 Gasthermometer für tiefe Temperaturen; Theorie.- 3.1.2 Aufbau der Gasthermometer.- 3.1.3 Andere Bauformen der Gasthermometer.- 3.1.4 Gasthermometer im überkritischen Druckbereich.- 3.1.5 Dampfdruck tiefsiedender Gase; Korrekturen.- 3.1.5.1 Dampfdruck von Sauerstoff.- 3.1.5.2 Dampfdruck von Neon.- 3.1.5.3 Dampfdruck von Wasserstoff.- 3.1.5.4 Dampfdruck der Helium-Isotope.- 3.1.5.5 Dampfdruckkorrekturen.- 3.1.6 Praktische Dampfdruckmessung.- 3.1.7 Akustisches Thermometer.- 3.2 Thermoelemente bei tiefen Temperaturen.- 3.2.1 Grundsätzliches.- 3.2.2 Materialien für Tieftemperatur-Thermoelemente.- 3.2.2.1 Der „passive“Schenkel.- 3.2.2.2 Kupfer/Konstantan-Element.- 3.2.2.3 Gold-Kobalt-Legierungen.- 3.2.2.4 Gold-Eisen-Legierungen.- 3.2.2.5 Weitere Materialien.- 3.2.3 Einfluß von Magnetfeldern u. a.- 3.2.4 Messung sehr kleiner Thermospannungen.- 3.2.5 Supraleitende Schalter und Wechselrichter.- 3.2.6 Eichmethoden und Befestigung.- 3.3 Widerstands- und Dioden-Thermometrie.- 3.3.1 Allgemeines.- 3.3.2 Andere Metallthermometer.- 3.3.3 Germaniumthermometer.- 3.3.3.1 Grundsätzliches.- 3.3.3.2 Aufbau und Eigenschaften.- 3.3.3.3 Si- und SiC-Widerstandsthermometer.- 3.3.3.4 Meßwertinterpolation.- 3.3.4 Kohle-Widerstandsthermometer.- 3.3.4.1 Kompakte Kohle-Widerstandsthermometer.- 3.3.4.2 Kohleschicht-Thermometer.- 3.3.4.3 Kohle-Glasthermometer.- 3.3.4.4 Konlethermometer bei sehr tiefen Temperaturen.- 3.3.4.5 Zur Widerstandsmessung.- 3.3.4.6 Trägheit der Kohlethermometer; thermische Ankopplung.- 3.3.4.7 Einfluß äußerer Parameter.- 3.3.5 Halbleiter-Diodenthermometer.- 3.3.5.1 Theorie des Diodenthermometers.- 3.3.5.2 GaAs-Dioden.- 3.3.5.3 Ge- und Si-Dioden.- 3.3.5.4 GaAs-Widerstandsthermometer.- 3.3.6 Widerstandsmeßverfahren.- 3.3.6.1 Gleichspannungsverfahren.- 3.3.6.2 Wechselstrombrücken.- 3.3.6.3 Phasenempfindlicher Detektor.- 3.3.6.4 Meßbrücken mit induktiven Spannungsteilern.- 3.3.6.5 Selbstabgleichende Widerstandsbrücken.- 3.3.6.6 Gepulste Wechselspannungsbrücken.- 3.3.6.7 Widerstands-Frequenz-Konverter.- 3.3.6.8 Messung der thermischen Impedanz.- 3.3.7 Einfluß äußerer Parameter.- 3.3.7.1 Hydrostatischer Druck.- 3.3.7.2 Einfluß von Magnetfeldern.- 3.3.7.3 Bestrahlungseinflüsse.- 3.3.7.4 Alterung von Widerstandsthermometern.- 3.3.8 Spezielle Eichverfahren.- 3.3.9 Montage der Widerstandsthermometer.- 3.4 Magnetische Thermometrie I: Elektronischer Paramagnetismus.- 3.4.1 Allgemeines.- 3.4.2 Eigenschaften der paramagnetischen Substanzen.- 3.4.2.1 Cer-Magnesium-Nitrat (CMN).- 3.4.2.2 Chrom-Kalium-Alaun (CPA).- 3.4.2.3 Cer-Dipocolinat (CDP).- 3.4.2.4 Lanthan-Cer-Magnesiumnitrat (CLMN).- 3.4.2.5 Eisen-Ammonium-Alaun (FAS).- 3.4.2.6 Weitere Substanzen.- 3.4.2.7 Verdünnte Legierungen.- 3.4.2.8 Hyperfeinstruktur-Resonanz-Thermometer.- 3.4.3 Meßverfahren.- 3.4.3.1 Allgemeines.- 3.4.3.2 Fluxmetrische Methoden.- 3.4.3.3 Dynamische Verfahren.- 3.4.3.4 Meßbrücken.- 3.4.3.5 Magnetische Quanteninterferenz.- 3.4.3.6 Aufbau von Kontakten und Schwachstellen.- 3.4.3.7 Supraleitender Flußtransformator.- 3.4.3.8 SQUID-Magnetometer.- 3.4.4 Spezielle Eichverfahren.- 3.4.4.1 Eichung nach dem 2. Hauptsatz.- 3.4.4.2 Vergleich mit dem Rauschthermometer.- 3.4.4.3 Eichung durch die Schmelzkurve von festem 3He.- 3.4.4.4 Eichung durch die Sprungpunkte von Supraleitern.- 3.4.5 Thermische Ankopplung der paramagnetischen Thermometer.- 3.4.6 Temperaturskalen für paramagnetische Salze.- 3.5. Magnetische Thermometrie II: Kernphysikalische Thermometer.- 3.5.1 Kernparamagnetismus.- 3.5.2 Messung der statischen Kernsuszeptibilität.- 3.5.3 Gepulstes NMR-Thermometer.- 3.5.4 Kontinuierlich betriebenes NMR-Thermometer (CW-NMR).- 3.5.5 Kernorientierungsthermometrie (NO-Thermometer).- 3.5.6 Thermometrie mit Hilfe des Mößbauer-Effekts.- 3.5.7 Thermische Ankopplung der Kernthermometer.- 3.5.8 Eich- und Vergleichsmethoden.- 3.6 Dielektrische Thermometer.- 3.6.1 Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten.- 3.6.2 SrTiOg-Glaskeramik-Thermometer.- 3.6.3 Andere dielektrische Thermometer.- 3.6.4 Verhalten bei sehr tiefen Temperaturen.- 3.6.5 Meßverfahren.- 3.6.6 Pyroelektrische Thermometer.- 3.6.7 Eigenschaften pyroelektrischer Thermometer.- 3.6.8 Anwendung der pyroelektrischen Thermometer.- 3.7 Supraleitungsthermometer.- 3.7.1 Magnetische Thermometrie mit einem Supraleiter.- 3.7.2 Praktische Ausführung.- 3.7.3 Supraleitendes Widerstandsthermometer.- 3.7.4 Supraleitungstemperaturregler.- 3.7.5 Messung von Temperaturgradienten.- 3.8 Rauschthermometrie.- 3.8.1 Grundlagen.- 3.8.2 Rauschthermometer mit Verstärker.- 3.8.3 SQUID-Rauschthermometer.- 3.8.4 Josephson-Effekt und Rauschthermometrie.- 3.8.5 Rauschthermometer mit Josephson-Diode.- 3.8.6 Vergleich mit Kernthermometern.- 3.9 Schmelzkurve und osmotischer Druck von 3He.- 3.9.1 Eigenschaften von festem und flüssigem 3He.- 3.9.2 Neuere Bestimmungen der 3He-Schmelzkurve.- 3.9.3 Messung des Schmelzdruckes.- 3.9.4 Schmelzdruckkurven.- 3.9.5 Temperaturmessung mit Hilfe des osmotischen Druckes.- 3.10 Vergleich, Einbau und Eichung der Tieftemperatur-Thermometer.- 3.10.1 Vergleich der Tieftemperatur-Thermometer.- 3.10.2 Einbau, thermische Ankopplung.- 3.10.3 Theorie der thermischen Ankopplung.- 3.10.4 Kontaktprobleme bei sehr tiefen Temperaturen.- 3.10.5 Eichmethoden, Fixpunkte.- 3.10.5.1 Spezielle Eichmethoden.- 3.10.5.2 Vergleich mit He-Dampfdruck-Thermometer.- 3.10.5.3 Thermometrische Fixpunkte.- 3.10.5.4 Fitting der Eichdaten.- 3.10.6 Vergleich der Temperaturskalen.- 3.10.7 Eichkryostaten und Temperaturregler.- Literatur zu Kapitel 3.

O autorze

Franz X. Eder lehrt als ao. Professor am Institut für Wirtschafts- und Sozialgeschichte an der Universität Wien.