Температурные шкалы

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР

Температура — важнейший параметр химико-технологи­ческих процессов. В химической промышленности весьма широк диапазон контролируемых температур и разнообразны условия их измерения, поэтому применяют разнообразные методы измере­ния и измерительные приборы. Температура. тела характеризует степень нагретости, которая определяется внутренней кинетиче­ской энергией теплового движения молекул. Температуру можно определить как параметр теплового состояния. При контакте тел (газ, жидкость, твердое тело) теплота от одного из них переходит к другому до тех пор, пока значения средней кинетической энер­гии движения молекул этих тел не будут равны. Для сравнения степени нагретости тел используют изменение какого-либо физи­ческого их свойства, зависящего от температуры и легко подда­ющегося измерению (например, объемное расширение жидкости, изменение электрического сопротивления металла и т. д.).

Чтобы перейти к количественному определению температуры, необходимо установить шкалу температур, т. е. выбрать начало отсчета (нуль температурной шкалы) и единицу измерения темпе­ратурного интервала (градус).

Температурные шкалы, применяемые до введения единой тем­пературной шкалы (см. ниже), представляют собой ряд отметок внутри температурного интервала, ограниченного двумя легко воспроизводимыми постоянными (основными реперными или опор­ными) точками кипения и плавления химически чистых веществ. Эти температуры принимали равными произвольным числовым значениям t' и t''. Таким образом 1 град = (t' - t'')/n, где t' и t'' — две постоянные легко воспроизводимые температуры; п — целое число, на которое разбит температурный интервал.

Для разметки температурной шкалы чаще всего использовали объемное расширение тел при нагревании, а за постоянные точки принимали температуры кипения воды и таяния льда. На этом принципе основаны температурные шкалы, созданные Ломоносо­вым, Фаренгейтом, Реомюром и Цельсием. При построении этих, шкал была принята линейная зависимость между объемным расширением жидкости и температурой, т.е.

где k — коэффициент пропорциональности (соответствует отно­сительномутемпературному коэффициенту объемного расшире­ния).

Интегрирование уравнения дает

где D — постоянная интегрирования.

Для определения постоянных k и D используют две выбранные температуры t и t". Приняв при температуре t' объем V', а при температуре t" объем V", получим

Вычтя получим

выполнив пре­образование, получим

где t' и t" — температура соответственно таяния льда и кипения воды при нормальном давлении и ускорении свободного падения 980,665 см/с²; V' и V" — объемы жидкости, соответствующие температурам t' и t"; V — объем жидкости, соответствующий тем­пературе t.

Уравнение называется уравнением шкалы температур.

В природе нет жидкостей с линейной зависимостью между коэффициентом объемного расширения и температурой, поэтому показания термометров зависят от природы термометрического вещества (ртути, спирта и т. п.).

С развитием науки и техники возникла необходимость в созда­нии единой температурной шкалы, не связанной с какими-либо частными свойствами термометрического вещества и пригодной в широком интервале температур. В 1848 г. Кельвин, исходя из второго начала термодинамики, предложил определять темпера­туру на основании равенства

где Т₁ и Т₂ — температура соответственно холодильника и нагре­вателя; Q₁ и Q₂ — количество теплоты, соответственно полученной рабочим веществом от нагревателя и отданной холодильнику (для идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно).

Пусть Т₂ равно температуре кипения воды (Т₁₀₀), а Т₁ — тем­пературе таяния льда (Т₀); тогда, приняв разность Т₂ — Т₁ = 100 град и обозначив количества теплоты, соответствующие этим температурам, через Q₁₀₀ и Q₀, получим Т₁₀₀ = Q₁₀₀ * 100/(Q₁₀₀ - Q₀); Т₀ = Q₀*100/ (Q₁₀₀ - Q₀).

При любой температуре нагревателя

Уравнение является уравнением термодинамической шкалы температур, которая не зависит от свойств термометриче­ского вещества.

В термодинамической шкале Кельвина нижней точкой яв­ляется точка абсолютного нуля (0 К), а единственной экспери­ментальной основной точкой — тройная точка воды. Этой точке соответствует значение 273,16 К. Тройная точка воды (темпера­тура равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах) выше точки таяния льда на 0,01 град. Термодинамическую шкалу называют абсолютной, если в ней за нуль принята точка на 273,16 К ниже точки плавления льда.

Строго говоря, осуществить шкалу Кельвина невозможно, так как уравнение ее выведено из идеального цикла Карно. Термо­динамическая шкала температур совпадает со шкалой газового термометра, заполненного идеальным газом. Известно, что не­которые реальные газы (водород, гелий, неон, азот) в широком интервале температур по своим свойствам сравнительно мало от­личаются от идеального газа. Так, шкала водородного термометра (с учетом поправки на отклонение свойства реального газа от идеального) представляет собой практически термодинамическую шкалу температур.

Газовые термометры — весьма точные приборы для измерения температур, но работа с ними чрезвычайно сложна, а диапазон измерения температуры относительно узок. Они не получили ши­рокого практического применения. В связи с этим возникла необходимость разработки такой практической температурной шкалы, которая, совпадая с термодинамической и одновременно позволяя расширить температурный диапазон, была бы удобна при измерениях и обеспечивала надежность воспроизведения.

Такими свойствами обладает международная практическая температурная шкала, основанная на ряде воспроизводимых равновесных состояний, которым соответствуют определенные значения температур (основные реперные точки), и на эталонных приборах, градуированных при этих температурах. В интервале между температурами основных реперных точек интерполяцию выполняют по формулам, устанавливающим связь между пока­заниями эталонных приборов и значениями международной прак­тической температурной шкалы. Основные реперные точки ре­ализуются как определенные состояния фазовых равновесий некоторых чистых веществ и охватывают интервал температур 259,34 °С (тройная точка равновесия водорода) до +1064,43 °С (точка затвердевания золота).

Эталонным прибором, используемым в области температур от —259,34 до +630,74 °С, является платиновый термометр сопро­тивления, от +630,74 до +1064,43 °С — термоэлектрический тер­мометр с термоэлектродами из платинородия (10 % родия) и пла­тины. Для области температур выше 1064,43 °С температуру по международной практической шкале определяют в соответствии с законом излучения Планка.

Температуру, измеряемую по международной практической шкале, обозначают буквой t, а числовые значения сопровождают знаком °С.

По обеим шкалам (термодинамической и международной) температуру' можно выразить как в К, так и в °С в зависимости от начала отсчета (положения нуля) по шкале. Температура по термодинамической шкале связана с температурой по между­народной практической шкале соотношением Т = t + 273,15.

На IX Генеральной конференции по мерам и весам в 1948 г. международная практическая температурная шкала была названа шкалой Цельсия. Для международной практической шкалы тем­ператур и шкалы Цельсия общей является одна постоянная точка (температура кипения воды); во всех остальных точках эти шкалы существенно различаются, особенно при высоких температурах.