Тема 2. Измерение температуры Слайд 15. Температурные шкалы

Температура вещества характеризует степень нагретости тела. Температуру можно измерить косвенно по термометрическому свойству, изменяющемуся с изменением температуры монотонно и однозначно. При изменении температуры твердого тела изменяются его линейные размеры, плотность, твердость, модуль упругости, электропроводность, теплопроводность, теплоемкость и ряд других свойств. Свойства газов, жидких тел (фазовые состояния, плотность, объем, вязкость и другие) также являются функцией температуры вещества.

Температура вещества является непрерывной физической величиной, а для её измерения необходима шкала, на основе которой можно установить единицу измерения температуры «градус». Для построения температурной шкалы выбирают опорные (реперные) точки θ, характеризующиеся неизменностью и воспроизводимостью температуры вещества при определенных физических условиях. Такими опорными точками обычно выбираются температуры кипения или затвердевания чистых веществ; им присваиваются определённые числовые значения θ₁ и θ₂. Тогда единица измерения температуры – градус – определится как

1 градус = ,

где n — целое число, на которое разбивается температурный интервал между опорными точками.

Такие температурные шкалы, построенные на основе термометрических свойств веществ, появились в первой половине 18 века. Первым такую шкалу предложил Фаренгейт в 1723 г. В качестве термометрического вещества он использовал спирт, а в качестве нижней реперной точки взял температуру смеси снега с хлоридом аммония и присвоил ей численное значение 0. Температуру своего тела Фаренгейт принял за 100 градусов, а за верхнюю реперную точку принял температуру кипения воды, присвоив ей численное значение 212. Температура таяния льда в этом случае оказалась равной 32. Весь температурный диапазон между таянием льда и кипением воды Фаренгейт разделил на 180 равных частей и получил масштаб шкалы в F. В настоящее время эта шкала используется в США, Англии, Канаде, Индии. В 1736 г. свою шкалу предложил Реомюр. В качестве термометрического вещества он использовал спирт, затем - ртуть. За нижнюю реперную точку Реомюр принял температуру плавления льда и присвоил ей численное значение 0, а за верхнюю реперную точку – температуру кипения воды, присвоив ей численное значение 80. Весь температурный диапазон он разделил на 80 равных частей и получил масштаб шкалы в ⁰R. Сейчас эта шкала практически не используется, хотя термометры с этой шкалой сохранились во Франции и в Квебеке (Канада). С 1742 г. начала применяться привычная нам температурная шкала, предложенная Цельсием, в которой в качестве двух реперных точек приняты температура таяния льда (0 ⁰С) и температура кипения воды (100 ⁰С) при давлении 760 мм рт. ст. и ускорении силы тяжести 9,80665 м/с². Удобство этой шкалы, а также ее практически полное совпадение с Меж­дународной практической температурной шкалой МТШ-90 (в ней нижней реперной точкой является тройная точка воды — точка равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах, которая лежит выше точки таяния льда на 0,01 ⁰С) обусловило широкое использование шкалы Цельсия в СИ температуры.

Перевод ⁰С в F и в ⁰R можно сделать по формуле

В 1848 г. английский учёный Томсон (его псевдоним лорд Кельвин) предложил температурную шкалу, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела). Шкала получила название абсолютной термодинамической шкалы, основной единицей которой является кельвин. Градус Кельвина определяется как 1/273,16 части температуры тройной точки воды (температурой равновесия между жидкой, твёрдой водой и её паром). Для воспроизведения кельвина интервал между абсолютным нулём и температурой тройной точки воды делится на 273,16 части.

В абсолютной термодинамической шкале температура Кельвина через температуру в градусах Цельсия, Фаренгейта и Реомюра выразится как

T (K) = θ ⁰C + 273,16 = (5/9) ⁰F + 255,38 = (5/4) ⁰R + 273,16.

По размеру кельвин равен градусу Цельсия.