1.1 Температурные шкалы

Если применять в качестве основного интервал температур между температурой плавления льда и температурой кипения воды, обозначив их соответственно 0 и 100, а в пределах этих температур измерить объемное расширение какого-либо рабочего вещества, например ртути, находящейся в узком цилиндрическом стеклянном сосуде, и разделить на 100 равных частей изменение высоты ее столба, то в результате будет построена так называемая температурная шкала.

Для измерения температуры лежащей выше или ниже выбранных значений температур, то есть за пределами 0 и 100 также наносят полученные деления на шкале. Деления температурной шкалы называют градусами.

При построении указанной температурной шкалы пропорциональная зависимость объемного расширения ртути от температуры была принята произвольно. Однако, это не соответствует действительности, особенно при температурах выше 100 градусов. Поэтому при помощи такой шкалы точно измерить температуру можно лишь в двух исходных точках 0 и 100 градусов, тогда как результаты измерения во всем остальном диапазоне шкалы будут неточны. То же явление наблюдалось бы и при построении температурной шкалы с использованием других физических свойств рабочего вещества.

В 1848 году английский физик У. Томсон (впоследствии лорд Кельвин) предложил совершенно точную и равномерную, независящую от свойств рабочего вещества шкалу, получившую название термодинамической шкалы (шкалы Кельвина). Выбор этой шкалы вытекает из второго закона термодинамики и основан на уравнении термодинамики для обратимого процесса (цикла Карно) имеющим вид:

(1.2.)

Это уравнение показывает, что при работе теплового двигателя по обратимому циклу отношение количества тепла , получаемого рабочим веществом от нагревателя, к количеству тепла отдаваемого им холодильнику пропорционально только отношению температур нагревателя и холодильника .

Однако практически указанный метод измерения температуры использован быть не может, так как нельзя осуществить обратимый цикл работы теплового двигателя.

Позднее было установлено, что термодинамическая температура совпадает с показаниями газового термометра, заполненного идеальным (воображаемым) газом, обладающим пропорциональным изменением давления от температуры. Близкими по свойствам к идеальному газу являются водород, гелий и азот, которые применяют для измерения термодинамической температуры с ведением небольших поправок на отклонение их свойств от свойств идеального газа.

Термодинамическая температурная шкала в настоящее время явля-ется основной и начинается с абсолютного нуля (т.е. от температуры, при которой давление идеального газа при постоянном объёме равно нулю).

Единицы термодинамической температуры измеряются в кельвинах (К), а условное обозначение буква Т. Кельвин представляет собой часть термодинамической температуры тройной точки воды. Эта температура равна 273,16 К и является единственной воспроизводимой опытным путём постоянной точкой термодинамической температурной шкалы (реперная точка).

В дальнейшем с помощью газовых термометров была построена так называемая международная практическая температурная шкала (МПТШ), близкая к термодинамической, которая была принята в 1927 году и уточнялась в 1948 и 1968 годах.

Кроме МПТШ существует ещё шкала Фаренгейта, предложенная ещё в 1715 году. В МПТШ-68 градусы обозначаются знаком ⁰С (Цельсия), а условное обозначение буквой — t. Для этой шкалы градус Цельсия равен Кельвину. Шкала построена путём деления интервала температур плавления льда и кипения воды на 180 равных частей (градусов), обозначаемых знаком F. По этой шкале температура плавления льда равна 32F, а кипения воды 212F.

Для пересчета температуры, выраженной в градусах Фаренгейта в градусы Цельсия, пользуются равенством:

t⁰C=0,556(nF-32), (1.3.)

где n - число градусов по шкале Фаренгейта.

Термодинамическая температура также может быть выражена в градусах Цельсия (С). Для пересчёта температуры, выраженной в кельвинах, в градусы Цельсия пользуются равенством:

tC = Т K– 273,15 (1.4.)