Які існують температурні шкали?

Температурні шкали - це системи порівнянних числових значень температури.

Оскільки температура не є безпосередньо вимірюваною величиною, то її значення визначають по температурному зміні якого-небудь зручного для вимірювання фізичної властивості термометричної речовини. Вибравши термометрична речовина і властивість, необхідно задати початкову точку відліку і розмір одиниці температури - градуси. Таким чином визначають емпіричні температурні шкали.

В температурних шкалах зазвичай фіксують дві основні температури, відповідні точкам фазових рівноваг однокомпонентних систем (так звані реперні або постійні точки), відстань між якими називається основним температурним інтервалом шкали. В якості реперних точок використовують: потрійну точку води, точки кипіння води, водню і кисню, точки затвердіння срібла, золота та ін. Розмір одиничного інтервалу (одиниці температури) встановлюють як певну частку основного інтервалу. За початок відліку температурних шкал приймають одну з реперних точок.

Так можна визначити емпіричну (умовну) температурну шкалу за будь-якого Термометрична властивості х. Якщо прийняти, що зв'язок між х і температурою t лінійна, то температура t^x= N (x_t - х₀) / (x_n - x₀), де x_t, x₀ і x_n - числові значення властивості х при температурі t в початковій і кінцевій точках основного інтервалу, (x_n - x₀) / N - розмір градуса, п - число поділок основного інтервалу.

Температурна шкала являє собою, таким чином, систему послідовних значень температури, пов'язаних лінійно із значеннями вимірюваної фізичної величини (ця величина повинна бути однозначною і монотонною функцією температури).

У загальному випадку температурні шкали можуть відрізнятися за Термометрична властивості (ним може бути теплове розширення тіл, зміна електричного опору провідників з температурою і т. П.), По термометричної речовини (газ, рідина, тверде тіло), а також залежати від реперних точок.

У найпростішому випадку температурні шкали розрізняються числовими значеннями, прийнятими для однакових реперних точок. Так, в шкалах Цельсія (° С), Реомюра (° R) і Фаренгейта (° F) точкам танення льоду і кипіння води при нормальному тиску приписані різні значення температури.

Співвідношення для перерахунку температури з однієї шкали в іншу:

n ° C = 0,8n° R = (1,8n+32) ° F.

У температурної шкалою Цельсія за початок відліку прийнята температура затвердіння води (танення льоду), а інтервал між температурами танення льоду і кипіння води при нормальному атмосферному тиску (101325 паскалів або 760 мм рт. ст.) Роздільний на 100 рівних частин (n = 100). Назва дана шкала отримала на честь запропонував її (в 1742) шведського вченого А. Цельсія (A. Celsius, 1701-44). Температура за шкалою Цельсія виражається в градусах Цельсія (° С), при цьому температура танення льоду приймається рівною 0 ° С, кипіння води 100 ° С.

Практична температурна шкала Реомюра, запропонована в 1730 Р. А. Реомюром, який описав винайдений ним спиртової термометр. Одиниця шкали Реомюра - градус Реомюра (° R). 1 ° R дорівнює ¹/₈₀ частини температурного інтервалу між опорними точками: танення льоду (0 ° R) і кипіння води (80 ° R), т. е. 1 ° R = 1,25 ° С. В даний час шкала вийшла з ужитку, найдовше вона зберігалася у Франції, на батьківщині автора.

У температурної шкалою Фаренгейта опорними точками є температура танення суміші снігу і нашатирю (0 град.F) і нормальна температура людського тіла (100 град.F), а
величина градуса в шкалі термометра визначається як сота частина інтервалу між опорними точками. таким чином, температурний інтервал між точками танення льоду і кипіння води (при нормальному атмосферному тиску) роздільний на 180 частин - градусів Фаренгейта (° F), причому точці танення льоду присвоєно значення 32 ° F, а точки кипіння води 212 ° F. Дана шкала запропонована в 1724 нім. фізиком Д. Г. Фаренгейтом (DG Fahrenheit, 1686-1736) - традиційно застосовується в ряді країн (зокрема, в США).

Безпосередній перерахунок для температурних шкал, що розрізняються основними температурами, без додаткових експериментальних даних неможливий. Температурні шкали, що розрізняються за Термометрична властивості або речовині, істотно різні. Можливо необмежене число не збігаються один з одним емпіричних температурних шкал, оскільки всі термометричні властивості пов'язані з температурою нелінійно і ступінь нелінійності різна для різних властивостей, і речову температуру, виміряну за емпіричною температурної шкалою, називають умовною ("ртутна", "платинова" температура і т. д.), її одиницю - умовним градусом.

Серед емпіричних температурних шкал особливе місце займають газові шкали, в яких термометричною речовиною служать гази ("азотна", "воднева", "гелієва" температурні шкали). Ці температурні шкали менше інших залежать від вживаного газу і можуть бути (введенням поправок) приведені до теоретичної газової температурній шкалі Авогадро, справедливою для ідеального газу.

Абсолютною емпіричною температурною шкалою називають шкалу, абсолютний нуль якої відповідає температурі, при якій чисельне значення фізичної властивості х = 0 (Наприклад, в газовій температурній шкалі Авогадро абсолютний нуль відповідає нульовому тиску ідеального газу). температури t ^(x)(За емпіричною температурної шкалою) і Т ^(Х) (За абсолютною емпіричної температурної шкалою) пов'язані співвідношенням T ^(X)= T ^(x)+T₀^(x), де T₀^(x - абсолютний нуль емпіричною температурної шкали (введення абсолютного нуля є екстраполяцією і не передбачає його реалізації).

Принциповий недолік емпіричних температурних шкал - їх залежність від термометричної речовини - відсутня у термодинамічної температурної шкали, заснованої на другому початку термодинаміки. При визначенні абсолютної термодинамічної температурної шкали (шкала Кельвіна) Виходять з циклу Карно. Якщо в циклі Карно тіло, що здійснює цикл, поглинає теплоту Q₁ при температурі T₁ і віддає теплоту Q₂ при температурі Т₂, то відношення T₁ / T₂ = Q₁ / Q₂ не залежить від властивостей робочого тіла і дозволяє за доступними для вимірювань величинам Q₁ і Q₂ визначати абсолютну температуру. Спочатку основний інтервал цієї шкали був заданий точками танення льоду і кипіння води при атмосферному тиску, одиниця абсолютної температури відповідала частини основного інтервалу, за початок відліку була прийнята точка танення льоду. У 1954 Х Генеральна конференція з мір та ваг встановила термодинамічну температурну шкалу з одного реперної точкою - потрійною точкою води, температура якої прийнята 273,16 К (точно), що відповідає 0,01 ° С. температура Т в абсолютній термодинамічної температурної шкалою вимірюється в кельвінах (К). Термодинамічна температурна шкала, в якій для точки танення льоду прийнята температура t = 0 ° С, називається стоградусной.

Одиниця термодинамічної температури, рівна частини термодинамічної температури потрійної точки води-позначається К. Названа по імені У. Томсона (Кельвіна). До 1968 іменувалася градус Кельвіна (° К). За розміром К. дорівнює градусу Цельсія (° С).

Співвідношення між температурами, вираженими в шкалою Цельсія і абсолютною термодинамічною температурною шкалою:

TK = t ° C + 273,15K, nK = n ° C.

У США і деяких інших країнах, де прийнято вимірювати температуру за шкалою Фаренгейта, застосовують також абсолютну температурну шкалу Ранкіна (Названа по імені шотландського фізика Вільяма Ранкіна (1820-1872)). Градус за цією шкалою дорівнює градусу за шкалою Фаренгейта. Шкала Ранкіна починається при температурі абсолютного нуля, точка замерзання води відповідає 491,67 ° Ra, точка кипіння води 671,67 ° Ra.

Градуси Фаренгейта переводяться в градуси Ранкіна за формулою ° Ra = ° F + 459,67.

Співвідношення між Кельвіном і градусом Ранкіна: nK = 1,8n ° Ra.

Будь емпірична температурна шкала приводиться до термодинамічної температурної шкалою введенням поправок, що враховують характер зв'язку термометричного властивості з термодинамічною температурою. Термодинамічна температурна шкала здійснюється не безпосередньо (проведенням циклу Карно з термометричною речовиною), а за допомогою інших процесів, пов'язаних з термодинамічною температурою. В широкому інтервалі температур (приблизно від точки кипіння гелію до точки затвердіння золота) термодинамічні температурні шкали збігаються з температурною шкалою Авогадро, так що термодинамічну температуру визначають по газовій, яку вимірюють газовим термометром. При більш низьких температурах термодинамічна температурна шкала здійснюється по температурної залежності магнітної сприйнятливості парамагнетиків, при більш високих - за вимірюваннями інтенсивності випромінювання абсолютно чорного тіла. Здійснити термодинамічну температурну шкалу навіть за допомогою температурної шкали Авогадро дуже складно, тому в 1927 була прийнята Міжнародна практична температурна шкала (МПТШ), яка збігається з термодинамічної температурної шкали з тим ступенем точності, яка експериментально досяжна. Всі прилади для вимірювання температури градуйовані в МПТШ.

Інформація про різних температурних шкалах наведена на наступних сайтах:

- slovari.yandex.ru - тут можна прочитати статтю БЕС, присвячену температурним шкалами.

- sainfo.ru - тут можна прочитати про різні температурних шкалах.

- ru.wikipedia.org - тут можна ознайомитися з порівняльною таблицею температурних шкал.

- termopribor.ru - тут можна дізнатися про чотирьох температурних шкалах (Кельвіна, Цельсія, Фаренгейта, Реомюра).

Дізнатися співвідношення різних основних температурних шкал можна на наступному сайті:

- 2mb.ru - конвертор 8-і температурних шкал.