Температурные шкалы
С момента изобретения термометра Г.Галилеем в 1595г. предлага- лось много различных температурных шкал. В системе СИ основной единицей является Кельвин, который явля- ется единицей измерения в так называемой абсолютной термодинамиче- ской шкале. Градус Кельвина определяется как 1/273,16 часть температу- ры тройной точки воды. Последняя есть температура равновесного состоя- ния водяного пара, жидкой воды и льда. Для воспроизведения Кельвина интервал между абсолютным нулем температуры и температурой тройной точки воды делится на 273,16 части. Привычная нам десятичная температурная шкала была предложе- на А. Цельсием в 1742 году, в которой расстояние по шкале между точкой таяния льда и точкой кипения воды делилось на 100 частей. Градус Цель- сия узаконен в системе СИ как производная единица, определяемая по формуле: Т (°С)= Т (К) - 273,16. (2.1) Во многих странах Западного полушария и в первую очередь в США общепринятой является шкала Фаренгейта. В качестве нижней опорной точки (0°F) изобретатель шкалы использовал температуру замерзания со- левого раствора, самую низкую воспроизводимую в то время, а в качестве верхней точки - температуру тела человека (96°F – в старину было принято считать дюжинами). Сам изобретатель определял вторую эталонную точку как температуру под мышкой здорового англичанина. Согласно этой шка- лы, разность температур между таянием льда и кипением воды делится на 180 частей, а температуре таяния льда приписана температура 32°F. Перевод °С в °F легко можно сделать по формуле:
T (°C) = 5 (T (°F) – 32). (2.2)
T (К) = 255,38 + 5 T (°F). (2.3) Довольно редко, но все еще встречаются термометры, отградуиро- ванные в градусах Реомюра. Шкала Реомюра строится таким образом, что разность температур плавления льда и кипения воды делится на 80 частей. Причиной этого является тот факт, что спирт с водой (основная термомет- рическая жидкость) расширяется между точками замерзания воды и точкой кипения на 8% своего объема. Размер градуса в шкале Реомюра можно воспроизвести изменением объема водно-спиртовой жидкости на 0,08/80 = 0,001 первоначального объема. Соответственно, температурные интервалы в шкале Кельвина и Реомюра относятся как 100/80 или как 5/4, т. е.
В системе СИ, как уже упоминалось, основной величиной принята термодинамическая температура, а единица в разных температурных диа- пазонах определяется по так называемым реперным точкам – фиксиро- ванным значениям температур, соответствующих либо тройным точкам, либо плавлению, либо затвердеванию чистых веществ, в основном, чистых металлов. Вещества с фиксированными температурными характеристика- ми делятся на определяющие реперные температурные точки и вторичные. Такое подразделение делается по той причине, что у некоторых веществ температуры плавления или отвердевания хорошо воспроизводятся, а для некоторых при воспроизведении наблюдаются заметные расхождения. Для обеспечения единства измерений температуры в качестве меж- дународного стандарта в 1968 году принята Международная практиче- ская температурная шкала МПТШ-68. В 1990 году в соответствии с ре- шением XVIII Генеральной конференции по мерам и весам введена Меж- дународная температурная шкала (МТШ-90). МТШ-90, по сути, являет- ся практической температурной шкалой и заменяет собой предыдущую шкалу МПТШ-68. Основные изменения в шкале связаны с изменением температур реперных точек, расширением диапазона определения шкалы, введением новых интерполяционных приборов и новых методик построе- ния интерполяционных зависимостей для платиновых термометров сопро- тивления. Шкала считается очень близко аппроксимирующей термодина- мическую шкалу температур, поэтому слово «практическая» было опуще- но в ее названии. Перечень основных фиксированных точек МТШ-90 при- веден в табл. 2.1.
Перечень основных реперных точек МТШ-90 Таблица 2.1
Вторичные точки шкалы МТШ-90 определены точками затвердева- ния и кипения следующих веществ: Hg, H2O, Na, Bi, Cd, Pb, Sb, Ni, Co, Pd, Pt, Rh, Jr, W и ряда других. Вторичные точки, в основном, используются в области высоких температур, что дает возможность продлить температур- ную шкалу до точки плавления вольфрама – до 3414 К. Международная температурная шкала постоянно развивается и до- полняется. Так, в октябре 2000 года Международный комитет по мерам и весам при утвердил новую предварительную низкотемпературную между- народную шкалу ПНТШ-2000 (PLTS-2000), которая расширяет диапазон МТШ-90 в низкотемпературной области. Шкала начинается с температуры 0,902 мК, соответствующей твердому состоянию 3He и доходит до темпе- ратуры 1 К, таким образом перекрывая диапазон МТШ-90 в интервале 0,65 -1 К. Шкала основана на измерении давления при плавлении 3He. В июне 2005 года консультативный комитет по термометрии выпустил Техниче- ское приложение к МТШ-90, которое получило статус обязательного при- ложения к тексту шкалы. Дополнение касается определения температуры тройной точки воды и основано на результатах анализа расхождений зна- чений температур ампул тройной точки воды, использующих воду разного изотопного состава. В качестве эталонного термометра в интервале температур от 13,81 до 903,89 К принимается платиновый термопреобразователь сопротивле- ния. Этот интервал разбит на 5 подинтервалов, для каждого из которых определены интерполяционные формулы в виде полиномов до четвертой степени. В интервале температур от 903,89 до 1337,58 К используется эта- лонный платина – платинородиевый термоэлектрический термометр. Ин- терполяционной формулой, связывающей термо-ЭДС с температурой, здесь является полином второй степени. Для температур выше 1337,58 К МТШ-90 воспроизводится с помо- щью квазимонохроматического пирометра с использованием закона излу- чения Планка.
|
9
T (°C) = 4 T (°R). (2.4)
