Температурные шкалы

Измерение теплоэнергетических величин

Одной из важнейших теплоэнергетических величин является температура. Температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела или его теплоэнергетический потенциал. Практически все технологические процессы и различные свойства вещества зависят от температуры.

В отличие от таких физических величин, как масса, длина и т.п., температура является не экстенсивной (параметрической), а интенсивной (активной) величиной. Если гомогенное тело разделить пополам, то его масса также делится пополам. Температура, являясь интенсивной величиной, таким свойством аддитивности не обладает, т.е. для системы, находящейся в термическом равновесии, любая часть системы имеет одинаковую температуру. Поэтому не представляется возможным создание эталона температуры, подобно тому, как создаются эталоны экстенсивных величин.

Измерить температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. Эти свойства тел называют термометрическими. К ним относятся длина, плотность, объем, термоэ.д.с., электросопротивление и т.д. Вещества, характеризующиеся термометрическими свойствами, называю термометрическими. Средство измерения температуры называют термометром. Для создания термометра необходимо иметь температурную шкалу.

Температурной шкалой называют конкретную функциональную числовую связь температуры со значениями измеряемого термометрического свойства. В этой связи представляется возможным построение температурных шкал на основе выбора любого термометрического свойства. В тоже время нет ни обного термометрического свойства, которое линейно связано с изменением температуры и не зависит от других факторов в широком интервале измерения температур.

Первые температурные шкалы появились в XVIII веке. Для построения их выбирались две опорные (реперные) точки t₁ и t₂, представляющие собой температуры фазового равновесия чистых веществ. Разность температур t₂ - t₁ называют основным температурным интервалом. Немецкий физик Габриель Даниель Фаренгейт (1715 г.), шведский физик Андерс Цельсий (1742 г.) и французский физик Рене Антуан Реомюр (1776 г.) при построении шкал основывались на допущении линейной связи между температурой t и термометрическим свойством, в качестве которого использовали расширение объема жидкости V, т.е.

t = a + bV, (1)

где а и b – постоянные коэффициенты.

Подставив в это уравнение V = V₁ при t = t₁ и V = V₂ при t = t₂, после преобразования получим уравнение температурной шкалы:

(2)

В шкалах Фаренгейта, Реомюра и Цельсия точке плавления льда t₁ соответствовали +32⁰, 0⁰ и0⁰, а точке кипения воды t₂ – 212⁰, 80⁰ и 100⁰. Основной интервал t₂ – t₁ в этих шкалах делится соответственно на N = 180, 80 и 100 равных частей, и 1/N часть каждого из интервалов называют градусом Фаренгейта – t⁰F, градусом Реомюра t⁰R и градусом Цельсия t⁰C. Таким образом, для шкал, построенных по указанному принципу, градус не является единицей измерения, а представляет собой единичный промежуток – масштаб шкалы.

Для пересчета температуры из одной шкалы в другую используют соотношение:

(3)

Позднее было выяснено, что показания термометров, имеющих разные термометрические вещества (ртуть, спирт и др.), использующих одно и тоже термометрическое свойство и равномерную градусную шкалу, совпадают лишь в реперных точках, а в других точках показания расходятся. Последнее особенно заметно при измерении температур, значения которых расположены далеко от основного интервала.

Это обстоятельство объясняется тем, что связь между температурой и термометрическим свойством на самом деле нелинейна и эта нелинейность различна для разных термометрических веществ. В частности, нелинейность между температурой и изменением объема жидкости объясняется тем, что температурный коэффициент объемного расширения жидкости сам изменяется от температуры и это изменение различно для разных капельных жидкостей.

На основе описанного принципа можно построить любое количество шкал, значительно различающихся между собой. Такие шкалы называют условными, а масштабы этих шкал - условными градусами.

Проблема создания температурной шкалы, не зависящей от термометрических свойств веществ, была решена в 1848 г. Кельвином, а предложенная им шкала названа термодинамической. В отличие от условных температурных шкал термодинамическая температурная шкала является абсолютной.

Термодинамическая шкала температур основана на использовании второго закона термодинамики. В соответствии с этим законом коэффициент полезного действия h тепловой машины, работающей по обратному циклу Карно, определяется только температурой нагревателя Т_н и холодильника Т_х и не зависит от свойств рабочего вещества:

(4)

где Q_н и Q_х – соответственно количество теплоты, полученное рабочим веществом от нагревателя и отданное холодильнику.

Кельвином было предложено для определения температуры использовать равенство

(5)

Следовательно, используя один объект в качестве нагревателя, а другой – в качестве холодильника и проведя между ними цикл Карно, можно определить отношение температур объектов путем измерения отношения теплоты, взятой от одного объекта и отданной другому. Полученная шкала температур не зависит от свойств рабочего вещества и называется абсолютной шкалой температур. Чтобы абсолютная температура имела определенное значение, было предложено принять разность термодинамических температур между точками кипения воды Т_кв и таяния льда Т_тл равной 100⁰. Принятие такой разности преследовало цель сохранения преемственности числового значения термодинамической температурной шкалы от стоградусной температурной шкалы Цельсия. Т.О., обозначая количество теплоты, полученной от нагревателя (кипящая вода) и отдаваемой холодильнику (тающий лед), соответственно через Q_кв и Q_тл, и приняв Т_кв – Т_тл = 100, получим:

и (6)

Для любой температуры Т нагревателя при неизменном значении Т_тл холодильника и количества теплоты Q_тл, отдаваемой ему рабочим веществом машины Карно, будем иметь:

(7)

Уравнение (6) является уравнением стоградусной термодинамической шкалы температур и показывает, что значение температуры Т по данной шкале линейно связано с количеством теплоты Q, полученной рабочим веществом тепловой машины при совершении ею цикла Карно, и, как следствие, не зависит от свойств термодинамического вещества. За один градус термодинамической температуры принимают такую разность между температурой тела и температурой таяния льда, при которой производимая по обратному циклу Карно работа равна 1/100 части работы, совершаемой в цикле Карно между температурой кипения воды и таяния льда (при условии, что в обоих циклах количество теплоты, отдаваемой холодильнику, одинаково).

Из определения к.п.д. следует, что при максимальном значении h=1 должна быть равна нулю Т_х. Эта наименьшая температура была названа Кельвином абсолютным нулем. Температуру по термодинамической шкале обозначают «К».

Термодинамическая шкала температур, основанная на двух реперных точках, обладает недостаточной точностью измерения. Практически трудно воспроизвести температуры указанных точек, т.к. они зависят от давления, а также от содержания солей в воде. Поэтому Кельвин и Менделеев высказали соображение о целесообразности построения термодинамической шкалы температур по одной реперной точке.

Консультативный комитет по термометрии Международного комитета мер и весов в 1954 году принял рекомендацию о переходе к определению термодинамической шкалы с использованием одной реперной точки – тройной точки воды (точки равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах), которая легко воспроизводится в специальных сосудах с погрешность не более 0,0001 К. Температура этой точки принята равной 273, 16 К, т.е. выше температуры таяния льда на 0,01 К. Такое число выбрано для того, чтобы значения температур по новой шкале практически не отличались от старой шкалы Цельсия с двумя реперными точками. Второй реперной точкой является абсолютный нуль, который практически не реализуется, но имеет строго фиксированной положение.

В 1967 году XIII Генеральная ассамблея по мерам и весам уточнила определение единицы термодинамической температуры в следующей редакции: «Кельвин – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды». Термодинамическая температура может быть выражена также в градусах Цельсия: