4. Измерение температуры

4.1. Шкалы температур

Температура – величина, характеризующая степень нагретости тела (среды). Такое понятие о температуре основано на представлении о способности одного тела передавать тепло другому телу при разной степени их нагретости и находиться в тепловом равновесии при одинаковой степени их нагретости. Величина температуры обусловливается средней кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела.

При соприкосновении двух тел переход тепла от одного тела к другому будет происходить до тех пор, пока величины средней кинетической энергии поступательного движения молекул этих тел не будут равны.

Измерить температуру тела непосредственно, как, например, длину, массу, не представляется возможным, т.к. в природе не существует эталона или образца единицы этой величины. С изменением средней кинетической энергии движения молекул тела изменяется не только его температура, но и физические свойства. Определение температуры вещества производят посредством наблюдения за изменением физических свойств другого термометрического (рабочего) вещества, которое, будучи приведенным в соприкосновение с нагретым телом, вступает с ним через некоторое время в тепловое равновесие.

Для установления шкалы температуры выбирается такая физическая величина, которая с изменением температуры изменяется однозначно. Изменение агрегатного состояния химически чистого вещества (плавление или затвердевание, кипение или конденсация) протекает при постоянной температуре, значение которой определяется составом вещества, характером его агрегатного изменения и давлением. Значения этих воспроизводимых температур равновесия между твердой и жидкой или жидкой и газообразной фазами различных веществ при нормальном атмосферном давлении, равном 101325 Па (760 мм рт. ст.), называются реперными точками.

До 1885 г. температурной шкалой была шкала ртутного стеклянного термометра. В качестве интервала температур взяты реперные точки плавления льда и кипения воды – соответственно 0 и 100. Измерялось объемное расширение ртути в стеклянном сосуде. Данный интервал разбивался на 100 равных частей. Эта шкала называется шкалой Цельсия. Деления температурной шкалы называются градусами.

В 1889 г. была принята шкала водородного термометра. Он строился на основе зависимости давления или объема от температуры (). Преимущество водородного термометра в том, что коэффициент расширения у водорода в 140 раз больше стекла, а у ртути только в 9 раз.

При построении таких температурных шкал была произвольно принята пропорциональная зависимость какой-либо величины от температуры (например, объемное расширение ртути), что, однако, не соответствует действительности особенно при температурах выше 100⁰. Поэтому при помощи такой шкалы можно точно измерить температуру только в двух точках – 0 и 100⁰, во всем диапазоне в других точках измерения неточные. Такое же явление наблюдается и при построении температурной шкалы с использованием других физических свойств рабочего вещества (например, изменение электрического сопротивления проводника, возбуждение термоэлектродвижущей силы и т.п.).

Единственно правильной шкалой, независимой от свойств рабочего тела, является термодинамическая шкала, основанная на втором начале термодинамики. Иначе эта шкала называется абсолютной или шкалой Кельвина. В основе построения этой шкалы лежат следующие положения. Если в обратимом цикле Карно тело, совершающее цикл, поглощает теплоту Q₁ при температуре T₁ и отдает тепло Q₂ при температуре T₂, то отношение термодинамических (абсолютных) температур T₁/T₂ равно отношению количеств тепла Q₁/Q₂. Согласно положениям термодинамики значение этого отношения не зависит от свойств рабочего тела. Однако шкала Кельвина является только теоретической, практически она реализована быть не может, т.к. нельзя осуществить обратимый цикл работы теплового двигателя.

Позднее было установлено, что термодинамическая шкала совпадает с показанием газового термометра, заполненного идеальным (воображаемым) газом, обладающим свойством пропорционального изменения давления от температуры. К идеальному газу близки гелий, азот, водород, которые и применяются для измерения термодинамической температуры с введением небольших поправок на отклонение их свойств от свойств идеального газа. Точность показаний газового термометра высока, но пользоваться им сложно, и диапазон измерения незначителен.

Термодинамическая температурная шкала начинается с абсолютного нуля^*) и в настоящее время является основной. Единицы термодинамической температуры обозначаются знаком К (кельвин), а T – условное ее обозначение.

В дальнейшем с помощью газовых термометров была построена Международная практическая температурная шкала (МПТШ). МПТШ была принята на VII Генеральной конференции по мерам и весам в 1927 г. Это было вызвано необходимостью облегчить измерения температуры с помощью газовой термометрии и унифицировать существующие в разных странах температурные шкалы.

МПТШ была уточнена в 1948 г. (МПТШ-48), а в 1960 г. изложена в новой редакции, принятой на XI Генеральной конференции по мерам и весам. Позднее эта шкала была пересмотрена, т. к. необходимо было расширить диапазон измерений в область низких температур (10 – 90 К) и повысить ее точность, поскольку МПТШ-48 давала, в основном, более низкие значения по сравнению с термодинамической шкалой.

По этим причинам Международный комитет мер и весов в 1968 г. принял новую шкалу МПТШ-68, градусы которой обозначаются ⁰С (градус Цельсия), а условное значение температуры – t. Для этой шкалы градус Цельсия равен кельвину. МПТШ-68 основана на значениях температур ряда воспроизводимых состояний равновесия между фазами чистых веществ. Равновесие фаз некоторых из этих веществ и их определяющие реперные точки с присвоенными значениями температур даны в табл. 4.

Указанные в табл.4 реперные точки, кроме тройной точки воды, относятся к нормальному атмосферному давлению (101325 Па).

Для определения промежуточных температур между реперными точками служат интерполяционные формулы.

Таблица 4

Определяющие реперные точки МПТШ-68

Равновесие между фазами вещества	Температура
	T, К	t, 0C
Жидкий и парообразный равновесный водород (точка кипения равновесного водорода)	20,28	–252,87
Жидкий и парообразный кислород (точка кипения кислорода)	90,188	–182,962
Твердая, жидкая и парообразная вода (тройная точка воды)	273,16	0,01
Жидкая и парообразная вода (точка кипения воды)	373,15	100
Твердый и жидкий цинк (точка затвердевания цинка)	692,73	419,58
Твердое и жидкое серебро (точка затвердевания серебра)	1235,08	961,93
Твердое и жидкое золото (точка затвердевания золота)	1337,58	1064,43

При воспроизведении МПТШ-68 кроме определяющих реперных точек могут применяться и вторичные реперные точки (дополнительно):

точка плавления хлористого марганца 50,09⁰С;

точка кипения нафталина 217,96⁰С;

точка затвердевания олова 231,85⁰С;

точка затвердевания кадмия 320,9⁰С;

точка затвердевания меди 1083⁰С;

точка затвердевания палладия 1555⁰С.

Кроме МПТШ-68 существует шкала Фаренгейта, предложенная в 1715 г. Шкала построена путем деления интервала между реперными точками плавления льда и кипения воды на 180 равных частей (градусов), обозначаемых ⁰Ф. По этой шкале точка плавления льда 32, а кипения воды 212⁰Ф.

Между температурами, выраженными в кельвинах, в градусах Цельсия и градусах Фаренгейта установлено соотношение

t⁰C= T К – 273,15 = 0,556 (n⁰Ф–32), (4.1)

где n – число градусов по шкале Фаренгейта.