Температурные шкалы. ТермометрыПри практическом нахождении температуры приходится пользоваться какой-либо определенной шкалой. Эмпирические температурные шкалы связаны с тем или иным веществом, используемым в качестве термометрического тела (основная часть термометра). В жидкостных термометрах используется какая-либо жидкость (спирт, ртуть и др.), в термопарных термометрах – термопара и т. д. Термометрическим параметром (индикатором температуры) служит в жидкостных термометрах объем жидкости, в термопарных – электродвижущая сила, возникающая при разных температурах между спаями термопары. При построении шкалы выбираются две реперные температурные точки, которым приписывается определенная разность температур. Важнейшими требованиями, предъявляемыми к термометру, являются его чувствительность, точность измерений и их воспроизводимость. До 1954 г. температурная шкала строилась по нормальным точкам плавления льда и кипения воды (при нормальном атмосферном давлении 101325 Па). Разность температур в этих точках принималась равной 100 ˚, а зависимость между температурой и термометрическим параметром полагалась линейной. Например: V = V 0(1 + α t) или p = p 0(1 + β t). (7.1)
Так была введена шкала температур по Цельсию. Недостатком этой шкалы и других, подобных ей, является то, что для разных термометрических веществ показания термометров совпадают только в выбранных реперных точках (для шкалы по Цельсию – при 0 и 100˚). Во всех остальных точках показания термометров будут разные. Эта неоднозначность устраняется, если в качестве термометрического вещества использовать достаточно разреженные газы, которые по своим свойствам близки к идеальному газу. В частности, разреженные газы подчиняются закону Бойля–Мариотта: произведение объема данной массы газа на его давление зависит только от температуры. Это произведение можно принять за термометрический параметр. Таким путем приходят к идеально-газовой шкале температур. Идеально-газовая температура – это температура, отсчитываемая по газовому термометру, наполненному сильно разреженным газом. Газовый термометр можно реализовать двумя способами. В одном способе поддерживается постоянное давление газа, и измерение температуры сводится к измерению объема. В другом – поддерживается постоянный объем, давление служит индикатором температуры. Соответствующие коэффициенты α и β не зависят от температуры и природы газа. Можно ввести температуру T = t – t 0, где t 0 зависит от способа реализации газового термометра. В первом способе t 0 = –1 / α и
V = V 0(1 + α t) = α V 0 T. (7.2)
При втором способе аналогично p = β p 0 T. Эта зависимость поясняется на рис. 1.
Для всех идеальных газов коэффициенты α и β одни и те же. Газовые термометры, наполненные различными газами, дают весьма близкие результаты. Этим объясняется предпочтение, отдаваемое идеально-газовой шкале температур. При реализации газового термометра второй способ удобнее, а потому и применяется на практике. Среди различных термометров газовый, в котором индикатором температуры является давление газа при постоянном его объеме, стоит вне конкуренции по чувствительности, точности измерений и воспроизводимости результатов. Однако устройство его и работа с ним довольно сложны. Основное назначение газовых термометров состоит в том, что по ним градуируются другие термометры. Применение газовых термометров ограничено температурами порядка тысячи и нескольких тысяч градусов из-за диссоциации, ионизации молекул, атомов, а также из-за других явлений. При низких температурах ограничение связано с конденсацией газов. Но и при обычных температурах термометры, наполненные различными газами, дают хотя и близкие, но не вполне совпадающие результаты. Рациональная температурная шкала не должна зависеть от индивидуальных свойств термометрического вещества. Этому требованию удовлетворяет абсолютная термодинамическая шкала температур, построенная на основании второго начала термодинамики. Эту шкалу предложил В. Томсон (лорд Кельвин) в 1848 г. В его честь ее называют шкалой Кельвина. Однако там, где пригоден газовый термометр, она практически не отличается от идеально-газовой шкалы температур. В интервале от 4 до 1338 K (точка затвердевания золота) абсолютная термодинамическая шкала практически осуществляется с помощью газового термометра. Из приведенного выше рисунка видно, что для построения идеально-газовой шкалы температур достаточно выбрать одну реперную точку. Экспериментальные исследования показали, что тройная точка воды (в которой сосуществуют одновременно три фазы: лед, вода и пар) воспроизводится лучше, чем нормальные точки плавления льда и кипения воды. Было принято международное соглашение строить температурную шкалу по одной реперной точке – тройной точке воды. В абсолютной термодинамической шкале температура этой точки принимается равной строго 273,16 К. Такое численное значение этой температуры выбирается с тем, чтобы промежуток между нормальными точками плавления льда и кипения воды составлял с максимально возможной точностью 100˚, если пользоваться газовым термометром. Измерения показали, что в этой шкале температуры названных нормальных точек равны приблизительно 273,15 и 373,15 К.
|
