Что такое температурный гистерезис

Свойства физических объектов изучаются с помощью воздействия на них внешних факторов известной величины, например, температуры, электромагнитного поля, давления. Отклик некоторых объектов и систем происходит с запаздыванием. Причём отклик на внешнее воздействие существенно зависит как от текущих параметров объекта, так и от предыстории. Для характеристики подобных явлений используется понятие гистерезиса (от греческого слова — запаздывание, отставание). Температурный гистерезис связан с устройствами, регулирующими температуру физической системы (объекта), например, автомобильного двигателя.

Понятие (определение) гистерезиса

Гистерезисом называется физическое свойство некоторых веществ или устройств, которое проявляется в виде отставания по времени ответной реакции на внешний раздражитель (температуру, электрическое или магнитное поле, давление). Реакция может закончиться либо возвратом в исходное состояние, либо частичным восстановлением. На картинке выше в графическом виде показано типичное проявление гистерезиса. По оси абсцисс откладывается величина действующего на систему внешнего фактора, а по оси ординат свойство, характеризующее вещество или систему.

Терморегуляторы и гистерезис

В различных устройствах, предназначенных для поддержания заданной температуры в помещении, автомобиле или в исследовательской установке применяются терморегуляторы, функции которых заключаются в следующем:

• Измерение с помощью термодатчика температуры объекта.
• Включение или выключения источника тепла (в обогревателях) или холода (в кондиционерах).

Под гистерезисом терморегулятора понимается температурная разница Δt между включением и выключением нагревателя. На картинке ниже представлен пример терморегулятора, настроенного на поддержание температуры 27 градусов. Гистерезис или разница температуры составляет 2 градуса. Это означает, что:

• При достижении температуры 29 градусов нагрев будет отключён.
• При понижении температуры до 25 градусов нагрев включится.

Автоматическое включение и выключение нагревателя будет происходить после получения калиброванного сигнала с термодатчика (биметаллическая пластина, терморезистор или термопара). Величина гистерезиса для приборов различного уровня может находиться в диапазоне от 0.015 до 5–10 градусов.

Для эффективной работы терморегулятора величина гистерезиса должна быть подобрана оптимальным образом, поскольку:

• При слишком малом Δt включение/выключение будет происходить излишне часто, что приведёт к неоправданному увеличению энергопотребления и преждевременному износу комплектующих регулятора.
• Если Δt слишком велико, то включение/выключение будет происходить редко, что приведёт к снижению точности регулирования необходимой температуры.

Автомобильный термостат

Температура двигателя внутреннего сгорания на автомобиле регулируется с помощью терморегулятора, именуемого термостатом. Его работа заключается в направлении потока охлаждающей жидкости либо по малому кругу, когда температура двигателя невысокая, либо по большому, с подключением радиатора, когда температура превышает допустимую. Стадии нагрева и остывания образуют гистерезисную петлю.

Примеры гистерезиса в других областях знаний

По аналогии с гистерезисом измеряемой температуры это понятие широко используется для других физических величин, например:

• Для характеристики свойств ферромагнетиков, в которых зависимость намагниченности В от величины магнитного поля H имеет ярко выраженную петлю гистерезиса.

• Для описания параметров сегнетоэлектриков.

Кроме физики понятие гистерезиса широко используется в других областях знаний:

• В биологии для описания свойств скелетных мышц различных млекопитающих.
• В химии — изучение температурного гистерезиса в гетерогенном катализе.
• В геологии и почвоведении.
• В гидрологии.
• В экономике.
• В социологии.

В общем случае понятие гистерезиса заключается в появлении гистерезисной петли, демонстрирующей разницу параметров системы, например, при нагревании и остывании. На вопрос, что такое гистерезис для терморегуляторов, можно ответить, что это температурная разница между величиной Т_вкл (включения) и Т_выкл (выключения).

Видео по теме