Температурные шкалы

системы сопоставимых числовых значений температуры (См. Температура). температура не является непосредственно измеряемой величиной; её значение определяют по температурному изменению какого-либо удобного для измерения физического свойства термометрического вещества (см. Термометрия). Выбрав термометрическое вещество и свойство, необходимо задать начальную точку отсчёта и размер единицы температуры - градуса. Таким образом определяют эмпирические Т. ш. В Т. ш. обычно фиксируют две основные температуры, соответствующие точкам фазовых равновесий однокомпонентных систем (так называемые реперные или постоянные точки), расстояние между которыми называется основным температурным интервалом шкалы. В качестве реперных точек используют: тройную точку воды, точки кипения воды, водорода и кислорода, точки затвердевания серебра, золота и др. Размер единичного интервала (единицы температуры) устанавливают как определённую долю основного интервала. За начало отсчёта Т. ш. принимают одну из реперных точек. Так можно определить эмпирическую (условную) Т. ш. по любому термометрическому свойству х. Если принять, что связь между х и температурой t линейна, то температура t x = n (x t - х 0) / (x n - x 0), где x t , x 0 и x n - числовые значения свойства х при температуре t в начальной и конечной точках основного интервала, (x n - x 0) / n - размер градуса, п - число делений основного интервала.

В Цельсия шкале (См. Цельсия шкала), например, за начало отсчёта принята температура затвердевания воды (таяния льда), основной интервал между точками затвердевания и кипения воды разделён на 100 равных частей (n = 100).

Т. ш. представляет собой, таким образом, систему последовательных значений температуры, связанных линейно со значениями измеряемой физической величины (эта величина должна быть однозначной и монотонной функцией температуры). В общем случае Т. ш. могут различаться по термометричкому свойству (им может быть тепловое расширение тел, изменение электрического сопротивления проводников с температурой и т. п.), по термометрическому веществу (газ, жидкость, твёрдое тело), а также зависеть от реперных точек. В простейшем случае Т. ш. различаются числовыми значениями, принятыми для одинаковых реперных точек. Так, в шкалах Цельсия (°С), Реомюра (°R) и Фаренгейта (°F) точкам таяния льда и кипения воды при нормальном давлении приписаны разные значения температуры. Соотношение для пересчёта температуры из одной шкалы в другую:

n °C = 0,8n °R = (1,8n +32) °F.

Непосредственный пересчёт для Т. ш., различающихся основными температурами, без дополнительных экспериментальных данных невозможен. Т. ш., различающиеся по термометрическому свойству или веществу, существенно различны. Возможно неограниченное число не совпадающих друг с другом эмпирических Т. ш., так как все термометрические свойства связаны с температурой нелинейно и степень нелинейности различна для разных свойств и вещественную температуру, измеренную по эмпирической Т. ш., называют условной («ртутная», «платиновая» температура и т. д.), её единицу - условным градусом. Среди эмпирических Т. ш. особое место занимают газовые шкалы, в которых термометрическим веществом служат газы («азотная», «водородная», «гелиевая» Т. ш.). Эти Т. ш. меньше других зависят от применяемого газа и могут быть (введением поправок) приведены к теоретической газовой Т. ш. Авогадро, справедливой для идеального газа (см. Газовый термометр). Абсолютной эмпирической Т. ш. называют шкалу, абсолютный нуль которой соответствует температуре, при которой численное значение физического свойства х = 0 (например, в газовой Т. ш. Авогадро абсолютный нуль температуры соответствует нулевому давлению идеального газа). температуры t (x ) (по эмпирической Т. ш.) и Т (Х ) (по абсолютной эмпирической Т. ш.) связаны соотношением T (X ) =t (x ) +T 0 (x ) , где T 0 (x - абсолютный нуль эмпирической Т. ш. (введение абсолютного нуля является экстраполяцией и не предполагает его реализации).

Принципиальный недостаток эмпирической Т. ш. - их зависимость от термометрического вещества - отсутствует у термодинамической Т. ш., основанной на втором начале термодинамики (См. Второе начало термодинамики). При определении абсолютной термодинамической Т. ш. (шкала Кельвина) исходят из Карно цикл а. Если в цикле Карно тело, совершающее цикл, поглощает теплоту Q 1 при температуре T 1 и отдаёт теплоту Q 2 при температуре Т 2 , то отношение T 1 / T 2 = Q 1 / Q 2 не зависит от свойств рабочего тела и позволяет по доступным для измерений величинам Q 1 и Q 2 определять абсолютную температуру. Вначале основной интервал этой шкалы был задан точками таяния льда и кипения воды при атмосферном давлении, единица абсолютной температуры соответствовала Генеральные конференции по мерам и весам) установила термодинамическую Т. ш. с одной реперной точкой - тройной точкой воды, температура которой принята 273,16 К (точно), что соответствует 0,01 °С. температура Т в абсолютной термодинамической Т. ш. измеряется в Кельвин ах (К). Термодинамическая Т. ш., в которой для точки таяния льда принята температура t = 0 °С, называется стоградусной. Соотношения между температурами, выраженными в шкале Цельсия и абсолютной термодинамической Т. ш.:

TK = t °C + 273,15K, n K = n °C,

так что размер единиц в этих шкалах одинаков. В США и некоторых др. странах, где принято измерять температуру по шкале Фаренгейта, применяют также абсолютную Т. ш. Ранкина. Соотношение между кельвином и градусом Ранкина: n K = 1,8n °Ra, по шкале Ранкина точка таяния льда соответствует 491,67 °Ra, точка кипения воды 671,67 °Ra.

Любая эмпирическая Т. ш. приводится к термодинамической Т. ш. введением поправок, учитывающих характер связи термометрического свойства с термодинамической температурой. Термодинамическая Т. ш. осуществляется не непосредственно (проведением цикла Карно с термометрическим веществом), а с помощью других процессов, связанных с термодинамической температурой. В широком интервале температур (примерно от точки кипения гелия до точки затвердевания золота) термодинамические Т. ш. совпадают с Т. ш. Авогадро, так что термодинамическую температуру определяют по газовой, которую измеряют газовым термометром. При более низких температурах термодинамическая Т. ш. осуществляется по температурной зависимости магнитной восприимчивости парамагнетиков (см. Низкие температуры), при более высоких - по измерениям интенсивности излучения абсолютно чёрного тела (см. Пирометрия). Осуществить термодинамическую Т. ш. даже с помощью Т. ш. Авогадро очень сложно, поэтому в 1927 была принята Международная практическая температурная шкала (МПТШ), которая совпадает с термодинамической Т. ш. с той степенью точности, которая экспериментально достижима. Все приборы для измерения температуры градуированы в МПТШ.

Лит.: Попов М. М., Термометрия и калориметрия, 2 изд., М., 1954; Гордов А. Н., Температурные шкалы, М., 1966; Бурдун Г. Д., Справочник по Международной системе единиц, М., 1971; ГОСТ 8.157-75. Шкалы температурные практические.

Д. И. Шаревская.


Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

  • Температурные напряжения
  • Температурный напор

Смотреть что такое "Температурные шкалы" в других словарях:

    ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ - системы сопоставимых числовых значений температуры. Существуют абсолютные термодинамические температурные шкалы (шкала Кельвина) и различные эмпирические температурные шкалы, реализуемые при помощи свойств веществ, зависящих от температуры… … Большой Энциклопедический словарь

    ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ - ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ, системы сопоставимых числовых значений температуры. Существуют абсолютные термодинамические температурные шкалы, в основе которых лежит какое либо свойство вещества, зависящее от температуры (тепловое расширение,… … Современная энциклопедия

    ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ - системы сопоставимых значений темп ры. Темп ру невозможно измерить непосредственно; её значение определяют по температурному изменению к. л. удобного для измерений физ. св ва в ва (см. ТЕРМОМЕТРИЯ). Термометрич. св вом х могут быть давление газа … Физическая энциклопедия - системы сопоставимых числовых значений температуры. Для построения Т. ш. необходимо выбрать начало отсчета температуры и размер единицы температуры (градуса). Существует абсолютная термодинамическая Т. ш. (шкала Кельвина) и различные эмпирические … Астрономический словарь

    ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ - системы сопоставимых числовых значений темп ры. Существуют абс. термодинамич. Т. ш. (шкала Кельвина) и разл. эмпирич. Т. ш., реализуемые при помощи свойств в в, зависящих от темп ры (тепловое расширение, изменение электрич. сопротивления с темп… … Естествознание. Энциклопедический словарь

    Температурные шкалы - по следовательности значений, отражающие упорядоченную совокупность различных по значению температур. По системе СИ термодинамическая (основная) температурная шкала не зависит от рода термометрических веществ и имеет одну реперную точку тройную… … Энциклопедический словарь по металлургии

    ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ - последовательности значений, отражающие упорядоченную совокупность различных по значению температур. По системе СИ термодинамическая (основная) температурная шкала не зависит от рода термометрического вещества и имеет одну реперную точку тройную… … Металлургический словарь

    Градус Цельсия - (обозначение: °C) широко распространённая единица измерения температуры, применяется в Международной системе единиц (СИ) наряду с кельвином … Википедия

В настоящее время рекомендована к применению Международ­ная практическая температурная шкала МПШТ-68. Единицей тем­пературы утвержден Кельвин (К). Температуру, определяемую по этой шкале, называют термодинамической Т (например, T = 300 К).

Допускается использовать также температуру t по шкале Цель­сия, определяемую выражением

t = Т - 273,15. (2)

Эта температура выражается в градусах Цельсия °С (например, t = 20 °С). Кельвин и градус Цельсия имеют одинаковую величину и оба равны 1/100 разности температур кипения и замерзания воды при атмосферном давлении.

Шкалы Кельвина и Цельсия отличаются только точкой отсчета: нуль в шкале Кельвина сдвинут вниз на 273,15 К по сравнению со шкалой Цельсия. Температура по шкале Цельсия может быть отри­цательной t < 0 °С, тогда как термодинамическая температура всег­да положительна Т > 0. При приближении термодинамической тем­пературы к нулю (T > 0) внутри тела молекулы постепенно замед­ляют свое колебательное движение около состояния равновесия, и при Т = 0 оно прекращается.

Своеобразными «хранителями» температурных шкал являются постоянные температуры фазового равновесия между двумя или тремя фазами вещества: температуры кипения и затвердевания, температуры тройных точек. Эти значения температур называются опорными, реперными точками. Значения основных реперных точек МПШТ-68 приведены в табл. 1.

Таблица1. Основные реперные точки МПШТ-68

Равновесное состояние

Тройная точка водорода

Тройная точка кислорода

Точка кипения кислорода

Точка замерзания воды

Тройная точка воды

Точка кипения воды

Точка затвердевания цинка

Точка затвердевания серебра

Точка затвердевания золота

За рубежом до сих пор довольно часто применяются темпера­турные шкалы Фаренгейта (t , °F) и Ренкина (T, °R). Они выража­ются следующим образом через температуры Цельсия и Кельвина соответственно:

t °С = (t ° F - 32)/1,8; (3)

T = T ° R / 1,8 . (4)

4. Методы измерения температуры

Температура является мерой кинетической энергии составляю­щих тело молекул. Кинетическую же энергию составляю­щих тело молекул измерить невозможно. Поэтому для измерения температуры применяют косвенные методы, в которых используют зависимость каких-либо свойств вещества от температуры и по изменению этих свойств судят об изменении тем­пературы. Такими свойствами являются объем вещества, давление насыщенного пара, электрическое сопротивление, термоэлектродви­жущая сила, тепловое излучение и др.

Стеклянные жидкостные термометры. Принцип действия стек­лянных жидкостных термометров основан на температурном расши­рении жидкостей. Для того чтобы изменение объема жидкости при изменении температуры было отчетливо видно, обычно к заключен­ному в резервуар объему жидкости примыкает трубка с тонким ка­налом - капилляром. Свободная поверхность жидкости находится в этом капилляре, в результате чего небольшие температурные изме­нения объема жидкости вызывают значительное отчетливо наблюда­емое перемещение свободной поверхности мениска в капилляре. При известных температурах t 1 и t 2 определяются два положения мениска, после чего расстояние между ними делится на равные от­резки, числом равные t 1 - t 2 . Таким образом градуируется термо­метр, и только после нанесения этих делений на шкалу он может быть использован для измерения.

Стеклянные термометры можно применять для измерения темпе­ратур в интервале от -200 до +750 °С, но обычно до температур, не превышающих 150-200 °С. Для их заполнения, в зависимости от диапа­зона измеряемых температур, используются различные, обычно подкра­шиваемые жидкости: ртуть, толуол, этиловый спирт и т.д.

Недостатки жидкостных термометров: сравнительно большой размер, необходи­мость визуального определения температуры и невозможность представления показаний в виде электрического сигнала.

Термометры сопротивления. В термо­метрах сопротивления используется свойство изменения электрического сопротивления металлов при изменении его температуры. Термометры сопротивления применяются для измерения широкого диапазона темпе­ратур. Платиновый термометр сопротивле­ния является эталонным прибором для из­мерения температур в интервале от 13,81 до 903,89 К. Конструкция платинового термометра сопротивления представлена на рис. 2. Платиновая проволока диамет­ром 0,05-0,10 мм, свитая в спираль, уло­жена на кварцевом каркасе геликоидной формы. К концам спирали припаяны вы­воды из платиновой проволоки. Все ус­тройство помещено в защитную кварцевую трубку. Сопротивление платинового тер­мометра измеряют обычно потенциометрическим способом (принципиальная схе­ма приведена на рис. 3).

Рис. 2. Платиновый термометр сопротивления: а - чувствительная часть, б - головка термометра; 1 - защитная кварцевая трубка; 2 - кварцевый каркас; 3 - спираль из платиновой проволоки; 4 - платиновые выводы; 5 - контактные винты; 6 - изоляционная прокладка

Вместо платины в термометрах сопротивления можно применять и другие металлы или полупроводниковые материалы. Основным недостатком термометров сопротивления являются достаточно большие габариты чувствительной части.

Рис. 3. Принципиальная схема измерения сопротивления платинового термометра:

1 - потенциометр

Термоэлектрические термометры. Термоэлектрические термо­метры (термопары) получили широкое распространение как в лабо­раторной практике, так и в промышленном производстве. Это объясняется их уникальными свойствами.

Термопара представляет собой два разнородных металлических проводника (проволочки различных металлов), составляющих общую электрическую цепь. Если температуры мест соединений (спаев) про­водников t 1 и t 2 неодинаковы, то возникает термоЭДС и по цепи проте­кает электрический ток. Причиной возникновения термоЭДС является различная плотность свободных электронов в различных металлах при одинаковой температуре. ТермоЭДС тем больше, чем больше разность температур спаев. По величине термоЭДС судят о разности температур спаев.

Электродами термопары являются проволока диаметром 0,1-3,2 мм. Используются следующие термопары: платинородий-платиновая (от 0 до 1300 °С), платинородиевая (от 300 до 1600 °С), вольфрамрениевая (от 0 до 2200 °С), хромель-алюмелевая (от -200 до 1000 °С), хромель-копелевая (от -50 до 600 °С), медь-копелевая (от -200 до 100 °С) и другие.

При измерении температуры один спай цепи термопары, так на­зываемый холодный спай, находится при 0 °С (в тающем льде в со­суде Дьюара), а другой - горячий спай - в среде, температуру которой нужно измерить. Таблицы термоЭДС термопар составлены именно для этого случая. Если по каким-либо причинам не удается поместить холодный спай в среду с температурой 0 °С и он нахо­дится при комнатной температуре (например при 20 °С), то в этом случае возникающая термоЭДС соответствует разности температур горячего и холодного спаев и при определении температуры нужно ввести поправку на холодный спай. Для этого необходимо измерен­ную термоЭДС сложить с термоЭДС, соответствующей температуре холодного спая (20 °С), и по полученному значению определить температуру при помощи таблиц.

По схеме соединения различают термопары с одним и двумя хо­лодными спаями.

Рис.4. Типы термопар: 1 –горячий спай; 2 – холодный спай

Схема термопары с одним холодным спаем изображена на рис. 4,а. Вся цепь выполняется из двух разнородных проводников. В цепь включен милливольтметр для измерения термоЭДС.

Схема с двумя холодными спаями представлена на рис. 4,6. Отличие этой схемы от первой заключается в том, что в цепь термопары вводятся медные провода. Медные провода изображены сплошной линией. Такая схема обычно и используется на практике ввиду того что измерительный прибор может находиться на значительном удалении от места измерения температуры.

Существенным достоинством термопар и термометров сопротивления является то, что они преобразуют значения измеряемой температуры в величину электрического сигнала. Это дает возможность передавать сигнал на большие расстояния, а также использовать его в качестве управляющего сигнала в системах автоматического регулирования и управления.

Инфракрасные термометры. Инфракрасные термометры содержат высокочувствительный датчик, который преобразует энергию инфракрасного (теплового) излучения поверхности объекта в электрический сигнал. Затем эта информация преобразуется в температурные данные, выводимые в цифровом виде на дисплей. Количественное соотношение между интенсивностью теплового излучения поверхности и ее температурой устанавливается законом Стефана-Больцмана для теплового излучения. Диапазон измерения температуры таким прибором от -50 о С до 1500 о С.

Инфракрасный термометр позволяет измерять температуру поверхности бесконтактным способом и на значительном расстоянии. Это делает его особенно удобным в тех случаях, когда другие методы измерения температуры непригодны. Например, если нужно измерить температуру движущегося предмета, поверхности под напряжением или труднодоступной поверхности. Прибор обычно изготавливается в форме пистолета. Для выбора точки измерения температуры на поверхности используется лазерный целеуказатель.

Температура и температурные шкалы

Температура - степень нагретости вещества. Данное понятие основано на способности передавай тепло различными телами (веществом) друг другу при разной степени их нагретости и находиться в состоянии теплового равновесия при равных температурах. Причем тепло всегда передается от тела с более высокой температурой к телу с низкой температурой. Температура может быть также определена как параметр теплового состояния вещества, обуславливаемый средней кинетической энергией движения его молекул. Отсюда очевидно, что понятие «температура» для одной молекулы неприменимо, т.к. при какой-либо конкретной температуре энергия одной молекулы не может быть охарактеризована средним значением. Из данного положения следует, что понятие «температура» является статистическим.

Температура измеряется приборами, которые называются термометрами, в основу работы которых могут быть заложены различные физические принципы. Возможность измерения температуры такими приборами основывается на явлении теплового обмена телами с разной степенью нагретости и изменении их физических (термометрических) свойств при нагревании (охлаждении).

Для количественного определения температуры необходимо выбрать ту или иную температурную шкалу. Температурные шкалы строятся на основе определенных физических свойств какого-либо вещества, которые не должны зависеть от посторонних факторов и должны быть точно и удобно замеряемыми. На самом деле не существует ни одного термометрического свойства для термометрических тел или веществ, которые бы полностью удовлетворяли указанным условиям во всем диапазоне измеряемых температур. Поэтому температурные шкалы определяются для различных температурных диапазонов, построенных на произвольном допущении линейной зависимости

между свойством термометрического тела и температурой. Такие шкалы называются условными, а измеряемая по ним температура -условной.

4 К условной температурной шкале относится одна из распространенных шкал - шкала Цельсия. По этой шкале в качестве границ условного диапазона измерения приняты точки плавления льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении, а одну сотую часть данной шкалы принято называть одним градусом Цельсия (\ С),

| Однако, построение такой температурной шкалы с не пользованием жидкостных термометров может привести к ряду затруднений, связанных со свойствами используемых термометрических жидкостей. Например, показания ртутного и спиртового термометров, работающих на принципе расширения жидкости, будут различными при измерении одной и той же температуры в силу различных коэффициентов их объемного расширения.

| Поэтому для усовершенствования условной температурной шкалы было предложено использование газового термометра с использованием газов, свойства которых незначительно отличались бы от свойств идеального газа (водород, гелий, азот и др.).

С помощью газового термометра измерение температуры может быть основано на изменении объема или давления газа в замкнутой термосистеме.

На практике более широкое распространение получил способ, основанный на измерении давления при постоянном объеме, т.к. является более точным и легко реализуемым.

Для создания единой температурной шкалы, не связанной с термометрическими свойствами различных веществ для широкого интервала температур, Кельвином была предложена шкала температур, основанная на втором законе термодинамики. Эта шкала получила название термодинамической температурной шкалы.

В ее основе лежат следующие положения:

Если при обратимом цикле Карно тело поглощает теплоту 0, при температуре Т, и отдает тепло С? 3 при температуре Т 2 , то должно соблюдаться следующее равенство:

Т. О,

п<Г (21)

Согласно положениям термодинамики данное соотношение не зависит от свойств рабочего тела.

I Термодинамическая температурная шкала Кельвина стала использоваться как исходная шкала для других температурных шкал, не зависящих от термометрических свойств рабочего вещества. Для определения одного градуса по этой шкале интервал, находящийся между точками плавления льда и кипения воды, делится, как и в стоградусной шкале Цельсия, на сто равных частей. Таким образом, I П С оказывается равным ] °К

* По данной шкале, принятой называться абсолютной за нулевую точку принимается температура на 273,15° ниже точки плавления льда, называемая абсолютным нулем. Теоретически доказано, что при этой температуре прекращается всякое тепловое движение молекул любого вещества, поэтому эта шкала в известной мере носит теоретический характер.

Между температурой Т, выраженной в Кельвинах, и температурой *, выраженной в градусах Цельсия, действует соотношение:

1=Т-Т 0 , (2.2)

где Т 0 = 273,15 К.

Из существующих термометров наиболее точно реализуют абсолютную температурную шкалу газовые термометры в интервале не выше 1200 °С. Использование этих термометров при более высоких температурах сталкивается с большими трудностями, кроме того, газовые термометры являются достаточно сложными и громоздкими приборами, что для практических целей неудобно. Поэтому для практического и удобного воспроизведения термодинамической шкалы в широких диапазонах изменения температурпринятыииспользуютсяМеждународные практические

температурные шкапы (МПТШ). В настоящее время действует принятая в 1968 году температурная шкала МПТШ-68, построение которой базируется на реперных точках, определяемых фазовым состоянием веществ. Данные реперные точки используются для эталонизации температур в различных диапазонах, которые приведены в табл. 2.1.

Температурные шкалы

Температурной шкалой называют конкретную функциональную числовую связь температуры со значениями измеряемого термометрического свойства. В связи с этим представляется возможным построение температурной шкалы на основе выбора любого термометрического свойства. В то же время нет ни одного термометрического свойства, которое линейно изменяется с

изменением температуры и не зависит от других факторов в широком интервале измерения температур. Первые шкалы появились в XVIII в. Для построения их выбирались две опорные, или реперные точки t 1 и t 2 , представляющие собой температуры фазового равновесия чистых веществ. Разность температур t 1 –t 2 называют основным температурным интервалом.

Фаренгейт (1715 г.), Реомюр (1776 г.) и Цельсий (1742 г.) при построении шкал основывались на допущении линейной связи между температурой t и термометрическим свойством, в качестве которого использовалось расширение объема жидкости V (формула 14.27) /8/

t=a+bV, (14.27)

где а и b - постоянные коэффициенты.

Подставив в уравнение (14.27) V=V 1 при t=t 1 и V=V 2 при t=t 2 , после преобразований получим уравнение (14.28) температурной шкалы /8/

В шкалах Фаренгейта, Реомюра и Цельсия точке плавления льда t 1 соответствовали +32, 0 и 0 °, а точке кипения воды t 2 - 212, 80 и 100 °. Основной интервал t 2 –t 1 в этих шкалах делится соответственно на N = 180, 80 и 100 равных частей, и 1/N часть каждого из интервалов называют градусом Фаренгейта - t °F , градусом Реомюра – t °R и градусом Цельсия-t °С. Таким образом, для шкал, построенных по указанному принципу, градус не является единицей измерения, а представляет собой единичный промежуток - масштаб шкалы.

Для пересчета температуры из одной указанной шкалы в другую используют соотношение (14.29)

t °С= 1,25 °R =-(5/9)( - 32), (14.29)

Позднее было выяснено, что показания термометров, имеющих разные термометрические вещества (например, ртуть, спирт и др.), использующих одно и то же термометрическое свойство и равномерную градусную шкалу, совпадают лишь в реперных точках, а в других точках показания расходятся. Последнее особенно заметно при измерении температур, значения которых расположены далеко от основного интервала.

Указанное обстоятельство объясняется тем, что связь между температурой и термометрическим свойством на самом деле нелинейна и эта нелинейность различна для различных термометрических веществ. В частности, в рассматриваемом случае нелинейность между температурой и изменением объема жидкости объясняется тем, что температурный коэффициент объемного расширения жидкости сам изменяется от температуры и это изменение различно для различных капельных жидкостей.

На основе описанного принципа построения может быть получено любое количество температурных шкал, значительно различающихся между собой. Такие шкалы называют условными, а масштабы этих шкал - условными градусами. Проблема создания температурной шкалы, не зависящей от термометрических свойств веществ, была решена в 1848 г. Кельвином, а предложенная им шкала была названа термодинамической. В отличие от условных температурных шкал термодинамическая температурная шкала является абсолютной.

Термодинамическая шкала температур основана на использовании второго закона термодинамики. В соответствии с этим законом коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по обратимому циклу Карно, определяется только температурами нагревателя Т Н и холодильника Т X и не зависит от свойств рабочего вещества, таким образом коэффициент полезного действия вычисляют по формуле (14.30) /8/

(14.30)

где Q Н и Q X - соответственно количество теплоты, полученное рабочим веществом от нагревателя и отданное холодильнику.

Кельвином было предложено для определения температуры использовать равенство (14.31) /8/

T Н /Т X = Q Н /Q X , (14.31)

Следовательно, используя один объект в качестве нагревателя, а другой - в качестве холодильника и проводя между ними цикл Карно, можно определить отношение температур объектов путем измерения отношения теплоты, взятой от одного объекта и отданной другому. Полученная шкала температур не зависит от свойств рабочего (термометрического) вещества и называется абсолютной шкалой температур. Чтобы абсолютная температура (а не только отношение) имела определенное значение, было предложено принять разность термодинамических температур между точками кипения воды Т КВ и таяния льда Т ТЛ , равной 100 °. Принятие такого значения разности преследовало цель сохранения преемственности числового выражения термодинамической температурной шкалы от стоградусной температурной шкалы Цельсия. Таким образом, обозначая количество теплоты, полученной от нагревателя (кипящая вода) и отдаваемой холодильнику (тающий лед), соответственно через Q КВ и Q ТЛ и приняв Т КВ – Т ТЛ ==100, используя (14.31), получим равенство (14.32) и (14.33)

(14.32)

(14.33)

Для любой температуры Т нагревателя при неизменном значении температуры Т ТЛ холодильника и количества теплоты Q ТЛ , отдаваемой ему рабочим веществом машины Карно, будем иметь равенство (14.34) /8/

(14.34)

Выражение (14.34) является уравнением стоградусной термодинамической шкалы температур и показывает, что значение температуры Т по данной шкале линейно связано с количеством теплоты Q , полученной рабочим веществом тепловой машины при совершении ею цикла Карно, и, как следствие, не зависит от свойств термометрического вещества. За один градус термодинамической температуры принимают такую разность между температурой тела и температурой таяния льда, при которой производимая по обратимому циклу Карно работа равна 1/100 части работы, совершаемой в цикле Карно между температурой кипения воды и таяния льда (при условии, что в обоих циклах количество теплоты, отдаваемой холодильнику, одинаково). Из выражения (14.30) следует, что при максимальном значении должна быть равна нулю Т X . Эта наименьшая температура была названа Кельвином абсолютным нулем. Температуру по термодинамической шкале обозначают Т К. Если в выражение, описывающее газовый закон Гей-Люссака: (где Ро - давление при t=0 °С ; -температурный коэффициент давления), подставить значение темпе­ратуры, равное - , то давление газа P t станет равным нулю. Естественно предположить, что температура , при которой обеспечивается предельное минимальное давление газа, сама является минимально возможной, и по абсолютной шкале Кельвина принята за нуль. Следовательно, абсолютная температура .

Из закона Бойля-Мариотта известно, что для газов температурный коэффициент давления а равен температурному коэффициенту объемного расширения . Экспериментально было найдено, что для всех газов при давлениях, стремящихся к нулю, в интервале температур 0-100 °С температурный коэффициент объемного расширения = 1/273,15.

Таким образом, нулевое значение абсолютной температуры соответствует °С. Температура таяния льда по абсолютной шкале составит Tо ==273,15 К. Любая температура в абсолютной шкале Кельвина может быть определена как (где t температура в °С). Необходимо отметить, что один градус Кельвина (1 К) соответствует одному градусу Цельсия (1 °С), так как обе шкалы базируются на одинаковых реперных точках. Термодинамическая шкала температур, основанная на двух реперных точках (температура таяния льда и кипения воды), обладала недостаточной точностью измерения. Практически трудно воспроизвести температуры указанных точек, так как они зависят от изменения давления, а также от незначительных примесей в воде. Кельвин и независимо от него Д. И. Менделеев высказали соображения о целесообразности построения термодинамической шкалы температур по одной реперной точке. Консультативный комитет по термометрии Международного комитета мер и весов в 1954 г. принял рекомендацию о переходе к определению термодинамической шкалы с использованием одной реперной точки - wтройной точки воды (точки равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах), которая легко воспроизводится в специальных сосудах с погрешностью не более 0,0001 К. Температура этой точки принята равной 273,16 К, т.е. выше температуры точки таяния льда на 0,01 К. Такое число выбрано для того, чтобы значения температур по новой шкале практически не отличались от старой шкалы Цельсия с двумя реперными точками. Второй реперной точкой является абсолютный нуль, который экспериментально не реализуется, но имеет строго фиксированное положение. В 1967 г. XIII Генеральная конференция по мерам и весам уточнила определение единицы термодинамической температуры в следующей редакции: «Кельвин-1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды». Термодинамическая температура может быть также выражена в градусах Цельсия: t = Т- 273,15 К. Использование второго закона термодинамики, предложенное Кельвином с целью установления понятия температуры и построения абсолютной термодинамической температурной шкалы, не зависящей от свойств термометрического вещества, имеет огромное теоретическое и принципиальное значение. Однако реализация указанной шкалы с использованием в качестве термометра тепловой машины, работающей по обратимому циклу Карно, практически неосуществима.

Термодинамическая температура эквивалентна газотермической, используемой в уравнениях, описывающих законы идеальных газов. Газотермическую температурную шкалу строят на основе газового термометра, в котором в качестве термометрического вещества используется газ, приближающийся по свойствам к идеальному газу. Таким образом, газовый термометр является реальным средством для воспроизведения термодинамической температурной шкалы. Газовые термометры бывают трех типов: постоянного объема, постоянного давления и постоянной температуры. Обычно применяют газовый термометр постоянного объема (рисунок 14.127), в котором изменение температуры газа пропорционально изменению давления. Газовый термометр состоит из баллона 1 и соединительной трубки 2, заполненных через вентиль 3 водородом, гелием или азотом (для высоких температур). Соединительная трубка 2 подсоединена к трубке 4 двухтрубного манометра, у которого трубку 5 можно перемещать вверх или вниз благодаря гибкому соединительному шлангу 6. При изменении температуры объем системы, заполненной газом, изменяется, и для приведения его к первоначальному значению трубку 5 вертикально перемещают до тех пор, пока уровень ртути в трубке 4 не совпадет с осью Х-Х. При этом столб ртути в трубке 5, отсчитанный от уровня Х-Х, будет соответствовать давлению газа Р в баллоне.

Рисунок 14.127 – Схема газового термометра

Обычно измеряемую температуру Т определяют относительно некоторой точки отсчета, например по отношению к температуре тройной точки воды T 0 , при которой давление газа в баллоне будет Ро . Искомая температура вычисляется по формуле (14.35)

(14.35)

Газовые термометры используют в интервале ~ 2- 1300 К. Погрешность газовых термометров находится в пределах 3-10- 3 - 2-10- 2 К в зависимости от измеряемой температуры. Достижение такой высокой точности измерения -сложная задача, требующая учета многочисленных факторов: отклонения свойств реального газа от идеального, наличие примесей в газе, сорбцию и десорбцию газа стенками баллона, диффузию газа через стенки, изменение объема баллона от температуры, распределение температуры вдоль соединительной трубки.

В силу большой трудоемкости работы с газовыми термометрами предпринимались попытки изыскать более простые методы воспроизведения термодинамической температурной шкалы.

На основе проведенных в различных странах исследований на VII Генеральной конференции по мерам и весам в 1927 г. было принято термодинамическую шкалу заменить «практической» температурной шкалой и назвать ее международной температурной шкалой. Эта шкала была согласована со стоградусной термодинамической шкалой настолько тесно, насколько позволял уровень знаний того времени.

Для построения международной температурной шкалы было выбрано шесть воспроизводимых реперных точек, значения температуры которых по термодинамической шкале были тщательно измерены в различных странах с помощью газовых термометров и приняты наиболее достоверные результаты. С помощью реперных точек градуируются эталонные приборы для воспроизведения международной температурной шкалы. В интервалах между реперными точками значения температур рассчитывают по предлагаемым интерполяционным формулам, устанавливающим связь между показаниями эталонных приборов и температурой по международной шкале. В 1948, 1960 и 1968 гг. в положения о международной температурной шкале был внесен ряд уточнений и дополнений, так как на основе усовершенствованных методов измерений были обнаружены отличия этой шкалы от термодинамической, особенно в области высоких температур, а также в связи с необходимостью продлить температурную шкалу до более низких температур. В настоящее время действует принятая на XIII конференции по мерам и весам усовершенствованная шкала под названием «международная практическая температурная шкала 1968» (МПТП-68). Определение «практическая» указывает, что эта температурная шкала в общем не совпадает с термодинамической. Температуры МПТШ-68 снабжаются индексом (T 68 или t 68 ).

МПТШ-68 базируется на 11 основных реперных точках, приведенных в таблице 9. Наряду с основными имеется 27 вторичных реперных точек, охватывающих диапазон температур от 13,956 до 3660 К (от - 259,194 до 3387 °С). Числовые значения температур, приведенные в таблице 14.4, соответствуют термодинамической шкале и определены с помощью газовых термометров.

В качестве эталонного термометра в интервале температур от 13,81 до 903,89 К (630,74 °С - точка затвердевания сурьмы-вторичная реперная точка) принимается платиновый термопреобразователь сопротивления. Этот интервал разбит на пять подынтервалов, для каждого из которых определены интерполяционные формулы в виде полиномов до четвертой степени. В интервале температур от 903,89 до 1337,58 К используется эталонный платина-платинородиевый термоэлектрический термометр. Интерполяционной формулой, связывающей термоэлектродвижущую силу с температурой, здесь является полином второй степени.

Для температур выше 1337,58 К (1064,43°С) МПТШ-68 воспроизводится с помощью квазимонохроматического термометра с использованием закона излучения Планка.

Таблица 14.4 - Основные реперные точки МПТШ-68

Температура - важнейший параметр окружающей среды (ОС). Температура ОС характеризует степень нагретости, которая определяется внутренней кинетической энергией теплового движения молекул. Температуру можно определить как параметр теплового состояния. Для сравнения степени нагретости тел использует изменение какого либо физического их свойства, зависящего от температуры и легко поддающегося измерению (например, объемное расширение жидкости, изменение электрического сопротивления металла и т.д.).

Чтобы перейти к количественному определению температуры, необходимо установить шкалу температур., т.е. выбрать начало отсчета (нуль температурной шкалы) и единицу измерения температурного интервала (градус).

Температурные шкалы, применяемые до введения единой температурной шкалы, представляет собой ряд отметок внутри температурного интервала, ограниченного двумя легко воспроизводимыми постоянными (основными реперными или опорными) точками кипения и плавления химически чистых веществ. Эти температуры принимали равными произвольным числовым значениям t" и t”. Таким образом, 1 град = (t" - t”)/n, где t" и t” - две постоянные легко воспроизводимые температуры; n - целое число, на которое разбит температурный интервал.

Для разметки температурной шкалы чаще всего использовали объемное расширение тел при нагревании, а за постоянные точки принимали температуры кипения воды и таяния льда. На этом принципе основаны температурные шкалы, созданные Ломоносовым, Фаренгейтом, Реомюром и Цельсием. При построении этих шкал была принята линейная зависимость между объемным расширением жидкости и температурой, т.е.

где k - коэффициент пропорциональности (соответствует относительно температурному коэффициенту объемного расширения). Интегрирование уравнения (1) дает

где D - постоянная интегрирования.

Для определения постоянных k и D используют две выбранные температуры t" и t”. Приняв при температуре t" объем V", а при температуре t” - V”, получим

t" = kV" + D; (3)

t” = kV” + D; (4).

Вычтя уравнение (3) из уравнений (2) и (4), получим

t - t" = k(V - V") (5);

t” - t" = k(V” - V") (6).

Разделив уравнение (5) на уравнение (6), получим

где t" и t” - температура соответственно таяния льда и кипения воды при нормальном давлении и ускорении свободного падения 980,665 см/с 2 ; V" и V” - объемы жидкостей, соответствующие температурам t" и t”; V - объем жидкости, соответствующий температуре t.

В природе нет жидкостей с линейной зависимостью между коэффициентом объемного расширения и температурой поэтому показания термометров зависят от природы термометрического вещества (ртути, спирта и т.п.).

С развитием науки и техники возникла необходимость в создании единой температурной шкалы, несвязанной с какими либо частными свойствами термометрического вещества и пригодные в широком интервале температур. В 1848 году Кельвин, исходя из второго начала термодинамики, предложил определять температуру на основании равенства

T 2 /(T 2 - T 1) = Q 2 /(Q 2 - Q 1),

где Т 1 и Т 2 - температура соответственно холодильника и нагревателя; Q 1 и Q 2 - количество теплоты, соответственно полученной рабочим веществом от нагревателя и отданной холодильнику (для идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно).

Пусть Т 2 равно температуре кипения воды (Т 100), а Т 1 - температура таяния льда (Т 0); тогда, приняв разность T 2 - T 1 равной 100 град и обозначив количество теплоты, соответствующее этим температурам, через Q 100 и Q 0 , получим

Т 100 = Q 100 100/(Q 100 - Q 0); Т 0 = Q 0 100/(Q 100 - Q 0).

При любой температуре нагревателя

Т = Q 100/(Q 100 - Q 0) (8).

Уравнение является уравнением термодинамической шкалы температур, которое не зависит от свойств термометрического вещества.

Решением XI Генеральной конференции по мерам и весам в России предусмотрено применение двух температурных шкал: термодинамической и международной практической.

В термодинамической шкале Кельвина нижней точкой является точка абсолютного нуля (0К), а единственной экспериментальной основной точкой - тройная точка воды. Этой точке соответствует 273,16К. Тройная точка воды (температура равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах) ваше точки таяния льда на 0,01 град. Термодинамическую шкалу называют абсолютной, если в ней за нуль принята точка на 273,16К ниже точки плавления льда.

Строго говоря, осуществить шкалу Кельвина невозможно, т.к. уравнение ее выведено из идеального цикла Карно. Термодинамическая шкала температур совпадает со шкалой газового термометра, наполненного идеальным газом. Известно, что некоторые реальные газы (водород, гелий, неон, азот) в широком интервале температур по своим свойствам сравнительно мало отличаются от идеального газа. Так, шкала водородного термометра (с учетом поправок на отклонение свойств реального газа от идеального) представляет собой практически термодинамическую шкалу температур.

Международная практическая температурная шкала основана на ряде воспроизводимых равновесных состояний, которым соответствуют определенные значения температур (основные реперные точки), и на эталонных приборах, градуированных при этих температурах. В интервале между температурами основных реперных точек интерполяцию выполняют по формулам, устанавливающим связь между показаниями эталонных приборов и значениями международной практической шкалы. Основные реперные точки реализуются как определенные состояния фазовых равновесий некоторых чистых веществ и охватывают интервал температур от -259,34 0 С (тройная тоска равновесия водорода) до +1064,43 0 С (точка затвердевания золота).

Эталонным прибором, используемым в области температур от -259,34 до +630,74 0 С, является платиновый термометр сопротивления, от +630,74 до +1064,43 0 С - термоэлектрический термометр с термоэлектродами и платинародия (10% родия) и платины. Для области температур выше 1064,43 0 С температуру по международной практической шкале определяют в соответствии с законом излучения Планка.

Температуру, измеряемую по международной практической шкале, обозначают t, а числовые значения сопровождают знаком 0 С.

Температура по термодинамической шкале связана с температурой по международной практической шкале соотношением T = t + 273,15. На IX генеральной конференции по мерам и весам в 1948 году международная практическая температурная шкала была названа шкалой Цельсия. Для международной практической шкалы температур и шкалы Цельсия общей является одна постоянная точка (температура кипения воды); во всех остальных точках эти шкалы существенно различаются, особенно при высоких температурах.