Глава 1. Осовные физические понятия температура

 

Температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Практически все технологические процессы и различные свойства вещества зависят от температуры.

Измерять температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. Эти свойства называются термометрическими. К ним относятся длина, объем, плотность, термоЭДС, электрическое сопротивление и т.д. Вещества, характеризующиеся термометрическими свойствами, называются термометрическими.

Средства измерений температуры называют термометрами. Для создания термометра необходимо иметь температурные шкалы.

Температурной шкалой называют конкретную функциональную числовую связь температуры со значениями измеряемого термометрического свойства. Первые температурные шкалы (см. таблицу 1.1) основывались на допущении линейной связи между температурой и термометрическим свойством, в качестве которого использовалось расширение объема жидкости.

Для построения температурной шкалы выбирались две опорные (реперные) точки t1 и t2, представляющие собой температуры фазового равновесия чистых веществ. (t2 – t1) – называется температурным интервалом. В шкалах Фаренгейта (1715 г.), Цельсия (1742 г.) и Реомюра (1776 г.) точка плавления льда t1 равна соответственно +32 оF, 0 oC, 0 oR, а точка кипения воды t2 – 212 oF, 100 oC, 80 oR. (t2 – t1) в этих шкалах делится соответственно на N = 180, 100, 80 равных частей. И 1/N часть каждого из интервалов называется градусом Фаренгейта – оF, градусом Цельсия – о С и градусом Реомюра – оR. Таким образом, градус для этих шкал не является единицей измерения, а представляет собой единичный промежуток – масштаб шкалы. Поэтому такие шкалы называются условными.

Температурные шкалы

Температурные шкалы, способы деления на части интервалов температуры, измеряемых термометрами по изменению какого-либо удобного для измерений физического свойства объекта, при прочих равных условиях однозначно зависящего от температуры (объёма, давления, электрического сопротивления, интенсивности излучения, показателя преломления, скорости звука и др.) и называемого термометрическим свойством. Для построения шкалы температур приписывают её численные значения двум фиксированным точкам (реперным точкам температуры), например точке плавления льда и точке кипения воды. Деля разность температур реперных точек (основной температурный интервал) на выбранное произвольным образом число частей, получают единицу измерения температуры, а задавая, опять-таки произвольно, функциональную связь между выбранным термометрическим свойством и температурой, получают возможность вычислять температуру по данной температурной шкале.

Ясно, что построенная таким способом эмпирическая температурная шкала является произвольной и условной. Поэтому можно создать любое число температурных шкал, различающихся выбранными термометрическими свойствами, принятыми функциональными зависимостями температуры от них (в простейшем случае связь между термометрическим свойством и температурой полагают линейной) и температурами реперных точек.

Примерами температурных шкал служат Цельсия, Реомюра, Фаренгейта, Ранкина и Кельвина.

Пересчёт температуры от одной температурной шкалы к другой, отличающейся термометрическим свойством, невозможен без дополнительных экспериментальных данных.

Принципиальный недостаток эмпирических температурной шкал — их зависимость от выбранного термометрического свойства — отсутствует у абсолютной (термодинамической) температурная шкалы.

Шкала Кельвина.

Кельвин (обозначение: K) — единица термодинамической температуры в Международной системе единиц (СИ), одна из семи основных единиц СИ. Предложена в 1848 году. Один кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды*. Начало шкалы (0 К) совпадает с абсолютным нулём**.

Пересчёт в градусы Цельсия: °С = K−273,15 (температура тройной точки воды — 0,01 °C).

Единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона, которому было пожаловано звание лорд Кельвин Ларгский из Айршира. В свою очередь, это звание пошло от реки Кельвин (River Kelvin), протекающей через территорию университета в Глазго.

До 1968 года кельвин официально именовался градусом Кельвина.

Шкала Реомюра.

Градус Реомюра (°R) — единица измерения температуры, в которой температура замерзания и кипения воды приняты за 0 и 80 градусов, соответственно. Предложен в 1730 году Р. А. Реомюром. Шкала Реомюра практически вышла из употребления.

По ожиданиям Реомюра спирт расширяется приблизительно на 8% (на 8,4% по расчёту: коэффициент расширения спирта 0,00108 К-) при нагреве от температуры таяния льда до температуры кипения (≈78 градусов Цельсия). Поэтому эту температуру Реомюр установил как 80 градусов на своей шкале, на которой одному градусу соответствовало расширение спирта на 1 тысячную, а ноль шкалы был выбран как температура замерзания воды. Однако, из-за того, что в качестве жидкости в те времена использовались не только спирт, но и различные его водные растворы, то многими изготовителями и пользователями термометров ошибочно считалось, что 80 градусов Реомюра это температура кипения воды. И после повсеместного внедрения ртути в качестве жидкости для термометров, а также появления и распространения шкалы Цельсия, к концу 18 века шкала Реомюра была переопределена таким образом окончательно. Из равенства 100 градусов Цельсия = 80 градусов Реомюра получается 1 °C = 0,8 °R (соответственно 1 °R = 1,25 °C). Хотя на самом деле на оригинальной шкале Реомюра должно быть 1 °R = 0,925 °C. Ещё при жизни Реомюра были проведены измерения точки кипения воды в градусах его шкалы (но не со спиртовым термометром — это было невозможно). Жан Тийе в присутствии Жана-Антуана Нолле получил значение 85. Но все последующие измерения дали величины от 100 до 110 градусов. Если использовать вышеупомянутые современные данные, то для точки кипения воды в градусах Реомюра получается значение 108. (В 1772 г. во Франции в качестве стандартной была принята температура кипения воды, равная 110 градусов Реомюра).

Шкала Цельсия.

Градус Цельсия (обозначение: °C) — широко распространённая единица измерения температуры, применяется в Международной системе единиц (СИ) наряду с кельвином.

Градус Цельсия назван в честь шведского учёного Андерса Цельсия, предложившего в 1742 году новую шкалу для измерения температуры.

Первоначальное определение градуса Цельсия зависело от определения стандартного атмосферного давления, потому что и температура кипения воды и температура таяния льда зависят от давления. Это не очень удобно для стандартизации единицы измерения. Поэтому после принятия кельвина K, в качестве основной единицы измерения температуры, определение градуса Цельсия было пересмотрено.

Шкала Фаренгейта.

Градус Фаренгейта (обозначение: °F) — единица измерения температуры. Назван в честь немецкого учёного Габриеля Фаренгейта, предложившего в 1724 году шкалу для измерения температуры.

На шкале Фаренгейта точка таяния льда равна +32 °F, а точка кипения воды +212 °F (при нормальном атмосферном давлении). При этом один градус Фаренгейта равен 1/180 разности этих температур. Диапазон 0…+100 °F по шкале Фаренгейта примерно соответствует диапазону −18…+38 °C по шкале Цельсия. Ноль на этой шкале определяется по температуре замерзания смеси воды, соли и нашатыря (1:1:1), а за 96 °F принята нормальная температура человеческого тела.

Шкала Ранкина.

Шкала Ранкина (измеряется в градусах Ранкина — °Ra) — абсолютная температурная шкала, названа по имени шотландского физика Уильяма Ранкина (1820—1872). Используется в англоязычных странах для инженерных термодинамических расчётов.

Шкала Ранкина начинается при температуре абсолютного нуля, точка замерзания воды соответствует 491,67°Ra, точка кипения воды 671,67°Ra. Число градусов между точками замерзания и кипения воды по шкале Фаренгейта и Ранкина одинаково и равно 180.

Соотношение между кельвином и градусом Ранкина: 1 K = 1,8 °Ra, градусы Фаренгейта переводятся в градусы Ранкина по формуле °Ra = °F + 459,67. Число градусов между точками замерзания и кипения воды по шкале Фаренгейта и Ранкина одинаково и равно 180. Этим она отличается от абсолютной шкалы Кельвина, где 1 кельвин соответствует 1°С.