Методы измерения температуры

Методы измерения температуры

     Для определения значения температуры какого-либо тела необходимо выбрать эталон температуры, то есть тело, которое при определённых условиях, равновесных и достаточно легко воспроизводимых, имело бы определённое значение температуры. Это значение температуры является реперной точкой соответствующей шкалы температур - упорядоченной последовательности значений температуры, позволяющей количественно определять температуру того или иного тела. Температурная шкала позволяет косвенным образом определять температуру тела путем прямого измерения какого-либо его физического параметра, зависящего от температуры.

     Наиболее часто при получении шкалы температур используются свойства воды. Точки таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении выбраны в качестве реперных точек в современных (но не обязательно изначальных) температурных шкалах, предложенных Андерсом Цельсием (1701 - 1744), Рене Антуаном Фершо Реомюром (1683 - 1757), Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом (1686 - 1736). Последний создал первые практически пригодные спиртовой и ртутный термометры, широко используемые до сих пор. Температурные шкалы Реомюра, ⁰Re и Фаренгейта, ⁰F применяют в настоящее время в США, Великобритании и некоторых других странах.

     Введенную в 1742 году температурную шкалу Цельсия, который предложил температурный интервал между температурами таяния льда и кипения воды при нормальном давлении (1 атм или 101 325 Па) разделить на сто равных частей (градусов Цельсия), широко используют и сегодня, правда в уточненном виде, когда один градус Цельсия считается равным одному кельвину (см. ниже). При этом температура таяния льда берется равной 0 ^oC, а температура кипения воды становится приблизительно равной 99,975 ^oC. Возникающие при этом поправки, как правило, не имеют существенного значения, так как большинство используемых спиртовых, ртутных и электронных термометров не обладают достаточной точностью (поскольку в этом обычно нет необходимости). Это позволяет не учитывать указанные, очень небольшие поправки.

     После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы.

Первая шкала - термодинамическая, которая не зависит от свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно.

Теоретический цикл Карно состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов. Когда подвод теплоты Q₁ в цикл осуществляется при постоянной температуре Т₁ и отвод теплоты Q₂ – при меньшей температуре Т₂, то совершенная в цикле работа определяется разностью Q₁ – Q₂. Термический к.п.д. цикла Карно расчитывается по формуле:

η = (Q₁ - Q₂) / Q₁ = (Т₁ – T₂) / T₁

или можно записать

1 - Q₂ / Q₁ = 1 - T₂ / T₁
Если Т₂ =0, то и Q₂ = 0 и цикл должен бы иметь максимальный к.п.д., т.е. равный единице или 100%. Отсюда вытекает понятие абсолютного нуля температурной шкалы. С точки зрения термодинамики абсолютный нуль – это такое состояние, когда движение молекул в веществе полностью прекращается.

Если известна температура теплоисточника Т₁, то можем вычислить и температуру теплоприемника Т₂:

Т₂ = Т₁ ∙ (Q₂ / Q₁ )

Из последнего выражения следует, что температуру термодинамического тела можно определить, зная температуру теплоисточника Т₁ и количества подведенной в процесс и отведенной из процесса теплоты в цикле Карно. Это является теоретической предпосылкой для создания температурной шкалы, поскольку на практике трудно реализовать идеальный цикл Карно и трудно точно измерить количества подведенной и отведенной теплоты. Представленная формула показывает принципиальную возможность определения температурной шкалы только лишь через одну температуру, т.е. работа, совершенная в цикле зависит лишь от температуры теплоисточника Т₁ и теплоприемника Т₂.

Отметим, что единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин (1 К), одна из семи основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина) (1824 - 1907), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия.
Температуры кипения, замерзания и тройной точки воды в различных температурных шкалах: