2. Температурні шкали. Мтш-90

Для вимірювання температури необхідні одиниця температури й температурна шкала. Принцип створення температурної шкали полягає в тому, що визначають два опорні значення температури t₁ і t₂, які можуть бути досить легко і багаторазово відтворювані й які мають у певних умовах бути незмінними згідно з фізичними законами, наприклад, температури кипіння і плавлення чистих речовин. Далі виконується градуювання шкали: інтервал t₂ - t₁ поділяють на N рівних частин (градусів) і отримують таким чином одиницю вимірювання температури:

1 градус = (t₂ - t₁)/ N (2)

У 1701 р. Ісак Ньютон запропонував одну з перших температурних шкал з двома опорними точками - температура танення льоду і температура тіла людини. Серед численних досягнень слід зазначити температурні шкали Фаренгейта і Реомюра. Німецький фізик Фаренгейт у 1714 р. першим запропонував застосувати ртуть у якості робочого тіла в скляних термометрах. Опорними точками були температура суміші снігу з нашатирем і температура тіла людини. Цей інтервал був поділений ним спочатку на 12 градусів, потім на 96. Фаренгейт послідовно досліджував реперні точки (такі, що можуть бути легко відтворені – багаторазово і з високою достовірністю) і вдосконалював температурну шкалу. У 1730 р. французький фізик Реомюр запропонував шкалу, у якій температура танення льоду дорівнювала 0˚R, температура кипіння води – +80˚R. У 1736 р. точки замерзання і кипіння води були прийняті за опорні для всіх температурних шкал, що використовувались. У шкалі Фаренгейта ці точки мали значення, відповідно 32˚F і 212˚F. Шкала Фаренгейта і відповідна позасистемна одиниця температури 1˚F використовуються і досі, наприклад, у США.

У 1742 р. шведський фізик і геодезист Андерс Цельсій запропонував шкалу, в якій за опорні точки t₂ і t₁прийнято температури кипіння води і танення льоду і N = 100. Таким чином за одиницю вимірювання температури за шкалою Цельсія прийнятий 1 градус, якій дорівнює 1/100 різниці температур кипіння води (100˚С) і танення льоду (0˚С). Дослідження показують, що термометричні властивості робочих тіл, які у першому наближенні лінійно залежать від температури, у певних температурних діапазонах відхиляються від лінійної залежності в більшу чи меншу сторону.

Шкала Цельсія широко використовується і досі поряд з абсолютною термодинамічною шкалою, яку запропонував у 1848 р. англійський фізик Уїльям Томсон. У 1892 р. за наукові досягнення Томсон отримав титул лорда Кельвіна, тому ми знаємо цю шкалу під назвою “шкала Кельвіна”. Термодинамічна шкала температур використовує Другий закон термодинаміки у вигляді теореми Карно, яка стверджує, що коефіцієнт корисної дії к.к.д. тепломеханічного двигуна, який працює за оборотним циклом Карно, не залежить від природи робочого тіла, а тільки від абсолютних температур нагрівача Т₁ і охолоджувачаТ_2, і має вигляд:

к.к.д. = Q_{корисне}/ Q _{витрачене} = 1 - Т₂/ Т₁, (3)

де Q_{корисне} – кількість теплової енергії, що перетворюються у циклі Карно у механічну роботу, Q_{витрачене} - сумарні витрати теплової енергії нагрівача на виконання механічної роботи і на підігрів охолоджувача.

Значення абсолютного нуля температури за термодинамічною шкалою відповідає стану речовини, коли тепловий рух атомів і молекул припиняється. У цій шкалі відсутні від’ємні значення температур. У принципі, для її побудови достатньо було б однієї опорної точки (друга – це абсолютний нуль). З метою паралельного використання шкал Цельсія і Кельвіна для них був обраний однаковий масштаб (одиниця вимірювання – градус), було вирахуване значення абсолютного нуля температури в градусах Цельсія, воно виявилось рівним –273,16˚С і це значення, але із знаком +, у шкалі Кельвіна було приписане температурі танення льоду, точніше температурі стану, в якому лід, вода і насичена пара існують у рівновазі (потрійна точка води). Таким чином, температура Т за шкалою Кельвіна і t за шкалою Цельсія пов’язані співвідношенням:

Т = t + 273,16 (4)

Співвідношення між значеннями температури у шкалах Цельсія і Фаренгейта:

t˚С = 5/9 (t˚F - 32˚F), відповідно t˚F = 9/5 t˚С + 32 t˚F;

Цельсія і Реомюра: t˚С = 1,25 t˚R, відповідно t˚R = 0,8 t˚С.

Для практичних цілей поряд із теоретичною термодинамічною шкалою Кельвіна необхідно використовувати температурні шкали, які можна відтворювати за допомогою найточніших існуючих засобів вимірювання (еталонних) і які якомога менше відрізнялися б від шкали Кельвіна. У 1889 р. Перша міжнародна конференція з мір і ваги затвердила Нормальну водневу шкалу. Температурні шкали постійно коригуються залежно від досягнутого рівня методів і засобів термометрії У 1968 р. була введена Міжнародна практична температурна шкала МПТШ-68, яка довго й успішно застосовувалась. У даний час діє прийнята у 1990 р. Міжнародна температурна шкала – МТШ-90, яка вдосконалює попередню шкалу МПТШ-68 в області низьких температур. Метрологічне забезпечення використання МПТШ-68 і МТШ-90 спирається на відтворення ряду реперних точок, які відповідають температурі фазових переходів (плавлення, кипіння) певних чистих речовин (наприклад, водню, неону, кисню, аргону, води, олова, цинку, срібла, золота).