Визначення температури в статистичній фізиці

В статистичної фізики температура визначається за формулою:

де S - ентропія, E - енергія термодинамічної системи. Введена таким чином величина T є однаковою для різних тіл при термодинамічній рівновазі. При контакті двох тіл тіло з більшим значенням T віддаватиме енергію іншому.

Вимірювання температури

Для вимірювання термодинамічної температури вибирається певний термодинамічний параметр термометричної речовини. Зміна цього параметра однозначно пов'язується із зміною температури. Класичним прикладом термодинамічної термометра може служити газовий термометр, в якому температуру визначають методом вимірювання тиску газу в балоні постійного об'єму. Відомі також термометри абсолютні радіаційні, шумові, акустичні.

Термодинамічні термометри - це дуже складні установки, які неможливо використовувати для практичних цілей. Тому більшість вимірювань проводиться за допомогою практичних термометрів, які є вторинними, тому що не можуть безпосередньо пов'язувати якусь властивість речовини з температурою. Для отримання функції інтерполяції вони повинні бути відградуйовані в реперних точках міжнародної температурної шкали.

Засоби вимірювання температури часто проградуіровані за відносними шкалами - Цельсія або Фаренгейта.

Одиниці та шкала вимірювання температури

З того, що температура - це кінетична енергія молекул, ясно, що найбільш природно вимірювати її в енергетичних одиницях (тобто в системі СІ в джоулях). Проте вимір температури почалося задовго до створення молекулярно-кінетичної теорії, тому практичні шкали вимірюють температуру в умовних одиницях - градусах.

Термометр Галілея

Термометр Галілея (термоскоп) — прилад у вигляді запаяного скляного циліндра, наповненого рідиною, у якій плавають скляні сферичні буйки (поплавці). До кожного такого поплавця прикріплено знизу золотиста або срібляста табличка з нанесеним на ній значенням температури. У залежності від розміру термометра кількість поплавців усередині буває від 3-х до 11-ти.

Шкала температур Кельвіна

Поняття абсолютної температури було введено У. Томсоном (Кельвіном), у зв'язку з чим шкалу абсолютної температури називають шкалою Кельвіна або термодинамічної температурної шкали. Одиниця абсолютної температури - кельвін (К).

Абсолютна шкала температури називається так, тому що захід основного стану нижньої межі температури - абсолютний нуль, тобто найнижча можлива температура, при якій в принципі неможливо витягнути з речовини теплову енергію.

Шкала температур Кельвіна - це шкала, у якій початок відліку ведеться від абсолютного нуля.

Важливе значення має розробка на основі термодинамічної шкали Кельвіна Міжнародних практичних шкал, заснованих на реперних точках - фазових переходах чистих речовин, визначених методами первинної термометрії. Першої міжнародної температурної шкали була прийнята в 1927 р. МТШ-27.

З 1927 р. шкала кілька разів перевизначалась (МТШ-48, МПТШ-68, МТШ-90): мінялися реперні температури, методи інтерполяції, але принцип залишився той самий - основою шкали є набір фазових переходів чистих речовин з певними значеннями термодинамічних температур і інтерполяційні прилади, градуйовані в цих точках. В даний час діє шкала МТШ-90. Основний документ (Положення про шкалою) встановлює визначення Кельвіна, значення температур фазових переходів (реперних точок) і методи інтерполяції.

Використовувані в побуті температурні шкали - як Цельсія, так і Фаренгейта (використовувана, в основному, в США), - не є абсолютними і тому незручні при проведенні експериментів в умовах, коли температура опускається нижче точки замерзання води, через що температуру доводиться висловлювати негативним числом. Для таких випадків були введені абсолютні шкали температур.

Одна з них називається шкалою Ранкина, а інша - абсолютної термодинамічної шкали (шкалою Кельвіна); температури по ним вимірюються, відповідно, в градусах Ранкина ( Ra) і кельвінах (К). Обидві шкали починаються при температурі абсолютного нуля. Розрізняються вони тим, що ціна одного розподілу за шкалою Кельвіна дорівнює ціні поділки шкали Цельсія, а ціна поділки шкали Ранкина еквівалентна ціною поділки термометрів зі шкалою Фаренгейта. Температурі замерзання води при стандартному атмосферному тиску відповідають 273,15 K, 0 C, 32 F.

Масштаб шкали Кельвіна прив'язаний до потрійний точці води (273,16 К), при цьому від неї залежить постійна Больцмана. Це створює проблеми з точністю інтерпретації вимірів високих температур. Зараз МБМВ розглядає можливість переходу до нового визначення кельвіна і фіксування постійної Больцмана, замість прив'язки до температури потрійної точки

Шкала Цельсія

У техніці, медицині, метеорології і в побуті використовується шкала Цельсія, в якій температура потрійної точки води дорівнює 0,008 C, і точка замерзання води при тиску в 1 атм дорівнює 0 C. В даний час шкалу Цельсія визначають через шкалу Кельвіна: ціна одного поділу в шкалі Цельсія дорівнює ціні поділки шкали Кельвіна, t ( С) = Т (К) - 273,15. Таким чином, точка кипіння води, спочатку вибрана Цельсієм, як реперна точка, що дорівнює 100 C, втратила своє значення, і за сучасними оцінками температура кипіння води при нормальному атмосферному тиску складає близько 99,975 C. Шкала Цельсія практично дуже зручна, оскільки вода дуже поширена на нашій планеті і на ній заснована наша життя. Нуль Цельсія - особлива точка для метеорології, оскільки пов'язана з замерзанням атмосферної води. Шкала запропонована Андерсом Цельсієм в 1742 р.

Шкала Фаренгейта

В Англії і, особливо, в США використовується шкала Фаренгейта. Нуль градусів Цельсія - це 32 градуси Фаренгейта, а градус Фаренгейта дорівнює 9 / 5 градуса Цельсія.

В даний час прийнято таке визначення шкали Фаренгейта: це температурна шкала, 1 градус якої (1 F) дорівнює 1 / 180 різниці температур кипіння води і танення льоду при атмосферному тиску, а точка танення льоду має температуру +32 F. Температура за шкалою Фаренгейта пов'язана з температурою за шкалою Цельсія (t С) співвідношенням t С = 5 / 9 (t F - 32),

t F = 9 / 5 t С +32. Запропоновано Г. Фаренгейтом в 1724.