Температура

Температура - параметр теплового состояния, одна из 3 термодинамических состояний вещества (PV=RT), её значение определяется средней кинетической энергией движения молекул среды. Однако, для данной Т энергия каждой отдельной молекулы может существенно отличаться от средней. Понятие температуры является статистическим и применимо только к объему из очень большого числа молекул. В разреженной материи законы статистики неприменимы. Т такого пространства определяется мощностью пронизывающих его потоков лучистой энергии и равна температуре абсолютно черного тела с такой же мощностью излучения.

Источники первых (для человека) сведений о Т субъективны – ощущение тепла и прохлады, жары и холода со всеми неприятными усилениями и ослаблениями ощущений (замерз, обжегся, “у него температура”). В то же время температура является основным технологическим параметром, в значительной мере определяющим процессы во всех сферах техники.

История: слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества — теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково — градусами.

Определить температуру – сопоставить с неким эталоном, но она не является непосредственно измеряемой величиной; её значение определяют по температурному изменению какого-либо удобного для измерения физического свойства термометрического вещества. Выбрав термометрическое вещество и свойство, необходимо задать начальную точку отсчёта и размер единицы температуры. Так определяют температурные шкалы (ТШ), - системы сопоставимых числовых значений температуры. В ТШ обычно фиксируют две основные температуры, соответствующие точкам фазовых равновесий (реперные или постоянные точки - высокостабильные значения, соответствующие фазовым переходам вещества между газообразным, жидким и твердым состоянием) однокомпонентных систем, расстояние между которыми называется основным температурным интервалом шкалы. В качестве реперных точек используют: тройную точку воды (равновесие между газообразным, жидким и твердым состоянием), точки кипения воды, водорода и кислорода, точки затвердевания серебра, золота и др. Размер единицы измерения (единицы температуры) устанавливают как определённую долю основного интервала. За начало отсчёта ТШ часто принимают одну из реперных точек. Например, в шкале Цельсия за нулевое значение (0°C) принята температура таяния льда (точнее тройная точка воды); основной интервал между точками плавления и кипения воды разделён на 100 равных частей – это единица шкалы 1°C

Принципиальный недостаток эмпирической ТШ - зависимость от термометрического вещества - отсутствует у термодинамической шкалы, основанной на втором начале термодинамики. При определении абсолютной термодинамической шкалы (Кельвина) исходят из цикла Карно . Если в цикле Карно тело, совершающее цикл, поглощает теплоту Q1 при температуре T1 и отдаёт теплоту Q2 при температуре Т2, то отношение T1 /T2 = Q1 /Q2 не зависит от свойств рабочего тела и позволяет по доступным для измерений величинам Q1 и Q2 определять абсолютную температуру.

Шкала Кельвина. Основная в СИ. Используется в термодинамике. За начало - абсолютный ноль (0 К) принято состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела, температура выше 3-ой точки на 0,01 град является значением 273,16 К, а один кельвин равен 1/273,16 интервала от абсолютного нуля до тройной точки воды.

Шкала Цельсия. Широко используется в России, за 0° принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за −273,15 °C. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия — особая точка для метеорологии, поскольку замерзание атмосферной воды существенно всё меняет.

Шкала Фаренгейта. Используется в Англии и, в особенности, в США. В ней на 100 градусов разделён интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела. Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия. В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1°F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F - 32), 1 °F = 9/5 °С + 32. В США и некоторых странах, где применяется ТШ Фаренгейта, используют также абсолютную шкалу Ранкина (Ренкина) - (аналог Кельвина). Соотношение между кельвином и градусом Ранкина: nK = 1,8n°Ra (9/5), по этой шкале точка таяния льда соответствует 491,67 °Ra, точка кипения воды 671,67 °Ra.

Шкала Реомюра. Предложена в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр. Единица — градус Реомюра (°R), 1°R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками — температурой таяния льда (0°R) и кипения воды (80°R) 1 °R = 1,25°C. В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

Переходы из разных шкал

Пересчёт температуры между основными шкалами
	Кельвин	Цельсий	Фаренгейт
Кельвин (K)	= K	= С + 273,15	= (F + 459,67) / 1,8
Цельсий (°C)	= K − 273,15	= C	= (F − 32) / 1,8
Фаренгейт (°F)	= K · 1,8 − 459,67	= C · 1,8 + 32	= F

Международная практическая температурная шкала (МПТШ-68) – инструмент для определения эталона температур в области наиболее применяемых значений. Установлена в 1968 Международным комитетом мер и весов на основе 11 первичных воспроизводимых температурных точек, каждой из которых присвоено определённое число, согласное с другими. В МПТШ-68 значения выражаются как в Кельвинах (символ T₆₈), так и в градусах Цельсия (символ t₆₈) - t₆₈°C = T₆₈ - 273,15 .

Основные реперные (постоянные) точки Международной практической температурной шкалы (1968)

Состояния равновесия	Значение в МПТШ-68
	Т68, К	t68, °C
Тройная точка равновесного водорода	13,81	-259,34
Равновесие между жидкой и газообразной фазами равновесного водорода при давлении 33330,6 н/м2 (25/76 нормальной атмосферы)	17,042	-256,108
Точка кипения равновесного водорода	20,28	-252,87
Точка кипения неона	27,102	-246,048
Тройная точка кислорода	54,361	-218,789
Точка кипения кислорода	90,188	-182,962
Тройная точка воды	273,16	0,01
Точка кипения воды	373,15	100
Точка затвердевания цинка	692,73	419,58
Точка затвердевания серебра	1235,08	961,93
Точка затвердевания золота	1337,58	1064,43

^* За исключением тройных точек и одной точки равновесного водорода (17,042 К), присвоенные значения температур действительны для состояний равновесия при давлении 101325 н/м² (1 нормальная атмосфера).

Промежуточные точки МПТШ-68 воспроизводятся по интерполяционным формулам, устанавливающим связь между температурой и термометрическим свойствами приборов, эталонированных по этим точкам. В диапазоне между 13,81K и 630,74°C в качестве эталонного прибора применяют платиновый термометр сопротивления, в диапазоне 630,74°C - 1064,43°C - термопару с электродами платинородий (10 % Rh) - платина. Выше 1337,58K (1064,43°C) МПТШ-68 определяют с помощью закона излучения Планка.

Сравнение температурных шкал

Описание	Кельвин	Цельсий	Фаренгейт	Ранкин	Реомюр	Delisle	Ньютон	Rømer
Абсолютный ноль	0	−273.15	−459.67	0	−218.52	559.725	−90.14	−135.90
Температура таяния смеси Фаренгейта (соль и лёд в равных количествах)	255.37	−17.78	0	459.67	−14.22	176.67	−5.87	−1.83
Температура замерзания воды (Нормальные условия)	273.15	0	32	491.67	0	150	0	7.5
Средняя температура человеческого тела ¹	310.0	36.8	98.2	557.9	29.6	94.5	12.21	26.925
Температура кипения воды (Нормальные условия)	373.15	100	212	671.67	80	0	33	60
Плавление титана	1941	1668	3034	3494	1334	−2352	550	883
Поверхность Солнца	5800	5526	9980	10440	4421	−8140	1823	2909

¹ Нормальная температура человеческого тела — 36.6 °C ±0.7 °C, или 98.2 °F ±1.3 °F. Приводимое обычно значение 98.6 °F - это точное преобразование в шкалу Фаренгейта принятого в Германии в XIX веке значения 37 °C. Поскольку это значение не входит в диапазон нормальной температуры по современным представлениям, можно говорить, что оно содержит избыточную (неверную) точность.

Некоторые значения в этой таблице были округлены

66