История изобретения термометра и виды температур. Температурные шкалы

Материал данной статьи дает представление о таком важном понятии как температура. Дадим определение, рассмотрим принцип изменения температуры и схему построения температурных шкал.

Что такое температура

Температура – это скалярная физическая величина, описывающая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы тел.

Понятие температуры также применяют в качестве физической величины, определяющей степень нагретости тела, однако лишь такой трактовки для понимания смысла термина недостаточно. Все физические понятия находятся в связи с определенными фундаментальными законами и наделяются смыслом только в соответствии с этими законами. В данном случае термин температура связан с понятием теплового равновесия и с законом макроскопической необратимости.

Явление термодинамического равновесия тел, составляющих систему, говорит о наличии одинаковой температуры этих тел. Произвести замер температуры можно лишь косвенно, взяв за основу зависимость от температуры таких физических свойств тел, которые можно измерить непосредственно.

Определение 2

Вещества или тела, применяемые для получения значения температуры, называют термометрическими .

Допустим, два теплоизолированных тела приведены в тепловой контакт. Одно тело передаст другому поток энергии: запустится процесс теплопередачи. При этом тело, отдающее тепло, обладает соответственно большей температурой, чем тело, «принимающее» поток тепла. Очевидно, что через некоторое время процесс теплопередачи остановится и наступит тепловое равновесие: предполагается, что температуры тел выравниваются относительно друга, их значения будут находится где-то в интервале между исходными значениями температур. Таким образом, температура служит некоторой меткой теплового равновесия. Получается, что любая величина t , удовлетворяющая требованиям:

1. t 1 > t 2 , когда происходит теплопередача от первого тела ко второму;
2. t 1 " = t 2 " = t , t 1 > t > t 2 , при установлении теплового равновесия может приниматься за температуру.

Также отметим, что тепловое равновесие тел подчинено закону транзитивности.

Определение 3

Закон транзитивности : когда два тела находятся в равновесии с третьим, то и между собой они пребывают в тепловом равновесии.

Важной чертой указанного определения температуры является его неоднозначность. Выбрав по-разному величины, отвечающие установленным требованиям (что отразится на способах измерения температуры), возможно получить несовпадающие шкалы температур.

Определение 4

Температурная шкала – это способ деления на части интервала температуры.

Разберем пример.

Пример 1

Общеизвестным устройством для измерения температуры является термометр. Для рассмотрения возьмем термометры различного устройства. Первый представлен ртутным столбиком в капилляре термометра, и значение температуры здесь определяется длиной этого столбика, отвечающей условиям 1 и 2 , указанным выше.

И еще один способ измерить температуру: используя термопару – электрическую цепь с гальванометром и двумя спаями разнородных металлов (рисунок 1 ).

Рисунок 1

Один спай находится в среде с фиксированной температурой (в нашем примере это тающий лед), другой – в среде, температуру которой необходимо определить. Здесь признаком температуры является ЭДС термопары.

Указанные способы измерения температуры не дадут одинаковых результатов. И для перехода одной температуры к другой следует построить градуировочную кривую, которая установит зависимость ЭДС термопары от длины ртутного столбика. В этом случае равномерная шкала ртутного термометра преобразуется в неравномерную шкалу термопары (или наоборот). Равномерные шкалы измерения температур ртутного термометра и термопары создают две абсолютно различные температурные шкалы, на которых тело в одном и том же состоянии будет иметь различные температуры. Также возможно рассмотреть одинаковые по устройству термометры, но имеющие разные "термические тела" (к примеру, ртуть и спирт): мы не будем наблюдать совпадения температурных шкал и в этом случае. График зависимости длины ртутного столбика от длины спиртового столбика не будет линейным.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что понятие температуры, базирующееся на законах теплового равновесия, неоднозначно. Подобная температура является эмпирической, зависит от способа измерения. За «нуль» шкалы эмпирической температуры принимается произвольная точка. Согласно определению эмпирической температуры, физический смысл несет лишь разность температур или ее изменение. Любая эмпирическая температурная шкала приводится в вид термодинамической температурной шкалы при использовании поправок, которые учтут характер связи термометрического свойства с термодинамической температурой.

Для того, чтобы построить температурную шкалу для измерения, двум числовым значениям температуры присваивают две фиксированные реперные точки. После этого разность числовых значений, присвоенных реперным точкам, делится на выбранное произвольным образом необходимое количество частей, получая в результате единицу измерения температуры.

За исходные значения, используемые в качестве начала отсчета и единицы измерения, принимают температуры перехода химически чистых веществ из одного агрегатного состояния в другое, к примеру, температуру плавления льда t 0 и кипения воды t k при нормальном атмосферном давлении (П а ≈ 10 5 П а) . Величины t 0 и t k имеют разные значения в различных видах шкал измерения температуры:

• Согласно шкале Цельсия (стоградусная шкала): температура кипения воды t k = 100 ° C , температура плавления льда t 0 = 0 ° С. В шкале Цельсия температура тройной точки воды равна 0 , 01 ° С при давлении 0 , 06 а т м.

Тройная точка воды - такие температура и давление, при которых могут существовать в равновесии одновременно все три агрегатных состояния воды: жидкое, твердое (лед) и пар.

• Согласно шкале Фаренгейта: температура кипения воды t k = 212 ° F ; температура плавления льда t 0 = 32 ° С.

Разница температур, выраженных в градусах по шкале Цельсия и шкале Фаренгейта, нивелируется согласно следующему выражению:

t ° C 100 = t ° F - 32 180 или t ° F = 1 , 8 ° C + 32 .

Ноль на этой шкале определен как температура замерзания смеси воды, нашатыря и соли, взятых в пропорции 1: 1: 1 .

• Согласно шкале Кельвина: температура кипения воды t k = 373 К; температура плавления льда t 0 = 273 К. Здесь температура отсчитывается от абсолютного нуля (t = 273 , 15 ° С) и ее называют термодинамической или абсолютной температурой. Т = 0 К – такому значению температуры соответствует абсолютное отсутствие тепловых колебаний.

Значения температур по шкале Цельсия и по шкале Кельвина связаны между собой согласно следующему выражению:

T (K) = t ° C + 273 , 15 ° C .

• Согласно шкале Реомюра: температура кипения воды t k = 80 ° R ; температура плавления льда t 0 = 0 ° R . В термометре Реомюра использовался спирт; на данный момент шкала почти не используется.

Температуры, выраженные в градусах Цельсия и градусах по Реомюру, связаны так:

1 ° C = 0 , 8 ° R .

• Согласно шкале Ранкина: температура кипения воды t k = 671 , 67 ° R a ; температура плавления льда t 0 = 491 , 67 ° R a . Начало шкалы соответствует абсолютному нулю. Количество градусов между реперными точками замерзания и кипения воды в шкале Ранкина идентично шкале Фаренгейта и равно 180 .

Температуры по Кельвину и Ранкину связаны выражением:

° R a = ° F + 459 , 67 .

Градусы по Фаренгейту возможно перевести в градусы по Ранкину согласно формуле:

° R a = ° F + 459 , 67 .

Наиболее применима в быту и технических устройствах шкала Цельсия (единица шкалы – градус Цельсия, обозначаемый как ° C).

В физике же используют термодинамическую температуру, которая не просто удобна, но и несет глубокую физическую смысловую нагрузку, поскольку определена как средняя кинетическая энергия молекулы. Единица термодинамической температуры - градус Кельвина (до 1968 г.) или сейчас просто Кельвин (К) , являющийся одной из основных единиц в С И. Температура T = 0 К называется абсолютным нулем температуры, как уже упоминалось выше.

Вообще современная термометрия опирается на шкалу идеального газа: за термометрическую величину принимают давление. Шкала газового термометра абсолютна (T = 0 , p = 0) . При решении практических задач чаще всего приходится применять именно эту шкалу температур.

Пример 2

Принято, что комфортная для человека температура в помещении находится в интервале от + 18 ° С до + 22 ° С. Необходимо рассчитать границы интервала температуры комфорта согласно термодинамической шкале.

Решение

Возьмем за основу соотношение T (K) = t ° C + 273 , 15 ° C .

Произведем расчет нижней и верхней границ температуры комфорта по термодинамической шкале:

T = 18 + 273 ≈ 291 (K) ; T = 22 + 273 ≈ 295 (K) .

Ответ: границы интервала температуры комфорта по термодинамической шкале находятся в интервале от 291 К до 295 К.

Пример 3

Необходимо определить, при какой температуре показания термометров по шкале Цельсия и по шкале Фаренгейта будут одинаковы.

Решение

Рисунок 2

Возьмем за основу соотношение t ° F = 1 , 8 t ° C + 32 .

По условию задачи температур равны, тогда возможно составить следующее выражение:

x = 1 , 8 x + 32 .

Определим из полученной записи переменную x:

x = - 32 0 , 8 = - 40 ° C .

Ответ: при температуре - 40 ° С (или - 40 ° F) показания термометров по шкалам Цельсия и Фаренгейта будут одинаковы.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

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 t 1 и t 2 , представляющие собой температуры фазового равновесия чистых веществ. Разность температур t 2 - t 1 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 = V 1 при t = t 1 и V = V 2 при t = t 2 , после преобразования получим уравнение температурной шкалы:

В шкалах Фаренгейта, Реомюра и Цельсия точке плавления льда t 1 соответствовали +32 0 , 0 0 и0 0 , а точке кипения воды t 2 – 212 0 , 80 0 и 100 0 . Основной интервал t 2 – t 1 в этих шкалах делится соответственно на N = 180, 80 и 100 равных частей, и 1/N часть каждого из интервалов называют градусом Фаренгейта – t 0 F, градусом Реомюра t 0 R и градусом Цельсия t 0 C. 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

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 100 0 . 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:

t = T – 273,15 K (8)

История

Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества - теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково - градусами.

Из того, что температура - это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (т.е. в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах - градусах.

Шкала Кельвина

В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один кельвин равен 1/273.16 расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояния, при котором лёд, вода и водяной пар находятся в равновесии). Для пересчета кельвинов в энергетические единицы служит постоянная Больцмана. Используются также производные единицы: килокельвин, мегакельвин, милликельвин и т.д.

Шкала Цельсия

В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за −273,15 °C. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия - особая точка для метеорологии , поскольку замерзание атмосферной воды существенно всё меняет.

Шкала Фаренгейта

В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. В этой шкале на 100 градусов раздёлен интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела. Ноль градусов Цельсия - это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.

В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F - 32), то есть изменение температуры на 1 °F соответствует изменению на 5/9 °С. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724.

Шкала Реомюра

Предложенна в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.

Единица - градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками - температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)

1 °R = 1,25 °C.

В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

Сравнение температурных шкал

¹ Нормальная температура человеческого тела - 36.6 °C ±0.7 °C, или 98.2 °F ±1.3 °F. Приводимое обычно значение 98.6 °F - это точное преобразование в шкалу Фаренгейта принятого в Германии в XIX веке значения 37 °C. Поскольку это значение не входит в диапазон нормальной температуры по современным представлениям, можно говорить, что оно содержит избыточную (неверную) точность. Некоторые значения в этой таблице были округлены.

Сопоставление шкал Фаренгейта и Цельсия

( o F - шкала Фаренгейта, o C - шкала Цельсия)

Для перевода градусов цельсия в кельвины необходимо пользоваться формулой T=t+T 0 где T- температура в кельвинах, t- температура в градусах цельсия, T 0 =273.15 кельвина. По размеру градус Цельсия равен Кельвину.

Температурные шкалы

Первым устройством, созданным для измерения температуры, считают водяной термометр Галилея (1597 г.). Термометр Галилея не имел шкалы и был, по существу, лишь индикатором температуры. Полвека спустя, в 1641 г., неизвестным для нас автором был изготовлен термометр со шкалой, имеющей произвольные деления. Спустя еще полвека Ренальдини впервые предложил принять в качестве постоянных точек, характеризующих тепловое равновесие, точки плавления льда и кипения воды. При этом температурной шкалы еще не существовало. Первая температурная шкала была предложена и осуществлена Д.Г. Фаренгейтом (1724 г). Температурные шкалы устанавливались произвольным выбором нулевой и других постоянных точек и произвольным принятием интервала температуры в качестве единицы. Фаренгейт не был ученым. Он занимался изготовлением стеклянных приборов. Ему стало известно, что высота столба ртутного барометра зависит от температуры. Это навело его на мысль создать стеклянный ртутный термометр с градусной шкалой. В основу своей шкалы он положил три точки: 1 - "точка сильнейшего холода (абсолютный нуль)", получаемая при смешениях в определенных пропорциях воды, льда и нашатыря, и принятая им за нулевую отметку (по нашей современной шкале, равная примерно -17,8°С); 2- точка плавления льда, обозначенная им +32°, и 3 - нормальная температура человеческого тела, обозначенная +96° (по нашей шкале +35,6°С). Температура кипения воды первоначально не нормировалась и лишь позднее была установлена +212° (при нормальном атмосферном давлении).

Через несколько лет, в 1731 г. Р.А. Реомюр предложил использовать для стеклянных термометров спирт такой концентрации, который при температуре плавления льда заполнял бы объем в 1000 объемных единиц, а при температуре кипения расширялся бы до 1080 единиц. Соответственно температуру плавления льда Реомюр предложил первоначально обозначить 1000°, а кипения воды 1080 0 (позднее 0° и 80°).

В 1742 г. А. Цельсий, используя ртуть в стеклянных термометрах, обозначил точку плавления льда за 100°, а точку кипения воды за 0°. Такое обозначение оказалось неудобным и спустя 3 года Штремер (или возможно К. Линней) предложил изменить обозначения, принятые вначале Цельсием, на обратные. Был предложен и ряд других шкал. М. В. Ломоносов предложил жидкостный термометр со шкалой 150° в интервале от точки плавления льда до точки кипения воды.

И.Г. Ламберт (1779 г.) предлагал воздушный термометр со шкалой 375°, принимая за 1° одну тысячную часть расширения объема воздуха. Известны также попытки создать термометры на основе расширения твердых тел (П. Мушен-брук, 1725 г.)

Все предлагаемые температурные шкалы строились (за редким исключением) одинаковым путем: двум (по меньшей мере) постоянным точкам присваивались определенные числовые значения и предполагалось, что видимое термометрическое свойство используемого в термометре вещества линейно связано с температурой. Но в дальнейшем выяснилось, что термометры, построенные на базе различных термометрических веществ с равномерной градусной шкалой, давали при температурах, отличающихся от температур постоянных точек, различные показания. Последние становились особенно заметными при высоких (много больших температуры кипения воды) и очень низких температурах.

В 1848 г. Кельвин (У. Томсон) предложил построить температурную шкалу на термодинамической основе, приняв за нулевое значение температуру абсолютного нуля и обозначив температуру плавления льда +273,1°. Термодинамическая температурная шкала базируется на втором законе термодинамики. Как известно, работа в цикле Карно пропорциональна разности температур и не зависит от термометрического вещества. Один градус по термодинамической шкале соответствует такому повышению температуры, которое отвечает 1/100 части работы по циклу Карно между точками плавления льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Термодинамическая шкала тождественна шкале идеального газа, построенной на зависимости давления идеального газа от температуры. Законы изменения давления от температуры для реальных газов отклоняются от идеальных, но поправки на отклонения реальных газов невелики и могут быть установлены с высокой степенью точности. Поэтому, наблюдая за расширением реальных газов и вводя поправки, можно оценить температуру по термодинамической шкале.

По мере расширения научных наблюдений и развития промышленного производства возникла естественная необходимость установить какую-то единую температурную шкалу. Первая попытка в этом направлении была предпринята в 1877 г., когда Международный комитет мер и весов принял в качестве основной температурной шкалы стоградусную водородную шкалу. За нулевую отметку была принята точка таяния льда, а за 100° - точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении 760 мм. рт. ст. Температура определялась по давлению водорода в постоянном объеме. Нулевая отметка соответствовала давлению 1000 мм. рт. ст. Градусы температуры по этой шкале очень близко совпадали с градусами термодинамической шкалы, однако практическое применение водородного термометра ограничивалось из-за небольшого интервала температур примерно от -25 до +100°. В начале XX в. широко применялись шкалы Цельсия (или Фаренгейта - в англо-американских странах) и Реомюра, а в научных работах - также шкалы Кельвина и водородная.

Международная температурная шкала

При резко возросших потребностях в точной оценке температуры пересчеты с одной шкалы на другую создавали большие трудности и приводили к ряду недоразумений. Поэтому после нескольких лет подготовки и предварительных временных решений VIII Генеральная конференция мер и весов приняла в 1933 г. решение о введении Международной температурной шкалы (МТШ). Это решение было в законодательном порядке утверждено большинством развитых стран мира. В СССР Международная температурная шкала была введена с 1 октября 1934 г. (Общесоюзный стандарт ОСТ ВКС 6954).

Международная температурная шкала является практическим осуществлением термодинамической стоградусной температурной шкалы, у которой температура плавления льда и температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении соответственно-обозначены через 0° и 100°. МТШ основывается на системе постоянных, точно воспроизводимых температур равновесия (постоянных точек), которым присвоены числовые значения. Для определения промежуточных температур служат интерполяционные приборы, градуированные по этим постоянным точкам. Температуры, измеряемые по международной шкале, обозначаются через СС. В отличие от градусов шкалы Цельсия - базирующейся также на точках плавления льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении и имеющей обозначения 0° и 100°С, но построенной на иной основе (на линейной зависимости между температурой и расширением ртути в стекле), градусы по международной шкале стали называть "градусами международными" или "градусами стоградусной шкалы". Основные постоянные точки МТШ и присвоенные им числовые значения температур при нормальном атмосферном давлении приводятся ниже: (так же см. рис. №1):

а) температура равновесия между жидким и газообразным кислородом (точка кипения кислорода) - 182,96°

б) температура равновесия между льдом и водой, насыщенной воздухом (точка плавления льда) 0.000°

в) температура равновесия между жидкой водой и ее паром (точка кипения воды) 100,000°

г) температура равновесия между жидкой серой и ее паром (точка кипения серы) 414,60°

д) температура равновесия между твердым и жидким серебром (точка затвердевания серебра) 961.93°

е) температура равновесия между твердым и жидким золотом (точка затвердевания золота) 1064,43°

Рис. № 1 Международная температурная шкала

В настоящее время рекомендована к применению Международ­ная практическая температурная шкала МПШТ-68. Единицей тем­пературы утвержден Кельвин (К). Температуру, определяемую по этой шкале, называют термодинамической Т (например, T = 300 К).

Допускается использовать также температуру t по шкале Цель­сия, определяемую выражением

t = Т - 273,15. (2)

Эта температура выражается в градусах Цельсия °С (например, t = 20 °С). Кельвин и градус Цельсия имеют одинаковую величину и оба равны 1/100 разности температур кипения и замерзания воды при атмосферном давлении.

Шкалы Кельвина и Цельсия отличаются только точкой отсчета: нуль в шкале Кельвина сдвинут вниз на 273,15 К по сравнению со шкалой Цельсия. Температура по шкале Цельсия может быть отри­цательной t < 0 °С, тогда как термодинамическая температура всег­да положительна Т > 0. При приближении термодинамической тем­пературы к нулю (T > 0) внутри тела молекулы постепенно замед­ляют свое колебательное движение около состояния равновесия, и при Т = 0 оно прекращается.

Своеобразными «хранителями» температурных шкал являются постоянные температуры фазового равновесия между двумя или тремя фазами вещества: температуры кипения и затвердевания, температуры тройных точек. Эти значения температур называются опорными, реперными точками. Значения основных реперных точек МПШТ-68 приведены в табл. 1.

Таблица1. Основные реперные точки МПШТ-68

За рубежом до сих пор довольно часто применяются темпера­турные шкалы Фаренгейта (t , °F) и Ренкина (T, °R). Они выража­ются следующим образом через температуры Цельсия и Кельвина соответственно:

t °С = (t ° F - 32)/1,8; (3)

T = T ° R / 1,8 . (4)

4. Методы измерения температуры

Температура является мерой кинетической энергии составляю­щих тело молекул. Кинетическую же энергию составляю­щих тело молекул измерить невозможно. Поэтому для измерения температуры применяют косвенные методы, в которых используют зависимость каких-либо свойств вещества от температуры и по изменению этих свойств судят об изменении тем­пературы. Такими свойствами являются объем вещества, давление насыщенного пара, электрическое сопротивление, термоэлектродви­жущая сила, тепловое излучение и др.

Стеклянные жидкостные термометры. Принцип действия стек­лянных жидкостных термометров основан на температурном расши­рении жидкостей. Для того чтобы изменение объема жидкости при изменении температуры было отчетливо видно, обычно к заключен­ному в резервуар объему жидкости примыкает трубка с тонким ка­налом - капилляром. Свободная поверхность жидкости находится в этом капилляре, в результате чего небольшие температурные изме­нения объема жидкости вызывают значительное отчетливо наблюда­емое перемещение свободной поверхности мениска в капилляре. При известных температурах t 1 и t 2 определяются два положения мениска, после чего расстояние между ними делится на равные от­резки, числом равные t 1 - t 2 . Таким образом градуируется термо­метр, и только после нанесения этих делений на шкалу он может быть использован для измерения.

Стеклянные термометры можно применять для измерения темпе­ратур в интервале от -200 до +750 °С, но обычно до температур, не превышающих 150-200 °С. Для их заполнения, в зависимости от диапа­зона измеряемых температур, используются различные, обычно подкра­шиваемые жидкости: ртуть, толуол, этиловый спирт и т.д.

Недостатки жидкостных термометров: сравнительно большой размер, необходи­мость визуального определения температуры и невозможность представления показаний в виде электрического сигнала.

Термометры сопротивления. В термо­метрах сопротивления используется свойство изменения электрического сопротивления металлов при изменении его температуры. Термометры сопротивления применяются для измерения широкого диапазона темпе­ратур. Платиновый термометр сопротивле­ния является эталонным прибором для из­мерения температур в интервале от 13,81 до 903,89 К. Конструкция платинового термометра сопротивления представлена на рис. 2. Платиновая проволока диамет­ром 0,05-0,10 мм, свитая в спираль, уло­жена на кварцевом каркасе геликоидной формы. К концам спирали припаяны вы­воды из платиновой проволоки. Все ус­тройство помещено в защитную кварцевую трубку. Сопротивление платинового тер­мометра измеряют обычно потенциометрическим способом (принципиальная схе­ма приведена на рис. 3).

Рис. 2. Платиновый термометр сопротивления: а - чувствительная часть, б - головка термометра; 1 - защитная кварцевая трубка; 2 - кварцевый каркас; 3 - спираль из платиновой проволоки; 4 - платиновые выводы; 5 - контактные винты; 6 - изоляционная прокладка

Вместо платины в термометрах сопротивления можно применять и другие металлы или полупроводниковые материалы. Основным недостатком термометров сопротивления являются достаточно большие габариты чувствительной части.

Рис. 3. Принципиальная схема измерения сопротивления платинового термометра:

1 - потенциометр

Термоэлектрические термометры. Термоэлектрические термо­метры (термопары) получили широкое распространение как в лабо­раторной практике, так и в промышленном производстве. Это объясняется их уникальными свойствами.

Термопара представляет собой два разнородных металлических проводника (проволочки различных металлов), составляющих общую электрическую цепь. Если температуры мест соединений (спаев) про­водников t 1 и t 2 неодинаковы, то возникает термоЭДС и по цепи проте­кает электрический ток. Причиной возникновения термоЭДС является различная плотность свободных электронов в различных металлах при одинаковой температуре. ТермоЭДС тем больше, чем больше разность температур спаев. По величине термоЭДС судят о разности температур спаев.

Электродами термопары являются проволока диаметром 0,1-3,2 мм. Используются следующие термопары: платинородий-платиновая (от 0 до 1300 °С), платинородиевая (от 300 до 1600 °С), вольфрамрениевая (от 0 до 2200 °С), хромель-алюмелевая (от -200 до 1000 °С), хромель-копелевая (от -50 до 600 °С), медь-копелевая (от -200 до 100 °С) и другие.

При измерении температуры один спай цепи термопары, так на­зываемый холодный спай, находится при 0 °С (в тающем льде в со­суде Дьюара), а другой - горячий спай - в среде, температуру которой нужно измерить. Таблицы термоЭДС термопар составлены именно для этого случая. Если по каким-либо причинам не удается поместить холодный спай в среду с температурой 0 °С и он нахо­дится при комнатной температуре (например при 20 °С), то в этом случае возникающая термоЭДС соответствует разности температур горячего и холодного спаев и при определении температуры нужно ввести поправку на холодный спай. Для этого необходимо измерен­ную термоЭДС сложить с термоЭДС, соответствующей температуре холодного спая (20 °С), и по полученному значению определить температуру при помощи таблиц.

По схеме соединения различают термопары с одним и двумя хо­лодными спаями.

Рис.4. Типы термопар: 1 –горячий спай; 2 – холодный спай

Схема термопары с одним холодным спаем изображена на рис. 4,а. Вся цепь выполняется из двух разнородных проводников. В цепь включен милливольтметр для измерения термоЭДС.

Схема с двумя холодными спаями представлена на рис. 4,6. Отличие этой схемы от первой заключается в том, что в цепь термопары вводятся медные провода. Медные провода изображены сплошной линией. Такая схема обычно и используется на практике ввиду того что измерительный прибор может находиться на значительном удалении от места измерения температуры.

Существенным достоинством термопар и термометров сопротивления является то, что они преобразуют значения измеряемой температуры в величину электрического сигнала. Это дает возможность передавать сигнал на большие расстояния, а также использовать его в качестве управляющего сигнала в системах автоматического регулирования и управления.

Инфракрасные термометры. Инфракрасные термометры содержат высокочувствительный датчик, который преобразует энергию инфракрасного (теплового) излучения поверхности объекта в электрический сигнал. Затем эта информация преобразуется в температурные данные, выводимые в цифровом виде на дисплей. Количественное соотношение между интенсивностью теплового излучения поверхности и ее температурой устанавливается законом Стефана-Больцмана для теплового излучения. Диапазон измерения температуры таким прибором от -50 о С до 1500 о С.

Инфракрасный термометр позволяет измерять температуру поверхности бесконтактным способом и на значительном расстоянии. Это делает его особенно удобным в тех случаях, когда другие методы измерения температуры непригодны. Например, если нужно измерить температуру движущегося предмета, поверхности под напряжением или труднодоступной поверхности. Прибор обычно изготавливается в форме пистолета. Для выбора точки измерения температуры на поверхности используется лазерный целеуказатель.