Материал данной статьи дает представление о таком важном понятии как температура. Дадим определение, рассмотрим принцип изменения температуры и схему построения температурных шкал.
В повседневной жизни большинство привыкло пользоваться термометрами со шкалой Цельсия. Такие устройства широко применяются в медицине, кулинарии, для измерения уличной и комнатной температуры. Каждому известно о существовании и других шкал, например, Фаренгейта или Кельвина. Но есть ли другие системы измерения температуры?
Что такое температура
Температура – это скалярная физическая величина, описывающая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы тел.
Понятие температуры также применяют в качестве физической величины, определяющей степень нагретости тела, однако лишь такой трактовки для понимания смысла термина недостаточно. Все физические понятия находятся в связи с определенными фундаментальными законами и наделяются смыслом только в соответствии с этими законами. В данном случае термин температура связан с понятием теплового равновесия и с законом макроскопической необратимости.
Немного бесполезной информации.
Все элементарное просто, но все простое не всегда элементарно. Все мы слышали про различные температурные шкалы, но не все мы знаем, что их на самом деле несколько больше, чем те три, что у всех на слуху. Итак, начнем с самым распространенных, а закончим рассолом.
Шкала Цельсия (Цельсий, Celsius, °C)
Используется в быту, но не везде (вспомним Фаренгейта). 0° — точка замерзания воды, 100° — точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Придумана Андерсом Цельсием аж в 1742 году.
Шкала Фаренгейта (Фаренгейт, Fahrenheit, °F)
Используется в быту, но не везде, а в основном в Англии и США. Определение ее такое (из Википедии) — это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при нормальном атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Придумал Габриэль Фаренгейт в 1724 году.
Формула перевода в градусы Цельсия:
Шкала Кельвина (Кельвин, Kelvin, K)
В быту как-то не очень. Родилась от желания получить шкалу с абсолютным нулем (отсутствием термодинамической энергии).
Названа в честь Уильяма Томсона. Казалось бы — причем здесь Кельвин. А вот Уильям Томсон был Lord Kelvin, вот так вот.
Определил он абсолютный ноль теоретическим путем и было это -273°C. Ну а за один градус был принят градус Цельсия, что сделало перевод между этими двумя шкалами тривиальным. Случилось это в 1848 году.
Кстати, K пишется без значка градуса с 1968 года после 13 главной конференции, и градус после этой конференции стал 1/273.16 температуры тройной точки воды (ну как бы все равно тот же один градус как у Цельсия получился, только теперь научно).
Шкала Ранкина (Ранкин, Rankine, °Ra)
Абсолютная температурная шкала, тоже самое, что и шкала Кельвина для Цельсия, только для Фаренгейта. То есть размер одного градуса Ранкина совпадает с размером одного градуса Фаренгейта. Была предложена в 1859 году Уильямом Ранкином. Ноль градусов Ранкина это -459.67°F и 0K (ноль градусов Кельвина). Мало что градуируют в абсолютной температурной шкале, и все больше в Кельвинах, конечно. Так англичане (Кельвин) победили шотландцев (Ранкин).
Шкала Делиля (Делиль, Delisle, °De)
Уже давно не используется, но была когда-то. Придумал в 1732 году Жозеф Николя Делиль. Ноль — температура кипения воды, а один градус это минус две трети градуса Цельсия (потому что температура замерзания воды по этой шкале 150°De).
Отсчет положительных значений идет в противоположном направлении таковому у Цельсия.
Вообще, это не очень удивительно — у Цельсия все тоже было сначала наоборот, но производители термометров развернули. А до Делиля руки не добрались — быстро как-то эта шкала зачахла.
Шкала Реомюра (Реомюр, Réaumur, °Ré, °Re)
Предложил Рене Антуан Реомюр в 1730 году. Собственно точка замерзания воды — 0°Re, точка кипения воды 80°Re.
Почему 80 — потому что 80 можно было делить пополам 4 раза, и все время получать целое число. Очень было модно у французов.
Шкала Рёмера (Рёмер, Rømer, °Rø)
Предложена датчанином Оле Кристенсеном Рёмером в 1701 году. Ноль градусов по этой шкале — температура замерзания рассола . Ох уж эти датчане. Потом правда Оле одумался и назначил 7.5°Rø температуре замерзания воды. Ну а температура кипения воды — 60°Rø.
Почему же все эти забавные шкалы (ну, кроме верхних трех, с натяжкой, четырех) отвалились? Потому что французы, когда изобретали метрическую систему, решили что десятки — это то, что нам надо, и приняли судьбоносное решение использовать шкалу Цельсия. Так метрическая система, в лице Цельсия, заборола всех остальных.
Понятие шкалирования. Существующие виды шкал и их области применения. Причины появления шкал.
Шкалы измерений принято классифицировать типам измеряемых данных, которые определяют допустимые для данной шкалы математические преобразования, а также типы отношений, отображаемых соответствующей шкалой. Современная классификация шкал была предложена в 1946 году Стэнли Смитом Стивенсом.
Шкала наименований (номинальная, классификационная)
Используется для измерения значений качественных признаков. Значением такого признака является наименование класса эквивалентности, к которому принадлежит рассматриваемый . Примерами значений качественных признаков являются названия государств, цвета, марки автомобилей и т.п. Такие признаки удовлетворяют аксиомам тождества:
- Либо А = В, либо А В;
- Если А = В, то В = А;
- Если А = В и В = С, то А = С.
При большом числе классов используют иерархические шкалы наименований. Наиболее известными примерами таких шкал являются шкалы, используемые для классификации животных и растений.
С величинами, измеряемыми в шкале наименований, можно выполнять только одну операцию – проверку их совпадения или несовпадения. результатам такой проверки можно дополнительно вычислять частоты заполнения (вероятности) для различных классов, которые могут использоваться для применения различных методов статистического анализа – критерия согласия Хи-квадрат, критерия Крамера для проверки гипотезы о связи качественных признаков и др.
Порядковая шкала (или ранговая)
Строится на и порядка. Субъекты в данной шкале ранжированы. Но не все объекты можно подчинить отношению порядка. Например, нельзя сказать что больше, круг или треугольник, но можно выделить в этих объектах общее свойство-площадь, и таким образом становится легче установить порядковые отношения. Для данной шкалы допустимо монотонное преобразование. Такая груба, потому что не учитывает между субъектами шкалы. Пример такой шкалы: балльные оценки успеваемости (неудовлетворительно, удовлетворительно, хорошо, отлично), Мооса.
Здесь происходит сравнение с эталоном. Построение такой шкалы позволяет большую часть свойств существующих числовых систем приписывать числам, полученным на основе субъективных оценок. Например, построение шкалы интервалов для реакций. Для данной шкалы допустимым является линейное преобразование. Это позволяет приводить результаты тестирования к общим шкалам и осуществлять, таким образом сравнение показателей. Пример: Цельсия.
В действует “во столько-то раз больше”. Это единственная из четырех шкал имеющая абсолютный ноль. Нулевая точка характеризует отсутствие измеряемого допускает преобразование подобия ( на константу). нулевой точки — сложная задача для исследований, накладывающая ограничение на использование данной шкалы. С помощью таких шкал могут быть измерены масса, , сила, (цена). Пример: Кельвина (температур, отсчитанных от абсолютного нуля, с выбранной соглашению специалистов единицей измерения — Кельвин).
Начало отсчета произвольно, измерения задана. Допустимые преобразования — сдвиги. Пример: измерение времени.
В ней присутствует дополнительный признак — естественное и однозначное присутствие единицы измерения. Эта имеет единственную нулевую точку. Пример: число людей в аудитории.
Из рассмотренных шкал первые две являются неметрическими, а остальные – метрическими.
С вопросом о типе шкалы непосредственно связана проблема адекватности методов математической обработки результатов измерения. В общем случае адекватными являются те статистики, которые инвариантны относительно допустимых преобразований используемой шкалы измерений.
Использование в психометрии. Используя различные шкалы, можно производить различные психологические измерения. Самые первые методы психологических измерений были разработаны в психофизике. Основной задачей психофизиков являлось то, каким образом определить, как соотносятся физические параметры стимуляции и соответствующие им субъективные оценки ощущений. Зная эту , можно понять, какое ощущение соответствует тому или иному признаку. Психофизическая устанавливает между числовым значением шкалы физического измерения стимула и числовым значением психологической или субъективной реакцией на этот стимул.
Шкала Цельсия
Андерс Цельсий. Андерс Цельсий (Anders Celsius) родился 27 ноября
1701 года в Швеции. Область его интересов: астрономия, общая физика, геофизика. Преподавал в Упсальском университете астрономию, основал там астрономическую обсерваторию.
Цельсий первым измерил яркость звезд, установил взаимосвязь между северным сиянием и колебаниями в магнитном Земли.
Он принимал участие в Лапландской экспедиции 1736-1737 годов измерению меридиана. возвращении из полярных областей Цельсий начал активную работу организации и строительству астрономической обсерватории в Упсале и в 1740 стал ее директором. Умер Андерс Цельсий 25 марта 1744 года. В честь него назван минерал цельзиан – разновидность бариевого полевого шпата.
, и следовательно точка замерзания воды при давлении в 1 атм равна 0
. В настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину,
, утратила свое , и современным оценкам температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении составляет около 99,975
. Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия — особая точка для метеорологии, поскольку связана с замерзанием атмосферной воды. предложена Андерсом Цельсием в 1742 г.
Шкала Фаренгейта
Габриэль Фаренгейт. Даниэль Габриэль Фаренгейт (Daniel Gabriel (1686–1736) – немецкий физик. Родился 24 мая 1686 в Данциге (ныне Гданьск, Польша). Изучал физику в Германии, Голландии и Англии. Почти всю жизнь прожил в Голландии, где занимался изготовлением точных метеорологических приборов. В 1709 изготовил спиртовой, в 1714 – ртутный термометр, использовав новый способ очистки ртути. Для ртутного термометра Фаренгейт построил шкалу,имеющую три реперные точки:
соответствовал температуре смеси вода – лед – нашатырный спирт,
– температуре тела здорового человека, а в качестве контрольной температуры было принято
для точки таяния льда. Температура кипения чистой воды шкале Фаренгейта составила
. Фаренгейта применяется во многих англоязычных странах, хотя постепенно уступает шкале Цельсия. Помимо изготовления термометров, Фаренгейт занимался усовершенствованием барометров и гигрометров. Исследовал также зависимость изменения температуры кипения жидкости от атмосферного давления и содержания в ней солей, обнаружил явление переохлаждения воды, составил таблицы удельных весов тел. Умер Фаренгейт в Гааге 16 сентября 1736.
В Англии и, в особенности, в США используется Фаренгейта. Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.
В настоящее время принято следующее шкалы Фаренгейта: это температурная , 1 градус которой (1
) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру
F. Температура шкале Фаренгейта связана с температурой шкале Цельсия (
Шкала Реомюра
Рене Реомюр. Рене Антуан де Реомюр (Rene Antoin de Reaumur) родился 28
февраля 1683 года в Ла-Рошель, французский естествоиспытатель, иностранный почетный член Петербургской АН (1737). Труды регенерации, физиологии, биологии колоний насекомых. Предложил температурную шкалу, названную его именем. Он усовершенствовал некоторые способы приготовления стали, им, одним из первых, были сделаны попытки научного обоснования некоторых процессов литья, написал работу “Искусство превращения железа в сталь”. Он пришел к ценному выводу: железо, сталь, чугун, различаются количеству некоторой примеси. Добавляя эту примесь к железу, путем цементации или сплавления с чугуном, Реомюр получал сталь. В 1814 году К. Каретен доказал, что этой примесью является углерод.
Реомюр дал способ приготовления матового стекла.
Сегодня связывает его имя только лишь с изобретением долго
использовавшейся температурной шкалы. На самом же деле Рене Антуан Фершант де Реомюр, живший в 1683-1757 годах, главным образом, в Париже, относился к тем ученым, которых в наше время – время узкой специализации – трудно себе представить. Реомюр был одновременно техником, физиком и естествоиспытателем. Большую известность за пределами Франции он приобрел как энтомолог. В последние годы своей жизни Реомюр пришел к идее, что поиски таинственной преобразующей силы следует вести в тех местах, где ее проявление наиболее очевидно – при преобразовании пищи в организме, т.е. при ее усвоении. Скончался 17 октября 1757 года в замке Бермовдьер близ Сен-Жюльен-дю-Терру(Майенн).
Предложена в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретенный им спиртовой термометр.
— градус Реомюра (
равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками — температурой таяния льда (
) и кипения воды (
В настоящее время вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.
Температурные шкалы, системы сопоставимых числовых значений температуры. Температура не является непосредственно измеряемой величиной; ее определяют температурному изменению какого-либо удобного для измерения физического свойства термометрического вещества. Выбрав термометрическое вещество и свойство, необходимо задать начальную точку отсчета и размер единицы температуры — градуса. Таким образом, определяют эмпирические температурные шкалы (далее Т.ш.). В Т. ш. обычно фиксируют две основные температуры, соответствующие точкам фазовых равновесий однокомпонентных систем (так называемые реперные или постоянные точки), между которыми называется основным температурным интервалом шкалы. В качестве реперных точек используют: тройную точку воды, точки кипения воды, водорода и кислорода, точки затвердевания серебра, золота и др. Размер единичного интервала (единицы температуры) устанавливают как определенную долю основного интервала. За начало отсчета Т. ш. принимают одну из реперных точек. Так можно определить эмпирическую (условную) Т. ш. любому термометрическому свойству
. Если принять, что между
линейна, то температура
— числовые значения свойства
, в начальной и конечной точках основного интервала,
— размер градуса,
В Цельсия шкале, например, за начало отсчета принята температура затвердевания воды (таяния льда), основной между точками затвердевания и кипения воды разделен на 100 равных частей (
Т. ш. представляет собой, таким образом, систему последовательных значений температуры, связанных линейно со значениями измеряемой физической величины (эта величина должна быть однозначной и температуры). В общем случае Т. ш. могут различаться термометричкому свойству (им может быть тепловое расширение тел, изменение электрического сопротивления проводников с температурой и т. п.), термометрическому веществу (газ, жидкость, твердое тело), а также зависеть от реперных точек. В простейшем случае Т. ш. различаются числовыми значениями, принятыми для одинаковых реперных точек. Так, в шкалах Цельсия (
), Реомюра (
) и Фаренгейта (
Непосредственный пересчет для Т. ш., различающихся основными температурами, без дополнительных экспериментальных данных невозможен. Т. ш., различающиеся термометрическому свойству или веществу, существенно различны. Возможно неограниченное число не совпадающих друг с другом эмпирических Т. ш., так как все термометрические свойства связаны с температурой нелинейно и степень нелинейности различна для разных свойств и вещественную температуру, измеренную эмпирической Т. ш., называют условной (“ртутная”, “платиновая” температура и т. д.), ее единицу — условным градусом. Среди эмпирических Т. ш. особое занимают газовые шкалы, в которых термометрическим веществом служат газы (“азотная”, “водородная”, “гелиевая” Т. ш.). Эти Т. ш. меньше других зависят от применяемого газа и могут быть (введением поправок) приведены к теоретической газовой Т. ш. Авогадро, справедливой для идеального газа. Абсолютной эмпирической Т. ш. называют шкалу, абсолютный нуль которой соответствует температуре, при которой численное физического свойства
(например, в газовой Т. ш. Авогадро абсолютный нуль температуры соответствует нулевому давлению идеального газа). температуры
( эмпирической Т. ш.) и
( абсолютной эмпирической Т. ш.) связаны соотношением
Принципиальный недостаток эмпирической Т. ш. — их зависимость от термометрического вещества — отсутствует у термодинамической Т. ш., основанной на втором начале термодинамики. При определении абсолютной термодинамической Т. ш. ( Кельвина) исходят из Карно . Если в цикле Карно тело, совершающее цикл, поглощает теплоту
и отдает теплоту
не зависит от свойств рабочего тела и позволяет доступным для измерений величинам
определять абсолютную температуру. Вначале основной этой шкалы был задан точками таяния льда и кипения воды при атмосферном давлении, абсолютной температуры соответствовала части основного интервала, за начало отсчета была принята точка таяния льда. В 1954 Х Генеральная конференция мерам и весам установила термодинамическую Т. ш. с одной реперной точкой — тройной точкой воды, температура которой принята 273,16 К (точно), что соответствует
в абсолютной термодинамической Т. ш. измеряется в кельвинах (К). Термодинамическая Т. ш., в которой для точки таяния льда принята температура
так что размер единиц в этих шкалах одинаков. В США и некоторых др. странах, где принято измерять температуру шкале Фаренгейта, применяют также абсолютную Т. ш. Ранкина. Соотношение между кельвином и градусом Ранкина:
, шкале Ранкина точка таяния льда соответствует
Любая эмпирическая Т. ш. приводится к термодинамической Т. ш. введением поправок, учитывающих характер связи термометрического свойства с термодинамической температурой. Термодинамическая Т. ш. осуществляется не непосредственно (проведением Карно с термометрическим веществом), а с помощью других процессов, связанных с термодинамической температурой. В широком интервале температур (примерно от точки кипения гелия до точки затвердевания золота) термодинамические Т. ш. совпадают с Т. ш. Авогадро, так что термодинамическую температуру определяют газовой, которую измеряют газовым термометром. При более низких температурах термодинамическая Т. ш. осуществляется температурной зависимости магнитной восприимчивости парамагнетиков, при более высоких — измерениям интенсивности излучения абсолютно черного тела . Осуществить термодинамическую Т. ш. даже с помощью Т. ш. Авогадро очень сложно, поэтому в 1927 была принята Международная практическая температурная (МПТШ), которая совпадает с термодинамической Т. ш. с той степенью точности, которая экспериментально достижима. Все приборы для измерения температуры градуированы в МПТШ.
Шкала температур Кельвина
Понятие абсолютной температуры было введено У. Томсоном (Кельвином), в связи с чем шкалу абсолютной температуры называют шкалой Кельвина или термодинамической температурной шкалой. абсолютной температуры — кельвин (К).
Абсолютная температуры называется так, потому что основного состояния нижнего предела температуры — абсолютный ноль, то есть наиболее низкая возможная температура, при которой в принципе невозможно извлечь из вещества тепловую энергию.
Абсолютный ноль определен как 0 K, что равно -273.15
температур Кельвина — это , в которой начало отсчета ведется от абсолютного нуля.
Используемые в быту температурные шкалы — как Цельсия, так и Фаренгейта (используемая, в основном, в США), — не являются абсолютными и поэтому неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды, из-за чего температуру приходится выражать отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур.
Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая — абсолютной термодинамической шкалой (шкалой Кельвина); температуры ним измеряются, соответственно, в градусах Ранкина (
) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля. Различаются они тем, что кельвин равен градусу Цельсия, а градус Ранкина — градусу Фаренгейта. Температуре замерзания воды при стандартном атмосферном давлении соответствуют
Масштаб шкалы Кельвина привязан к тройной точке воды (273,16 К), при этом от нее зависит постоянная Больцмана. Это создает проблемы с точностью интерпретации измерений высоких температур. Сейчас МБМВ рассматривает возможность перехода к новому определению кельвина и фиксированию постоянной Больцмана, вместо привязки к температуре тройной точки.
ШКАЛА -1. Линейка с делениями в различных измерительных приборах. 2. Ряд величин, цифр в восходящем или нисходящем порядке.
Шкала Фаренгейта – это температурная , 1 градус которой (1
Температурные шкалы – системы сопоставимых числовых значений температуры.
Тройная точка воды – строго определенные значения температуры и давления, при которых вода может одновременно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях.
Краткие итоги: обучающийся познакомился с классификацией шкал и их областью применения.
Набор для практики
- Когда и кем была предложена современная классификация шкал?
- Дайте определение слову ШКАЛА.
- Перечислите все известные Вам виды шкал и объясните в чем их различия?
- Почему шкалы используются в психометрии?
- Какие шкалы больше всего используются в Англии и Америке?
- Какая из вышеописанных шкал появилась первой?
- В какой стране дольше всего использовалась шкала Реомюра?
- В чем измеряется температура в абсолютной термодинамической температурной шкале?
- Назовите примеры абсолютных шкал температур.
- Чему равно соотношение между кельвином и градусом Ранкина?
- Нарисуйте схему, отражающую современную классификацию шкал. Можете ли составить шкалы по иерархии.
- Определите значение температуры в разных температурных шкалах(по Фаренгейту, по Кельвину)
Температурные шкалы
Для того, чтобы построить температурную шкалу для измерения, двум числовым значениям температуры присваивают две фиксированные реперные точки. После этого разность числовых значений, присвоенных реперным точкам, делится на выбранное произвольным образом необходимое количество частей, получая в результате единицу измерения температуры.
За исходные значения, используемые в качестве начала отсчета и единицы измерения, принимают температуры перехода химически чистых веществ из одного агрегатного состояния в другое, к примеру, температуру плавления льда t0 и кипения воды tk при нормальном атмосферном давлении (Па≈105 Па). Величины t0 и tk имеют разные значения в различных видах шкал измерения температуры:
Тройная точка воды – такие температура и давление, при которых могут существовать в равновесии одновременно все три агрегатных состояния воды: жидкое, твердое (лед) и пар.
Разница температур, выраженных в градусах по шкале Цельсия и шкале Фаренгейта, нивелируется согласно следующему выражению:
t °C100=t °F-32180 или t °F=1,8 °C+32.
Ноль на этой шкале определен как температура замерзания смеси воды, нашатыря и соли, взятых в пропорции 1:1:1.
Значения температур по шкале Цельсия и по шкале Кельвина связаны между собой согласно следующему выражению:
Температуры, выраженные в градусах Цельсия и градусах по Реомюру, связаны так:
Температуры по Кельвину и Ранкину связаны выражением:
Градусы по Фаренгейту возможно перевести в градусы по Ранкину согласно формуле:
Наиболее применима в быту и технических устройствах шкала Цельсия (единица шкалы – градус Цельсия, обозначаемый как °C).
В физике же используют термодинамическую температуру, которая не просто удобна, но и несет глубокую физическую смысловую нагрузку, поскольку определена как средняя кинетическая энергия молекулы. Единица термодинамической температуры – градус Кельвина (до 1968 г.) или сейчас просто Кельвин (К), являющийся одной из основных единиц в СИ. Температура T=0 К называется абсолютным нулем температуры, как уже упоминалось выше.
Вообще современная термометрия опирается на шкалу идеального газа: за термометрическую величину принимают давление. Шкала газового термометра абсолютна (T=0, p=0). При решении практических задач чаще всего приходится применять именно эту шкалу температур.
Принято, что комфортная для человека температура в помещении находится в интервале от +18 °С до +22 °С. Необходимо рассчитать границы интервала температуры комфорта согласно термодинамической шкале.
Возьмем за основу соотношение T (K)=t °C+273,15 °C.
Произведем расчет нижней и верхней границ температуры комфорта по термодинамической шкале:
Ответ: границы интервала температуры комфорта по термодинамической шкале находятся в интервале от 291 К до 295 К.
Необходимо определить, при какой температуре показания термометров по шкале Цельсия и по шкале Фаренгейта будут одинаковы.
Возьмем за основу соотношение t°F=1,8t °C+32.
По условию задачи температур равны, тогда возможно составить следующее выражение:
Определим из полученной записи переменную x:
Ответ: при температуре -40 °С (или -40 °F) показания термометров по шкалам Цельсия и Фаренгейта будут одинаковы.
Другие шкалы
Помимо широко известных, существуют и других температурные шкалы, которые оказались менее востребованными:
- Ранкина;
- Реомюра;
- Делиля;
- Рёмера;
- Ньютона.
В 1859 У. Ранкин предложил свою шкалу, в которой 1 градус совпадал с градусом Фаренгейта. Шкала Ранкина считается абсолютной температурной шкалой. 0 градусов Ранкина – это 0К и -459,67 градусов Фаренгейта.
Рене Антуан Реомюр в 1730 предложил свою шкалу на основе изобретенного им же спиртового термометра. Градус Реомюра соответствует единице и равен 1,25℃. Это 1/80 часть разницы между температурой кипения воды и таяния льда, от 0 до 80ºR. Данной шкалой пользовались долгое время во Франции, но сейчас она не актуальна.
Давно забыли и о шкале Делиля. Она была предложена Жозефом Делилем в 1732. Вода, согласно данной шкале, закипала при 0 градусов, а замерзала при 150. 1 градус Делиля – это -2/3 градуса Цельсия.
Сравнение температурных шкал
В 1701 г. датский ученый Рёмер предложил температурную шкалу, в которой за ноль принималась температура замерзания рассола. Позже в качестве нижней точки термометра Рёмер назначил температуру образования льда – 7,5 градусов.
Шкалой Ньютона сейчас тоже никто не пользуется. Исаак Ньютон предложил ее в том же 1701 году. Вероятно, она послужила прообразом для шкалы Цельсия. Градусник Ньютона была наполнен льняным маслом. Нижней точкой считалась температура замерзания воды (0 градусов), верхней – температура кипения 33 градуса.
Интересный факт: согласно шкале Ньютона, температура тела составляла 12 градусов.
Среди прочих исторических единиц температуры – градус Гука, Дальтона, Планковская температура и Лейденский градус.
Кроме шкал Цельсия, Фаренгейта, Кельвина есть и другие, например, Реомюра, Рёмера, Делиля, Ньютона. Но большинство вышли из употребления после того, как французы перешли к метрической системе мер. Так шкала Цельсия стала наиболее оптимальной в использовании.
Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Изменение температуры
Явление термодинамического равновесия тел, составляющих систему, говорит о наличии одинаковой температуры этих тел. Произвести замер температуры можно лишь косвенно, взяв за основу зависимость от температуры таких физических свойств тел, которые можно измерить непосредственно.
Вещества или тела, применяемые для получения значения температуры, называют термометрическими.
Допустим, два теплоизолированных тела приведены в тепловой контакт. Одно тело передаст другому поток энергии: запустится процесс теплопередачи. При этом тело, отдающее тепло, обладает соответственно большей температурой, чем тело, «принимающее» поток тепла. Очевидно, что через некоторое время процесс теплопередачи остановится и наступит тепловое равновесие: предполагается, что температуры тел выравниваются относительно друга, их значения будут находиться где-то в интервале между исходными значениями температур. Таким образом, температура служит некоторой меткой теплового равновесия. Получается, что любая величина t, удовлетворяющая требованиям:
Также отметим, что тепловое равновесие тел подчинено закону транзитивности.
Закон транзитивности: когда два тела находятся в равновесии с третьим, то и между собой они пребывают в тепловом равновесии.
Важной чертой указанного определения температуры является его неоднозначность. Выбрав по-разному величины, отвечающие установленным требованиям (что отразится на способах измерения температуры), возможно получить несовпадающие шкалы температур.
Температурная шкала – это способ деления на части интервала температуры.
Общеизвестным устройством для измерения температуры является термометр. Для рассмотрения возьмем термометры различного устройства. Первый представлен ртутным столбиком в капилляре термометра, и значение температуры здесь определяется длиной этого столбика, отвечающей условиям 1 и 2, указанным выше.
И еще один способ измерить температуру: используя термопару – электрическую цепь с гальванометром и двумя спаями разнородных металлов (рисунок 1).
Один спай находится в среде с фиксированной температурой (в нашем примере это тающий лед), другой – в среде, температуру которой необходимо определить. Здесь признаком температуры является ЭДС термопары.
Указанные способы измерения температуры не дадут одинаковых результатов. И для перехода одной температуры к другой следует построить градуировочную кривую, которая установит зависимость ЭДС термопары от длины ртутного столбика. В этом случае равномерная шкала ртутного термометра преобразуется в неравномерную шкалу термопары (или наоборот). Равномерные шкалы измерения температур ртутного термометра и термопары создают две абсолютно различные температурные шкалы, на которых тело в одном и том же состоянии будет иметь различные температуры. Также возможно рассмотреть одинаковые по устройству термометры, но имеющие разные “термические тела” (к примеру, ртуть и спирт): мы не будем наблюдать совпадения температурных шкал и в этом случае. График зависимости длины ртутного столбика от длины спиртового столбика не будет линейным.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что понятие температуры, базирующееся на законах теплового равновесия, неоднозначно. Подобная температура является эмпирической, зависит от способа измерения. За «нуль» шкалы эмпирической температуры принимается произвольная точка. Согласно определению эмпирической температуры, физический смысл несет лишь разность температур или ее изменение. Любая эмпирическая температурная шкала приводится в вид термодинамической температурной шкалы при использовании поправок, которые учтут характер связи термометрического свойства с термодинамической температурой.
Как появилась температурная шкала?
Термин «температура» появился задолго до появления молекулярно-кинетической теории. В прежние времена ученые считали, что в каждом теле имеется «теплород», особая материя, которой больше в теплых телах и, соответственно, меньше в холодных.
Из этого выходило, что температура представляла собой смесь веществ тела и теплорода. Чем выше ее показатель, тем крепче была эта смесь. Именно эти убеждения и положили начало измерениям спиртных напитков в градусах.
Сейчас же термин «температура» подразумевает меру среднего значения кинетической энергии молекул, которые есть в веществе. Единиц измерения температуры несколько. Среди них наиболее распространенными считаются градус Цельсия, Кельвина и Фаренгейта.
Термоскоп Галилео Галилея
Кто именно является изобретателем термометра, неизвестно. В далекие времена над этой задачей трудилось множество ученых, среди которых известны такие имена, как лорд Бэкон и Галилей.
У самых первых термометров не было никаких шкал. Измерительные приборы были воздушными, и атмосферное давление являлось единственным показателем. По такому термометру можно было определить относительные температурные колебания.
После начали появляться термометры с водой вместо воздуха. Но они просуществовали недолго, так как из-за мороза жидкость разрывала прибор. Далее воду заменили винным спиртом.
Эванджелиста Торричелли, ученик Галилея, изобрел термометр, который наполнил смесью спирта и ртути. Также он запаял прибор, и атмосферное давление больше не оказывало влияния на показания.
Первую точную шкалу изобрел в 1723 году физик из Германии – Габриэль Фаренгейт. Минимальную температуру он смог получить, смешав соль, воду, нашатырь и лед – полученное значение было принято за ноль. Смесь льда и воды имела температуру в 32 градуса. Третью точку на шкале – 212 градусов по Фаренгейту, занимало кипение воды.
Андерс Цельсий в 1742 году разделил шкалу на сто интервалов. Кипение воды было на нуле, а плавление льда – на 100 градусах. То есть, 100 – это замерзание, а 0 – кипение воды. Карл Линней перевернул шкалу Цельсия и значения поменялись местами. Таким образом, более правильным утверждением было бы называть шкалу Цельсия шкалой Линнея.
В 1848 году лорд Кельвин изобрел особую шкалу, где не было отрицательных температур. Ноль по этой шкале – полная остановка тепловых движений молекул. То есть, дальнейшее замерзание невозможно.
