Единица температуры системы СИ – Кельвин

 

Понятие температуры возникло из необходимости характеризовать состояния тел по ощущениям человека «тепло - холодно». Поскольку многие виды измерений связаны с человеческими ощущениями, тепловые характеристики среды занимают такое важное место, что специалисты договорились ввести независимую произвольно выбранную (основную) единицу. Во многих книгах понятие температуры отождествляется с понятием энергии теплового движения. На самом же деле температура и тепловая энергия величины связанные, но не тождественные.

С точки зрения рассмотрения всей совокупности физических величин и единиц правильнее всего температуру определить как основную физическую величину международной системы единиц СИ, характеризующую человеческое ощущение тепло - холодно и определяющую параметры состояния идеального газа, коэффициент полезного действия идеального термодинамического цикла Карно, законы излучения черного тела и распределение атомов по уровням энергии. Из такого определения температуры следует, что это во многих отношениях универсальная физическая величина. Отметим, что в данном определении речь идет о термодинамической температуре.

В ряде разделов физики, в особенности при рассмотрении излучения нагретых тел, кроме понятия термодинамическая температура используются радиационная, яркостная и цветовая температуры. Поскольку на практике невозможно сравнивать характеристики теплового излучения в бесконечно широком диапазоне длин волн, при измерениях интегрального теплового потока, испускаемого телом, при измерениях длины волны максимума теплового излучения, при измерениях яркости теплового излучения получается некоторое отличие в значениях измеренной температуры и истинным значением температуры термодинамической. Любой приемник теплового излучения селективен, т. е. имеет разную чувствительность на разных длинах волн. Это тоже приводит к некоторым отличиям измеренных значений температуры от термодинамической. Различные понятия температуры совпадут только, если все нагретые тела будут идентичны черному телу, то есть их поглощательная способность будет много больше радиационных потерь и когда приемник излучения будет неселективен и измеряемый частотный интервал будет изменяться от нуля до бесконечности.

В деталях особенности измерения температуры с разделением понятий термодинамической, радиационной, яркостной и цветовой температур можно найти в специальных разделах физики, посвященных оптическим методам измерения температуры. В данном разделе важно поставить акценты на тех моментах, которые важны в понимании принципов построения температурной шкалы, воспроизведения единицы температуры и ее измерения на высшем уровне точности. Наиболее важно усвоить следующие моменты:

На эталонном уровне в системе СИ строится шкала термодинамической температуры.

Единица температуры Кельвин определяется как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды точно.

В области выше и ниже температуры тройной точки воды температура воспроизводится по состоянию (по температурам) плавления или затвердевания чистых веществ.

Температурная шкала системы СИ имеет название: Международная температурная шкала МПТШ-90. Цифра в названии означает год последнего внесения поправок в принципы построения шкалы.

На практике температуру измеряют по тепловому расширению твердых, жидких и газообразных тел, по изменению сопротивления проводников электрического тока, по изменению ЭДС термопар, по собственному тепловому излучению тел.

Поскольку для начала отсчета термодинамической температуры существует абсолютный нуль, для установления единицы этой величины нужна только одна реперная точка. Такой точкой является тройная точка воды, т. е. такое состояние чистой воды, когда лед, жидкая вода и водяной пар находятся в тепловом равновесии. В условиях вакуума над тающим льдом устанавливается равновесное давление водяного пара, равное Р = 611 Па (4,58 Торр). Этому состоянию приписано значение термодинамической температуры Т = 273,16 К точно. Точка замерзания воды при нормальном атмосферном давлении (р = 101325 Па = 760 Торр = 1 атм.) расположена ниже тройной точки воды на 0,00993 К.

XIII Генеральная ассамблея по мерам и весам в 1967 г. наряду с абсолютной термодинамической шкалой утвердила в качестве производной шкалу Цельсия, определив эту температуру как t°С = (Т - 273,15) К.

В международной практике наряду с абсолютной термодинамической шкалой и шкалой Цельсия широко используется шкала Фаренгейта и реже шкала Реомюра.

Шкала Фаренгейта была введена в 1714 г., опираясь на температуру таяния льда и температуру человеческого тела. Этот интервал был разделен на 64 части, а нулевая точка располагалась ниже точки таяния льда на 32 F. В то время это была наиболее низкая из известных температур и получалась она смешиванием нашатыря, воды и льда. Температура тела человека по этой шкале оказалась равной 96 °F, а точка кипения воды в шкале Фаренгейта равнялась 212 °F. Несмотря на всю архаичность такого определения температурной шкалы, ею пользуются во всем западном полушарии и в первую очередь в США.

В некоторых странах в настоящее время принята шкала Реомюра, введенная в 1730 г. В качестве опорных точек выбирается температура таяния льда (0°R) и точка кипения воды, которой приписывается температура 80 °R. Такой выбор определяется тем, что выбранная Реомюром смесь для наполнения термометра, состоящая из смеси спирта с водой, между точками замерзания и кипения воды расширяется на 8%. Размер градуса в шкале Реомюра можно воспроизвести изменением объема водно-спиртовой смеси на 0,001 часть первоначального объема. В шкале Кельвина этот коэффициент объемного расширения соответствует приблизительно 1,25×10^-3K^-1.

На практике абсолютная термодинамическая шкала воспроизводится по тройной точке воды следующим образом:

1-й этап - создается тройная точка воды. Она представляет собой сосуд сдвойными стенками, между которыми откачивается воздух (рис.2.6 ).

Рис. 02.06. Сосуд, воспроизводящий тройную точку воды

 

 

Сосуд, воспроизводящий тройную точку воды, аналогичен сосуду Дьюара, хорошо известному по применению в криогенной технике и в бытовых термосах. Отличия состоят в том, что стенки сосуда тройной точки воды не покрываются металлическим отражающим слоем, а между стенками сосуда налита примерно до половины объема чистая вода. При изготовлении тройной точки воду тщательно очищают многократной перегонкой и пропусканием через ионно-обменные смолы - поглотители примесей. Наполнив сосуд водой, ее вымораживают, а воздух между стенками тщательно откачивают. После откачки сосуд отпаивается.

Для того чтобы воспроизвести температуру тройной точки воды, стеклянный сосуд, изображенный на рис. 2.6 , замораживают, например в холодильнике. Затем во внутреннюю часть сосуда помещают какой-либо нагретый предмет, чтобы лед между стенками начал таять. Это означает, что между стенками устанавливаются параметры, соответствующие одновременному наличию воды и льда при давлении насыщенных водяных паров, т. е. будет воспроизведена температура тройной точки воды.

Следующий этап построения термодинамической температурной шкалы состоит в получении размера единицы - 1/273,16 части температуры тройной точки воды. Это делается на установках, называемых газовыми термометрами. Принцип, положенный в основу работы газового термометра, состоит в том, что температура идеального газа, являясь параметром состояния, изменяется в соответствии с универсальным газовым законом:

(2.25)

Практически это означает, что если взять баллон с газом и поместить его в сосуд с тройной точкой воды, можно зафиксировать параметры состояния газа (Р, V, Т). Если в дальнейшем поместить сосуд в термостат с другой температурой, то фиксируя либо давление, либо объем можно по изменению объема или давления измерить любую, отличную от температуры тройной точки воды, температуру.

Такие установки, называемые газовыми термометрами постоянного объема или постоянного давления, позволяют строить термодинамическую шкалу для тех температур, когда газ в термометре можно считать идеальным. Принцип действия газовых термометров постоянного объема и постоянного давления поясняется на рис. 7, а и б .

 

 

Рис. 02.07, а. Схема газового термометра постоянного объема

 

 

Рис. 02.07, б. Схема газового термометра постоянного давления

 

 

(2.26)

Процедура измерений термометром постоянного давления состоит в том. что в реперной точке, например при температуре тройной точки воды, фиксируют давление p при заполненном ртутью балластном объеме. Если температура термостата изменяется, можно, выливая часть ртути из объема V₁, установить в термометре то же самое давление p₀. Тогда искомая температура термостата легко находится из газового закона (2.26).

Очевидно, что при использовании газовых термометров необходимо делать некоторые допущения. Например, газ не должен сильно отличаться от идеального или поправки на его неидеальность (характеристики межмолекулярного взаимодействия и собственные размеры молекул газа) должны быть известны. Далее, температуры всех подводящих вакуумных магистралей и газ внутри них имеют температуру, отличную от температуры в термостате. Этот факт также необходимо учитывать.

На практике построение шкалы по газовому термометру - очень сложная и дорогостоящая процедура. По этой причине ею занимаются только профессионалы, а для практиков термодинамическая шкала строится по реперным точкам - фиксированным температурам плавления или кипения различных веществ, которые тщательно измерены разными методами на разных приборах в разных странах. Только при условии хорошей сходимости результатов измерений реперная точка вносится в список точек Международной практической температурной шкалы МПТШ. Последний раз шкала переутверждалась в 1990 г., и, соответственно, шкала называется МТШ-90.

Реперные точки шкалы МТШ-90 подразделяются на определяющие и вторичные. Определяющие реперные точки - это наиболее точно измеренные относительно тройной точки воды температуры, для которых результаты измерений в различных странах хорошо совпадают между собой. Список определяющих реперных точек шкалы МТШ-90 дан в табл. 2.3.

Таблица 2.3.

Определяющие реперные точки шкалы МТШ-90

Реперная точка	Т,К	t°,C	Погрешность, К
Тройная точка равновесного водорода	13,81	- 259,34	0,01
Точка кипения равновесного водорода при давлении 3330,6 Па	17,042	-256,108	0,01
Точка кипения равновесного водорода	20,28	- 252,87	0,01
Точка кипения неона	27,102	- 246,048	0,01
Тройная точка кислорода	54,361	-218,789	0,01
Точка кипения кислорода	90,188	- 182,962	0,01
Тройная точка воды	273,16	0,01	Точно по определению
Точка кипения воды	373,15		0,005
Точка затвердевания цинка	692,73	419,58	0,003
Точка затвердевания серебра	1235,08	961,93	0,2
Точка затвердевания золота	1337,58	1064,43	0,2

Вторичные реперные точки температурной шкалы охватывают более широкий диапазон температур. Самая высокая температура реперной точки - температура затвердевания вольфрама, равная 3660 К. Всего в шкале вторичных реперных точек содержится 27 значений, в основном температуры затвердевания чистых металлов. Результаты международных сличений температур этих реперных точек дали боль шее в сравнении с определяющими точками значения погрешностей. В основном причины расхождений заключаются в разной степени очистки веществ, которые используются в термостатах. Известно, что сверхчистые вещества имеют в ряде случаев удивительные свойства, отличные от свойств веществ, очищенных рутинными методами. Например, сверхчистое железо не окисляется, сверхчистый алюминий не покрывается окисной пленкой и блестит, как ртуть и т.д. Поскольку в разных странах чистые металлы получают из разного сырья, расхождения в температурах плавления и затвердевания многих металлов вполне объяснимы.

В итоге эталонные комплексы, воспроизводящие и передающие размер основной единицы термодинамической температуры системы СИ, представляют собой набор тройных точек воды, газовый термометр, откалиброванный по тройной точке воды, и набор термостатов - реперных точек, воспроизводящих определяющие и вторичные реперные точки шкалы МПТШ-90.

На практике для точных измерений используются платиновые термометры сопротивления или платина - платинородиевые термопары, которые градуируются в конечном счете по реперным точкам. От платиновых термометров и термопар размер единицы температуры - Кельвина - передается образцовым или рабочим термометрам менее высокого класса точности.

Для высоких температур выше точки золота единица температуры может быть воспроизведена оптическими приборами - пирометрами. Температуры тел выше 1000 К могут быть измерены по собственному тепловому излучению тела в оптическом диапазоне длин волн. При таком воспроизведении единица температуры реализуется в виде абсолютно-черного тела. Техника этих измерений весьма интересна и разнообразна. Именно здесь возникают понятия радиационной, цветовой и яркостной температур. Поскольку в данном разделе ставится задача описания принципов реализации основных единиц системы СИ, подробное описание особенностей пирометрии выходит за рамки тематики данного раздела.