Понятие о температуре и о температурных шкалах

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ  И ПОНЯТИЯ 

Понятие о температуре  и о температурных шкалах

Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюдатемпературой называют условную статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела.

По второму закону термодинамики  температуру Т можно определить из отношения температур Т₁ и Т₂ и отношения соответствующих количеств тепла Q₁ и Q₂, полученного и отданного в цикле Карно:

Отсюда можно установить численные значения температуры, если принять некоторые значения ее для  двух основных реперных точек. Поэтому  температурой можно назвать меру отклонения термодинамического состояния тела от произвольно выбранного состояния теплового равновесия.

Температура не поддается  непосредственному измерению. Поэтому о состоянии теплового равновесия и о значении температуры судят по изменению физических свойств тел.

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* (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, изменить 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 t:

где k— коэффициент пропорциональности;

Е — термометрическое свойство;

D — постоянная.

Принимая для двух постоянных точек определенные значения температур, можно вычислить постоянные k и Dи на этой основе построить температурную шкалу. К сожалению, как выяснилось позднее, коэффициент k нельзя было считать постоянным. При изменении температуры коэффициент k меняется, причем различно для разных термометрических веществ. Поэтому 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. 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:

а) температура равновесия между жидким и газообразным кислородом (точка кипения   кислорода -182,97

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)  960.5⁰

е) температура равновесия  между твердым и жидким золотом (точка затвердевания золота) 1063,0°

Для постоянных точек по пунктам а, в, г, в ОСТ ВКС 6954 даются формулы определения значений температур при атмосферных давлениях, отличающихся от нормальных. Там же приведены формулы и правила интерполяции и экстраполяции температур от —190° и до неограниченно высоких.

Чтобы наглядно представить  расхождения между МТШ и шкалой Цельсия, приведем сравнительную таблицу значений температуры для одинаковых условий измерения по данным М. М. Попова . Как видно из табл. 1, эти расхождения при высоких температурах (более 200°С) имеют весьма большие значения.

Таблица   1

Значения температур в одинаковых условиях измерения

Градусы международные, "С	Градусы Цельсия. °Ц
	По ртутным термометрам» палочным из Иенского стекла, марки
	16"	59"	1565"
— 30	— 30,28	— 30,13	—
0	0,00	0,00	0,00
+ 50	+ 50,12	+ 50,03	+ 50,05
100	100,00	100,00	100,00
200	200,29	200,84	200,90
300	302,7	304,4	303,9
500	—	526,9	523,1
700	—	—	775

Современная Международная  температурная шкала

Опыт применения Международной  температурной шкалы показал на необходимость внесения в нее ряда уточнений и дополнений, чтобы по возможности максимально приблизить ее к термодинамической шкале.

В 1948 г. МТШ была пересмотрена и приведена в соответствие •с состоянием знаний того времени. В 1960 г. Международный комитет мер и весов принял исправленные числовые значения температур шкалы 1948 г. и утвердил новое  «Положение  о   международной практической  температурной шкале  1948 г. Редакция 1960 г.». 

 

Рис. 1. Схема   фазовых   состояний воды   (в   безмасштабном изображении): ж _ зона жидкой фазы; П — зона паровой фазы; К — зона кристаллической фазы; 1 — тройная точка; 2 — точка плавления льда; 3 — точка кипения воды

 

Международная практическая температурная шкала    (МПТШ), так же как   и МТШ,  базируется на  шести постоянных  первичных точках.   Однако   в   МПТШ были внесены следующие уточнения;

1)  вместо точки плавления льда рекомендуется в качестве постоянной точки использовать лучше воспроизводимую точку равновесия между льдом, жидкой водой и водяным паром  (тройную точку воды), которой присваивалось численное значение +0,01° (рис. 1); точка плавления льда

с присвоенным ей числовым значением 0,000° была отнесена  к категории вторичных постоянных точек;

2)   температуре равновесия между твердым и жидким серебром (точке затвердевания серебра) присваивалось новое  числовое значение 960,8°;

3)   все постоянные точки  (кроме тройной точки воды)  определяются в состоянии равновесия при одной нормальной атмосфере, равной давлению 101 325 н/м²;

4)   вместо точки кипения серы рекомендуется применять точку равновесия между твердым и жидким цинком   (точка затвердевания цинка), которой присваивается значение 419,505°С.

Температуры по МПТШ выражаются в градусах Цельсия, обозначаемых °С или, когда требуется особо подчеркнуть, что температуры даются по МПТШ — °С (межд. 1948), что соответственно обозначается символами t и t_межд. Для термодинамической шкалы Кельвина температуры обозначаются символом Т, а числовые значения сопровождаются значком °К. Температура тройной точки принимается равной 273,16°К.

За 25 лет применения Международной  температурной шкалы (МТШ), старая шкала  Цельсия, основанная на использовании  линейной зависимости между температурой и видимым расширением ртути, вышла из употребления. Это позволило градусы по МПТШ называть градусами Цельсия, хотя от старой шкалы Цельсия в МПТШ остались лишь две постоянные точки: плавления льда и кипения воды с присвоенными им значениями 0 и 100°С.

 

Таблица   2

Некоторые определяющие постоянные точки МПТШ-68

 
 

№ точки	Состояния равновесия	Присвоенные значения температуры
		К	0С
1	Между твердой, жидкой и газообразной  фазами равновесного водорода (тройная точка равновесного водорода)	13,81	-59,34
6	Между жидкой и газообразной фазами кислорода (точка кипения кислорода)	90,188	-182,962
7	Между твердой, жидкой и парообразной фазами воды (тройная точка воды)	273,16	0,01
8	Между жидкой и парообразной фазами воды (точка кипения воды)	373,15	100
9	Между твердой    и    жидкой    фазами    цинка (точка затвердевания цинка)	692,73	419,58
10	Между твердой    и жидкой    фазами    серебра (точка затвердевания серебра)	1235,08	961,93
11	Между твердой    и   жидкой    фазами    золота (точка затвердевания золота)	1337,58	1064,43