2. Вимірювання температури

Загальна назва приладу, з допомогою якого визначають температуру, - термометр. Якщо привести термометр у тепловий контакт із тілом, температуру якого необхідно виміряти, то через деякий час встановиться термодинамічна рівновага між термометром та тілом. Це дозволяє приписати тілу значення температури, що показує термометр. Виходячи з такого принципу вимірювань, одразу випливають вимоги до термометрів – вони не повинні змінювати стан тіла, температура якого вимірюється. (Пригадайте розміри відомих вам термометрів.) Цього можна досягти зменшенням розмірів термометрів.

Щоб визначити температуру кількісно, вводять температурну шкалу – систему правил, з допомогою якої кожна температура може бути охарактеризована певним числом. Проградуйований за даним правилом прилад, називається термометром. Основний елемент термометра – термометричне тіло – тіло, яке приводять у контакт із об’єктом, температуру якого необхідно визначити. Фізична величина, яка виступає в якості індикатора температури називається термометричною величиною. Приклади:

Рідинні термометри – т.т. – рідина – т.в. – її об’єм

Термометри опору - т.т. – металевий дріт або напівпровідник – т.в. – електроопір

Термопарні термометри - т.т. – термопара – т.в. – е.р.с.

Процедура введення температурної шкали наступна. Обирають термометричну величину – позначимо її буквою а. При нагріванні вона повинна змінюватись монотонно. Інакше не буде однозначного зв’язку між а та Т. З цього випливає, що об’єм води, наприклад, не підходить в якості термометричної величини, оскільки при 4^оС він має мінімальне значення. Далі, між а та Т обирають характер зв’язку:

Т = f(а).

Зв’язок може бути довільним, і отже з допомогою одного і того ж термометра можна побудувати нескінченну кількість температурних шкал. Найпростіший випадок – лінійна однорідна функція

Т = Аа. (1)

Вибір константи дасть одиницю температури – градус. На практиці поступають навпаки. Величину А знаходять, призначаючи певній точці певне значення температури або двом точкам – різницю температур. Такі точки називають реперними.

Приклад. До 1954 р. температурна шкала будувалась по двом реперним точкам – нормальній точці кипіння води Т_к та нормальній точці плавлення льоду Т_пл. За означенням, приймалось, що різниця температур цих точок рівна 100^о. Після цього для А маємо

,

де а_к та а_пл – значення термометричної величини у відповідних точках. Між тим краще відтворюється потрійна точка води, в якій у тепловій рівновазі знаходяться всі три фази – лід, вода і пара. В абсолютній термодинамічній шкалі температур або шкалі Кельвіна приймається, що температура цієї точки рівна 273.16 градусів точно. Для А маємо

.

Такий вибір дозволяє зберегти зв’язок із шкалою, в якій використовувались дві реперні точки, тобто різниця Т_к - Т_пл = 100 град, якщо в якості термометричного тіла використовується ідеальний газ.

Отже емпіричною температурою називають визначену з досліду міру відхилення термодинамічного стану тіла від стану теплової рівноваги із льодом, який тане при нормальному тиску. Існує безліч емпіричних температурних шкал, які відрізняються одна від одної термометричною величиною. Показники таких термометрів співпадають лише в реперних точках. Тобто ртутний, спиртовий, із мідного дроту термометри при визначенні температури одного і того ж тіла дадуть різні значення.

Але температура – об’єктивна міра інтенсивності теплового руху. З цієї точки зору перевагу надають якомусь одному типу термометрів і інші градуюють за основним.

Ідеально-газова шкала температур

Відомо, що ідеальні гази з досить великою точністю підкоряються закону Бойля-Маріотта: добуток об’єму даної маси газу на тиск цього газу залежить лише від температури. Цей добуток можна прийняти в якості термометричної величини, а сам газ - термометричним тілом. В цьому випадку (1) ми можемо записати

PV = CT

C – залежить від маси та і хімічної природи газу.

Досвід показує, що визначена температура з допомогою ідеально-газової шкали, дуже слабо залежить від хімічного складу. Температуру визначають за зміною об’єму при постійному тиску, чи за зміною тиску при постійному об’ємі. Останній спосіб легше реалізується.

При Т = 0, рівняння дає Р = 0. Кажуть, що це одна із найменших температур – абсолютний нуль. Але це твердження мало екстраполяційний характер і не мало доказів, оскільки при низьких температурах газ конденсується. Строго існування абсолютного нуля доводиться лише на основі другого початку термодинаміки. Шкала, в якій відлік температури ведеться від абсолютного нуля називається абсолютною шкалою.

З формули випливає, що нулем температури є температура, при якій середня кінетична енергія хаотичних рухів молекул дорівнює нулеві. Але тільки теплова енергія оскільки, оскільки уявлення про спокій частинок протирічіть принципу невизначеності Гейзенберга.

Другий початок термодинаміки дозволяє строго установити температурну шкалу, яка не залежить ані від речовини, ані від обраного параметру. Така шкала називається абсолютною термодинамічною шкалою.

На практиці використовується Міжнародна практична температурна шкала, яка максимально відтворює термодинамічну шкалу. В ній перераховуються 11 реперних точок, за якими градуюються стандартні термометри. Одиниці вимірювання – градус Цельсія або кельвін в залежності від початку відліку температури.

ГАЗ В ПОЛІ СИЛ ТЯЖІННЯ