Абсолютная шкала температур
В 1848г. Томсон (лорд Кельвин) поставил вопрос о разработке принципа измерения температуры, результаты которого не зависели бы от природы термометрического тела.
Из термодинамических исследований уже было известно, что КПД двигателя, работающего по циклу Карно, зависит только от температуры нагревателя (Т) и холодильника (Тх) и не зависит от природы рабочего тела. Томсон предложил использовать этот двигатель (цикл) как своеобразный термометр, используя выражения для КПД цикла Карно:
,
,
,
откуда:
.
Отношение абсолютных температур двух тел равно отношению теплот, которые одно тело отдаёт, а другое – получает при использовании этих тел в качестве нагревателя и холодильника какой-либо обратимой машины (например, использующей цикл Карно). Это соотношение справедливо для всех тел природы и для всех обратимых процессов.
Абсолютная температура входит почти во все основные формулы, описывающие закономерности молекулярной физики и термодинамики. Для измерения абсолютной температуры необходимо выбрать некоторую систему, находящуюся в стандартном состоянии и приписать ей некоторое абсолютное значение температуры. В 1954г. международным соглашением в качестве стандартной системы была принята вода, а в качестве стандартного состояния выбрали равновесное состояние воды, льда и пара. Такой выбор был обусловлен тем, что существует одно значение давления (609 Па) и температуры, при которых три фазы воды могут сосуществовать, находясь
в равновесии. Это состояние – тройная точка воды. Абсолютная температура тройной точки принята равной 273,16 К. Абсолютную температуру Т любой другой системы можно получить сравнением её с температурой в тройной точке воды. Таким образом, была получена шкала с одной реперной точкой – шкала Кельвина. По шкале Цельсия температуре Т=273,16 К соответствует температура 0,010С, т.е. обычный нуль шкалы Цельсия находится при Т=273,15 К. Если за абсолютный градус принять одну сотую разности температур таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении, то получатся все данные для точного определения абсолютной температуры. Причем это определение не будет зависеть от свойств термометрического тела и конструкции термометра. Определённая таким образом температура совпадает с температурой, определённой газовым термометром. Абсолютная температура связана с температурой по шкале Цельсия соотношением:
К.
Итак, в каждом термометре непосредственно измеряется физический параметр, связанный с температурой известной зависимостью. Если эта зависимость – следствие второго начала термодинамики, то такой термометр измеряет температуру по термодинамической температурной шкале. Такой термометр относится к семейству первичных термометров. Среди первичных термометров большое значение имеет уже упомянутый выше газовый, принцип действия которого основан на уравнении состояния идеального газа. Газовый термометр является основным прибором при создании Международной практической температурной шкалы. Он обеспечивает точность 0,002К при измерении температур от 2 до 400 К. Градуируется газовый термометр измерением давления при температуре 0оС.