Основная информация о температуре

§ 6. Общие сведения

Температурой
называют физическую величину,
характеризующую степень нагретости
тела. Практически все технологические
процессы и различные свойства вещества
зависят от температуры.

В отличие от таких
физических величин, как длина, масса и
др. температура является не экстенсивной
(параметрической), а интенсивной
(активной) величиной. Так, если разделить
на две равные части гомогенное тело, то
его масса делится пополам. Температура,
являющаяся интенсивной величиной, таким
свойством аддитивности не обладает, т.
е. для системы, находящейся в термическом
равновесии, любая микроскопическая
часть системы имеет одинаковую
температуру. Поэтому не представляется
возможным создание эталона температуры,
подобно тому, как создаются эталоны
экстенсивных величин.

Измерять температуру
можно только косвенным путем, основываясь
на зависимости от температуры таких
физических свойств тел, которые поддаются
непосредственному измерению. Эти
свойства тел называют термометрическими.
К ним относят длину, объем, плотность,
термоЭДС, электрическое сопротивление
и т. д. Вещества, характеризующиеся
термометрическими свойствами, называют
термометрическими. Средство измерений
температуры называют термометром. Для
создания термометра необходимо иметь
температурную шкалу.

Электронный образовательный ресурс

ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

презентации к лекционному курсу

Москва НИУ МЭИ

Раздел 1: Методы и средства измерений температуры

Общие сведения об измерении температуры. Температурные шкалы. Волюметрические и дилатометрические термометры.

Термоэлектрические преобразователи. Элементы теории термопар.

Термоэлектрические преобразователи. Компенсация температуры свободных концов Конструкция. Измерение термо-ЭДС.

Методика измерения температуры контактными средствами измерения Измерение температуры бесконтактными методами (пирометры)

Электронный образовательный ресурс: «Технические измерения и приборы»

Раздел 2: Методы и средства измерений давления

Общие сведения об измерении давления. Жидкостные и деформационные манометры.

Электрические средства измерения давления. Грузопоршневые манометры. Методика измерений давления и разности давлений.

Раздел 3: Методы и средства измерений уровня

Раздел 4: Методы и средства измерений расхода

Общие сведения об измерении расхода. Расходомеры переменного перепада давления.

Расходомеры постоянного перепада давления. Тахометрические расходомеры.

Электромагнитные и ультразвуковые расходомеры.

Раздел 6: Измерение состава и свойств веществ

Анализ состава газов. Объемные химические газоанализаторы. Тепловые и магнитные газоанализаторы. Оптические, хемилюсцентные и циркониевые газоанализаторы.

Хроматографические газоанализаторы. Анализ состава жидкостей

Температура воздуха

Общие сведения о температуре воздуха

Суточный и годовой ход температуры

Термодинамическое определение

Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества — теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково — градусами.

В равновесном состоянии температура имеет одинаковое значение для всех макроскопических частей системы. Если в системе два тела имеют одинаковую температуру, то между ними не происходит передачи кинетической энергии частиц (тепла). Если же существует разница температур, то тепло переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой.

Температура связана также с субъективными ощущениями «тепла» и «холода», связанными с тем, отдаёт ли живая ткань тепло или получает его.

Некоторые квантовомеханические системы могут находиться в состоянии, при котором энтропия не возрастает, а убывает при добавлении энергии, что формально соответствует отрицательной абсолютной температуре. Однако такие состояния находятся не «ниже абсолютного нуля», а «выше бесконечности», поскольку при контакте такой системы с телом, обладающим положительной температурой, энергия передаётся от системы к телу, а не наоборот (подробнее см. Отрицательная абсолютная температура).

Свойства температуры изучает раздел физики — термодинамика. Температура также играет важную роль во многих областях науки, включая другие разделы физики, а также химию и биологию.

I        физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Т. одинакова для всех частей изолированной системы, находящейся в равновесии термодинамическом (См. Равновесие термодинамическое). Если изолированная система не находится в равновесии, то с течением времени переход энергии (теплопередача) от более нагретых частей системы к менее нагретым приводит к выравниванию Т. во всей системе (первый постулат, или нулевое начало термодинамики (См. Термодинамика)). Т. определяет: распределение образующих систему частиц по уровням энергии (См. Уровни энергии) (см. Больцмана статистика) и распределение частиц по скоростям (см. Максвелла распределение); степень ионизации вещества (см. Саха формула); свойства равновесного электромагнитного излучения тел — спектральную плотность излучения (см. Планка закон излучения), полную объёмную плотность излучения (см. Стефана – Больцмана закон излучения) и т. д. Т., входящую в качестве параметра в распределение Больцмана, часто называют Т. возбуждения, в распределение Максвелла — кинетической Т., в формулу Саха — ионизационной Т., в закон Стефана — Больцмана — радиационной температурой (См. Радиационная температура). Поскольку для системы, находящейся в термодинамическом равновесии, все эти параметры равны друг другу, их называют просто температурой системы. В кинетической теории газов (См. Кинетическая теория газов) и др. разделах статистической механики Т. количественно определяется так, что средняя кинетическая энергия поступательного движения частицы (обладающей тремя степенями свободы) равна 3/2кТ, где k — Больцмана постоянная, Т — температура тела. В общем случае Т. определяется как производная от энергии тела в целом по его энтропии (См. Энтропия). Такая Т. всегда положительна (поскольку кинетическая энергия положительна), её называют абсолютной Т. или Т. по термодинамической температурной шкале. За единицу абсолютной Т. в Международной системе единиц (См. Международная система единиц) (СИ) принят Кельвин (К). Часто Т. измеряют по шкале Цельсия (t), значения t связаны с Т равенством t = Т – 273,15 К (градус Цельсия равен Кельвину). Методы измерения Т. рассмотрены в статьях Термометрия, Термометр.         Строго определённой Т. характеризуется лишь равновесное состояние тел. Существуют, однако, системы, состояние которых можно приближённо охарактеризовать несколькими не равными друг другу температурами. Например, в плазме, состоящей из лёгких (электроны) и тяжёлых (ионы) заряженных частиц, при столкновении частиц энергия быстро передаётся от электронов к электронам и от ионов к ионам, но медленно от электронов к ионам и обратно. Существуют состояния плазмы, в которых системы электронов и ионов в отдельности близки к равновесию, и можно ввести Т. электронов Тэ и Т. ионов Ти, не совпадающие между собой.         В телах, частицы которых обладают магнитным моментом (См. Магнитный момент), энергия обычно медленно передаётся от поступательных к магнитным степеням свободы, связанным с возможностью изменения направления магнитного момента. Благодаря этому существуют состояния, в которых система магнитных моментов характеризуется Т., не совпадающей с кинетической Т., соответствующей поступательному движению частиц. Магнитная Т. определяет магнитную часть внутренней энергии и может быть как положительной, так и отрицательной (см. Отрицательная температура). В процессе выравнивания Т. энергия передаётся от частиц (степеней свободы) с большей Т. к частицам (степеням свободы) с меньшей Т., если они одновременно положительны или отрицательны, но в обратном направлении, если одна из них положительна, а другая отрицательна. В этом смысле отрицательная Т. «выше» любой положительной. Л. Ф. Андреев.II        в астрофизике, параметр, характеризующий физическое состояние среды. В астрофизике Т. небесных объектов определяется путём исследований их излучения, основанных на некоторых теоретических предположениях; в частности, допускается, что среда находится в термодинамическом равновесии и к ней применимы законы излучения абсолютно чёрного тела. Поскольку, однако, условия, господствующие в небесных объектах (звёздах, туманностях и др.), сильно отличаются от термодинамического равновесия, результаты определения Т. разными методами могут в значительной степени различаться.         Применяются следующие виды Т.: эффективная Т. звезды (или другого какого-либо объекта, например солнечной короны) — Т. абсолютно чёрного тела, имеющего те же размеры и дающего тот же полный поток излучения, что и звезда (объект). Яркостная Т. — Т. абсолютно чёрного тела, интенсивность излучения которого в определённой длине волны равна наблюдаемой в данном направлении. Спектрофотометрическая (цветовая) Т. — Т. абсолютно чёрного тела, имеющего наиболее близкое к наблюдаемому относительное распределение интенсивности излучения в рассматриваемом участке спектра. Спектрофотометрическая Т. может быть весьма различной для разных участков спектра. Т. возбуждения — параметр, характеризующий распределение атомов по состояниям возбуждения («населённость» электронных энергетических уровней). Предполагается, что это распределение может быть представлено формулой Больцмана:        где χ0 – потенциал возбуждения, k — постоянная Больцмана, n0 — число атомов в нормальном, невозбуждённом состоянии, n — число атомов в возбуждённом состоянии. Т. возбуждения в одной и той же среде для разных атомов и энергетических уровней может быть различна. Кинетическая Т. — параметр, характеризующий среднюю кинетическую энергию теплового движения частиц согласно формуле:        где m — масса, υ — скорость движения частиц.         Электронная и ионная Т. — кинетическая Т., соответственно, электронов и ионов. Ионизационная Т. — параметр, характеризующий степень ионизации вещества и определяемый по относительной интенсивности спектральных линий в предположении справедливости известных теоретических предположений (ионизационная формула Саха).         Для состояния термодинамического равновесия все определения Т. приводят к одной и той же величине. Лит.: Теоретическая астрофизика, М., 1952.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия.
.

Смотреть что такое “Температура” в других словарях

Некоторые значения в этой таблице являются округлёнными.

Температура (в физике)

Температура (в физике)

Температура (от лат. temperatura — надлежащее смешение, соразмерность, нормальное состояние), физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Т. одинакова для всех частей изолированной системы, находящейся в Если изолированная система не находится в равновесии, то с течением времени переход энергии (теплопередача) от более нагретых частей системы к менее нагретым приводит к выравниванию Т. во всей системе (первый постулат, или нулевое начало ) Т. определяет: распределение образующих систему частиц по (см. ) и распределение частиц по скоростям (см. ) степень ионизации вещества (см. ) свойства равновесного электромагнитного излучения тел — спектральную плотность излучения (см. Планка закон излучения) полную объёмную плотность излучения (см. Стефана — Больцмана закон излучения) и т. д. Т., входящую в качестве параметра в распределение Больцмана, часто называют Т. возбуждения, в распределение Максвелла — кинетической Т., в формулу Саха — ионизационной Т., в закон Стефана — Больцмана — Поскольку для системы, находящейся в термодинамическом равновесии, все эти параметры равны друг другу, их называют просто температурой системы. В кинетической теории газов и др. разделах статистической механики Т. количественно определяется так, что средняя кинетическая энергия поступательного движения частицы (обладающей тремя степенями свободы) равнагде — , Т — температура тела. В общем случае Т. определяется как производная от энергии тела в целом по его Такая Т. всегда положительна (поскольку кинетическая энергия положительна), её называют абсолютной Т. или Т. по термодинамической температурной шкале. За единицу абсолютной Т. в Международной системе единиц (СИ) принят (К). Часто Т. измеряют по шкале Цельсия () значения связаны с равенством = 273,15 К (градус Цельсия равен Кельвину). Методы измерения Т. рассмотрены в статьях

Строго определённой Т. характеризуется лишь равновесное состояние тел. Существуют, однако, системы, состояние которых можно приближённо охарактеризовать несколькими не равными друг другу температурами. Например, в плазме, состоящей из лёгких (электроны) и тяжёлых (ионы) заряженных частиц, при столкновении частиц энергия быстро передаётся от электронов к электронам и от ионов к ионам, но медленно от электронов к ионам и обратно. Существуют состояния плазмы, в которых системы электронов и ионов в отдельности близки к равновесию, и можно ввести Т. электронов и Т. ионов не совпадающие между собой.

В телах, частицы которых обладают энергия обычно медленно передаётся от поступательных к магнитным степеням свободы, связанным с возможностью изменения направления магнитного момента. Благодаря этому существуют состояния, в которых система магнитных моментов характеризуется Т., не совпадающей с кинетической Т., соответствующей поступательному движению частиц. Магнитная Т. определяет магнитную часть внутренней энергии и может быть как положительной, так и отрицательной (см. ) В процессе выравнивания Т. энергия передаётся от частиц (степеней свободы) с большей Т. к частицам (степеням свободы) с меньшей Т., если они одновременно положительны или отрицательны, но в обратном направлении, если одна из них положительна, а другая отрицательна. В этом смысле отрицательная Т. «выше» любой положительной.

Понятие Т. применяют также для характеристики неравновесных систем (см. Термодинамика неравновесных процессов) Например, яркость небесных тел характеризуют спектральный состав излучения — и т. д.

Смотреть что такое “Температура (в физике)” в других словарях

Для описания точек фазовых переходов различных веществ используют следующие значения температуры:

• Температура плавления
• Температура кипения
• Температура отжига
• Температура спекания
• Температура синтеза
• Температура воздушных масс
• Температура почвы
• Гомологическая температура
• Тройная точка
• Температура Дебая (Характеристическая температура)
• Температура Кюри

Суточный и годовой ход температуры

Если говорить о приземном шаре атмосферы, то годовой и суточный показатели температуры определяются на высоте над поверхностью 2 метров.

Под суточным ходом температуры воздуха подразумевают ее суточные изменения.

Суточной амплитудой называют разницу между низкой и высокой температурой, что зафиксированы в течении суток.

На суше амплитуда значительно выше, а над океаном уменьшается и все больше, двигаясь в высокие широты.

Изменения температуры за год получило название годового хода температуры воздуха.

Годовые изотермы отвечают годовому распределению баланса радиации, то есть они простираются по субширотах. Разные географические зоны характеризуются различным годовым ходом в зависимости от широты местности. Существует четыре вида температурного годового хода, которые выделяются исходя из времени наступления максимальных температур и многолетней средней амплитуды:

• экваториальный – два минимума и максимума;
• тропический – максимум и минимум после солнцестояния;
• умеренный – минимум и максимум после солнцестояния;
• полярный – минимум во время полярной ночи.

Также на показатели годового температурного хода влияет высота местности над уровнем океана. Чем выше она расположена, тем меньше годовая амплитуда. Процессами измерения температур занимаются специализированные ученые непосредственно на метеорологических станциях.

Измерение температуры

Типичный термометр со шкалой по Цельсию, показывающий −17 градусов

Для измерения термодинамической температуры выбирается некоторый термодинамический параметр термометрического вещества. Изменение этого параметра однозначно связывается с изменением температуры. Классическим примером термодинамического термометра может служить газовый термометр, в котором температуру определяют методом измерения давления газа в баллоне постоянного объёма. Известны также термометры абсолютные радиационные, шумовые, акустические.

Термодинамические термометры — это очень сложные установки, которые невозможно использовать для практических целей. Поэтому большинство измерений производится с помощью практических термометров, которые являются вторичными, так как не могут непосредственно связывать какое-то свойство вещества с температурой. Для получения функции интерполяции они должны быть отградуированы в реперных точках международной температурной шкалы.

Средства измерения температуры часто проградуированы по относительным шкалам — Цельсия или Фаренгейта.

На практике для измерения температуры также используют

Изменение температуры

Как выше указывалось, температура меняется постоянно. Днем суша более быстро прогревается, а она прогревает воздух. Ночью же суша остывает и, конечно же, охлаждается сам воздух. Самые низкие температуры, как правило, наблюдаются перед рассветом, а более высокие температуры – в послеобеденное время.

Постоянные метаморфозы, что происходят в размещении температуры воздушных масс в атмосфере, получили название теплового режима.

Обмен массой, теплом и количеством движений между разными атмосферными шарами осуществляется непрерывно. Атмосфера взаимодействует с земной поверхностью с помощью таких же процессов. Происходит это такими путями как:

• радиационный путь – когда воздух непосредственно поглощает радиацию солнца;
• теплопроводности путь;
• передача тепловой энергии с помощью испарения, кристаллизации или конденсации пара.

На одной широте температура также имеет различные значения. Вот только на экваториальном климатическом поясе колебание температурного суточного режима практически отсутствует. Дневные и ночные показатели тепла здесь идентичны. Если говорить о побережьях больших водоемов и их поверхности, то амплитуда температуры здесь также незначительная. Стоит также отметить пустынные территории, ведь здесь суточная разница может достигать даже 50-60 градусов.

Умеренно климатические пояса характеризуются максимальной солнечной радиацией в тот период, когда происходит летнее солнцестояние. Для Северного полушария – это июль, для Южного – январь месяц. Причиной такого явления считаются интенсивная солнечная радиация и огромное количество тепла, что отдает поверхность Земли в атмосферу.

Более масштабными годовыми амплитудами характеризуются широты севера. Каждая местность имеет свои особенности по поводу абсолютных и средних температур воздушных масс. Если говорить о самом жарком месте на Земле, то это Ливийская пустыня. Абсолютная максимальная температура здесь достигала +58 градусов. Самое холодное место – это станция “Восток” (Антарктида). Минимальная температура тут −89,2 градуса. Среднесуточная, среднегодовая, среднемесячная и так далее температуры считаются среднеарифметической величиной, которая была изъята из нескольких показателей. Как говорилось выше, в тропосфере с высотой температура падает, а вот в приземном шаре все не так однозначно. Распределение бывает разнообразным – температура падает, повышается или вообще не изменяется. Для того чтобы представить, как меняется температура с показателями высоты, нужно принять ко вниманию ВГТ (вертикальный градиент температуры). На его показатели влияет абсолютно все: время года, суток, климатические условия и так далее. К примеру, ветер помогает перемешать воздушные массы и температура на различных высотах становится одинаковой – ВГТ уменьшается под влиянием ветра. Также понижаться показатель ВГТ может из-за слишком влажных почв, так как эти поверхности характеризуются совершенно разной температурой.

Как с высотой деформируется температура, обозначает знак ВГТ. Если его показатели меньше нуля, то температура склонна к росту. Если он превышает ноль – то с удалением от Земли температура падает. Температура не меняется совершенно, если показатель ВГТ – 0. Такой подход называют инверсией.

Инверсии классифицируются на:

• радиационные – те, что характеризуются радиационным выхолаживанием поверхности Земли;
• адвективные – формируются при передвижении теплого воздуха на охлажденную поверхность.

Задай вопрос специалистам и получи ответ уже через 15 минут

Определение температуры в статистической физике

В статистической физике температура определяется по формуле

где S — энтропия, E — энергия термодинамической системы. Введённая таким образом величина T является одинаковой для различных тел при термодинамическом равновесии. При контакте двух тел тело с большим значением T будет отдавать энергию другому.

§ 6. Температурные шкалы

Температурной
шкалой называют конкретную функциональную
числовую связь температуры со значениями
измеряемого термометрического свойства.
В этой связи представляется возможным
построение температурной шкалы на
основе выбора любого термометрического
свойства. В то же время нет ни одного
термометрического свойства, которое
линейно изменяется с изменением
температуры и не зависит от других
факторов в широком интервале измерения
температур.

Первые
шкалы появились в XVIII
в. Для построения их выбирались две
опорные, или реперные точки t1
и
t2.
представляющие собой температуры
фазового равновесия чистых веществ.
Разность температур t2 — t1
называют
основным температурным интервалом.

Фаренгейт
(1715 г.), Реомюр (1776 г.) и Цельсий (1742 г.) при
построении шкал основывались на допущении
линейной связи между
температурой t
и
термометрическим свойством, в качестве
которого использовалось расширение
объема жидкости V,
т.
е.

где а
и
b
—
постоянные коэффициенты.

Подставив
в это уравнение V=V1
при
t=t1
и
V=V2
при
t=t2,
после
преобразований получим уравнение
температурной шкалы:

В
шкалах Фаренгейта, Реомюра и Цельсия
точке плавления льда t1
соответствовали
+32, 0 и 0°, а точке кипения воды t2
—
212, 80 и 100°. Основной интервал t2 — t1
в этих шкалах делится соответственно
на N=
180,
80 и 100 равных частей, и 1/N
часть
каждого из интервалов называют градусом
Фаренгейта — t°F,
градусом
Реомюра— t°R
и
градусом Цельсия — t°C.
Таким
образом, для шкал, построенных по
указанному принципу, градус не является
единицей измерения, а, представляет
собой единичный промежуток — масштаб
шкалы.

Для
пересчета температуры из одной указанной
шкалы в другую используют соотношение

Позднее
было выяснено, что показания термометров,
имеющих разные термометрические вещества
(например, ртуть, спирт и др.), использующих
одно и то же термометрическое свойство
и равномерную градусную шкалу, совпадают
лишь в реперных точках, а в других точках
показания расходятся. Последнее особенно
заметно при измерении температур,
значения которых расположены далеко
от основного интервала.

Указанное
обстоятельство объясняется тем, что
связь между температурой и термометрическим
свойством на самом деле нелинейна и эта
нелинейность различна для различных
термометрических веществ. В частности,
в рассматриваемом случае нелинейность
между температурой и изменением объема
жидкости объясняется тем, что температурный
коэффициент объемного расширения
жидкости сам изменяется от температуры
и это изменение различно для различных
капельных жидкостей.

На основе описанного
принципа построения может быть получено
любое количество температурных шкал,
значительно различающихся между собой.
Такие шкалы называют условными, а
масштабы этих шкал — условными градусами.
Проблема создания температурной шкалы,
не зависящей от термометрических свойств
веществ, была решена в 1848 г. Кельвином,
а предложенная им шкала была названа
термодинамической. В отличие от условных
температурных шкал термодинамическая
температурная шкала является абсолютной.

Термодинамическая
шкала температур основана
на использовании второго закона
термодинамики. В соответствии с этим
законом коэффициент полезного действия
η тепловой машины, работающей по
обратимому циклу Карно, определяется
только температурами нагревателя Тн
и
холодильника Тх
и
не зависит от свойств рабочего вещества,
т. е.

где
QH
и
Qx
—
соответственно количество теплоты,
полученное рабочим веществом от
нагревателя и отданное холодильнику.

Кельвином было
предложено для определения температуры
использовать равенство

Следовательно,
используя один объект в качестве
нагревателя, а другой — в качестве
холодильника и проводя между ними цикл
Карно, можно определить отношение
температур объектов путем измерения
отношения теплоты, взятой от одного
объекта и отданной другому. Полученная
шкала температур не зависит от свойств
рабочего (термометрического) вещества
и называется абсолютной шкалой температур.
Чтобы абсолютная температура (а не
только отношение) имела определенное
значение, было предложено принять
разность термодинамических температур
между точками кипения воды Ткв
и таяния льда Ттл,
равной 100°. Принятие такого значения
разности преследовало цель сохранения
преемственности числового выражения
термодинамической температурной шкалы
от стоградусной температурной шкалы
Цельсия. Таким образом, обозначая
количество теплоты, полученной от
нагревателя (кипящая вода) и отдаваемой
холодильнику (тающий лед), соответственно
через QKB
и
QTЛ
и приняв Ткв—
Ттл
=100, используя (6.3), получим

Для
любой температуры Т
нагревателя
при неизменном значении температуры
Ттл
холодильника и количества теплоты QTЛ,
отдаваемой ему рабочим веществом машины
Карно, будем иметь

Выражение
(6.4) является уравнением стоградусной
термодинамической шкалы температур и
показывает, что значение температуры
Т
по
данной шкале линейно связано с количеством
теплоты Q,
полученной рабочим веществом тепловой
машины при совершении ею цикла Карно,
и, как следствие, не зависит от свойств
термометрического
вещества. За один градус термодинамический
температуры принимают такую разность
между температурой тела и температурой
таяния льда, при которой производимая
по обратимому циклу Карно работа равна
1/100 части работы, совершаемой в цикле
Карно между температурой кипения воды
и таяния льда (при условии, что в обоих
циклах количество теплоты, отдаваемой
холодильнику, одинаково).

Из
выражения (6.2) следует, что при максимальном
значении η = 1 должна быть равна нулю Тх.
Эта наименьшая температура была названа
Кельвином абсолютным нулем. Температуру
по термодинамической шкале обозначают
Т
К.

Если
в выражение, описывающее газовый закон
Гей-Люссака: Pt = Po(l+αt) = Poα(l/α+t)
(где Ро
— давление
при t=0°С;
α
— температурный коэффициент давления),
подставить значение температуры, равное
— l/α,
то давление газа Pt
станет
равным нулю. Естественно предположить,
что температура t=—
l/α
, при которой обеспечивается предельное
минимальное давление газа, сама является
минимально возможной, и по абсолютной
шкале Кельвина принята за нуль.
Следовательно, абсолютная температура
T=
l/α
+ t.

Из
закона Бойля — Мариотта известно, что
для газов температурный коэффициент
давления α
равен температурному коэффициенту
объемного расширения β. Экспериментально
было найдено, что для всех газов при
давлениях, стремящихся к нулю, в интервале
температур 0—100°С температурный
коэффициент объемного расширения β ==
1/273,15.

Таким
образом, нулевое значение абсолютной
температуры соответствует t=
—
l/α
=
—
l/
β = —273,15°С. Температура таяния льда по
абсолютной шкале составит Tо=273,15
К.

Любая
температура в абсолютной шкале Кельвина
может быть определена как T
= 273,15К + t
(t
—
температура в °С). Необходимо отметить,
что один градус Кельвина (1К) соответствует
одному градусу, Цельсия (1°С), так как
обе шкалы базируются на одинаковых
реперных точках.

Термодинамическая
шкала температур, основанная на двух
реперных точках (температура таяния
льда и кипения воды), обладала недостаточной
точностью измерения. Практически трудно
воспроизвести температуры указанных
точек, так как они зависят от изменения
давления, а также от незначительных
примесей в воде. Кельвин и независимо
от него Д.И.Менделеев высказали соображения
о целесообразности построения
термодинамической шкалы температур по
одной реперной точке.

Консультативный
комитет по термометрии Международного
комитета мер и весов в 1954 г. принял
рекомендацию о переходе к определению
термодинамической шкалы с использованием
одной реперной точки — тройной точки
воды (точки равновесия воды в твердой,
жидкой и газообразной фазах), которая
легко воспроизводится в специальных
сосудах с погрешностью не более 0,0001 К.
Температура этой точки принята равной
273,16 К, т. е. выше температуры точки таяния
льда на 0,01 К. Такое число выбрано для
того, чтобы значения температур по новой
шкале практически не отличались от
старой шкалы Цельсия с двумя реперными
точками. Второй реперной точкой является
абсолютный нуль, который экспериментально
не реализуется, но имеет строго
фиксированное положение.

В 1967
г. XIII
Генеральная конференция по мерам и
весам уточнила определение единицы
термодинамической температуры в
следующей редакции: «Кельвин—1/273,16
часть термодинамической температуры
тройной точки воды». Термодинамическая
температура может быть также выражена
в градусах Цельсия: t
= =
T—273,15
К.

Использование
второго закона термодинамики, предложенное
Кельвином с целью установления понятия
температуры и построения абсолютной
термодинамической температурной шкалы,
не зависящей от свойств термометрического
вещества, имеет огромное теоретическое
и принципиальное значение. Однако
реализация указанной шкалы с использованием
в качестве термометра тепловой машины,
работающей по обратимому циклу Карно,
практически неосуществима.

Термодинамическая
температура эквивалентна газотермической,
используемой в уравнениях, описывающих
законы идеальных газов. Газотермическую
температурную шкалу строят на основе
газового термометра, в котором в качестве
термометрического вещества используется
газ, приближающийся по свойствам к
идеальному газу. Таким образом, газовый
термометр является реальным средством
для воспроизведения термодинамической
температурной шкалы.

Газовые термометры
бывают трех типов: постоянного объема,
постоянного давления и постоянной
температуры.

Обычно
применяют газовый термометр постоянного
объема (рис. 6.1), в котором изменение
температуры газа пропорционально
изменению давления. Газовый термометр
состоит из баллона 1
и
соединительной трубки 2,
заполненных
через вентиль 3
водородом,
гелием или азотом (для высоких температур).
Соединительная трубка 2
подсоединена
к трубке 4
двухтрубного
манометра, у которого трубку 5
можно
перемещать вверх или вниз благодаря
гибкому соединительному шлангу 6.
При
изменении температуры объем системы,
заполненной газом, изменяется, и для
приведения его к первоначальному
значение трубку 5
вертикально
перемещают до тех пор, пока уровень
ртути в трубке 4
не
совпадет с осью X—X.
При
этом столб ртути в трубке 5,
отсчитанный
от уровня X—X,
будет
соответствовать давлению газа Р
в
баллоне. Обычно измеряемую температуру
Т
определяют
относительно некоторой точки отсчета,
например по отношению к температуре
тройной точки воды То,
при
которой давление газа в баллоне будет
Р0.
Искомая температура T
= T0
P/P0.

Рис.
6.1. Схема газового термометра

Газовые
термометры используют в интервале
~2—1300 К. Погрешность газовых термометров
находится в пределах 3·10-3—
2·10-2
К в зависимости от измеряемой температуры.
Достижение такой высокой точности
измерения — сложная задача, требующая
учета многочисленных факторов: отклонения
свойств реального газа от идеального,
наличие примесей в газе, сорбцию и
десорбцию газа стенками баллона, диффузию
газа через стенки, изменение объема
баллона от температуры, распределение
температуры вдоль соединительной
трубки.

В силу большой
трудоемкости работы с газовыми
термометрами предпринимались попытки
изыскать более простые методы
воспроизведения термодинамической
температурной шкалы.

На
основе проведенных в различных странах
исследований на VII
Генеральной конференции по мерам и
весам в 1927 г. было принято термодинамическую
шкалу заменить «практической»
температурной шкалой и
назвать ее международной
температурной шкалой. Эта
шкала была согласована со стоградусной
термодинамической шкалой настолько
тесно, насколько позволял уровень знаний
того времени.

Для построения
международной температурной шкалы было
выбрано шесть воспроизводимых реперных
точек, значения температуры которых по
термодинамической шкале были тщательно
измерены в различных странах с помощью
газовых термометров и приняты наиболее
достоверные результаты. С помощью
реперных точек градуируются эталонные
приборы для воспроизведения международной
температурной шкалы. В интервалах между
реперными точками значения температур
рассчитывают по предлагаемым
интерполяционным формулам, устанавливающим
связь между показаниями эталонных
приборов и температурой по международной
шкале.

В 1948,
1960 и 1968 гг. в положения о международной
температурной шкале был внесен ряд
уточнений и дополнений, так как на основе
усовершенствованных методов измерений
были обнаружены отличия этой шкалы от
термодинамической, особенно в области
высоких температур, а также в связи с
необходимостью продлить температурную
шкалу до более низких температур. В
настоящее время действует принятая на
XIII
конференции по мерам и весам
усовершенствованная шкала под названием
«международная практическая температурная
шкала 1968» (МПТП—68). Определение
«практическая» указывает, что эта
температурная шкала в общем не совпадает
с термодинамической. Температуры МПТШ—68
снабжаются индексом (T68
или t68).

МПТШ—68 базируется
на 11 основных реперных точках, приведенных
в табл. 6.1. Наряду с основными имеется
27 вторичных реперных точек, охватывающих
диапазон температур от 13,956 до 3660 К (от
—259,194 до 3387°С). Числовые значения
температур, приведенные в таблице,
соответствуют термодинамической шкале
и определены с помощью газовых термометров.

Таблица
6.1 Основные
реперные точки МПТШ—68

В
качестве эталонного термометра в
интервале температур от 13,81 до 903,89 К
(630,74°С — точка затвердевания сурьмы
—вторичная реперная точка) принимается
платиновый термопреобразователь
сопротивления. Этот интервал разбит на
пять подынтервалов, для каждого из
которых определены интерполяционные
формулы в виде полиномов до четвертой
степени. В интервале температур от
903,89 до 1337,58 К используется эталонный
платина-платинородиевый термоэлектрический
термометр. Интерполяционной формулой,
связывающей термоэлектродвижущую силу
с температурой, здесь является полином
второй степени.

Для температур
выше 1337,58 К (1064,43°С) МПТШ—68 воспроизводится
с помощью квазимонохроматического
термометра с использованием закона
излучения Планка.

Единицы и шкала измерения температуры

Из того, что температура — это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (то есть в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах — градусах.

Абсолютная температура. 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. Единица абсолютной температуры — кельвин (К).

Абсолютная шкала температуры называется так, потому что мера 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 определён как 0 K, что равно −273.15 °C.

Шкала температур Кельвина — это шкала, в которой начало отсчёта ведётся 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 по ним измеряются, соответственно, в градусах Ранкина (°Ra) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля. Различаются они тем, что цена одного деления по шкале Кельвина равна цене деления шкалы Цельсия, а цена деления шкалы Ранкина эквивалентна цене деления термометров со шкалой Фаренгейта. Температуре замерзания воды при стандартном атмосферном давлении соответствуют 273,15 K, 0 °C, 32 °F.

В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а 100 градусов Цельсия — 212 градуса Фаренгейта.

В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F — 32), t °F = 9/5 t °С + 32. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724 году.

Предложена в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.

Единица — градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками — температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)

1 °R = 1,25 °C.

В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

Интересные факты

• Самая высокая теоретически возможная температура — планковская температура. Более высокая температура не может существовать, так как всё превращается в энергию (все субатомные частицы разрушатся). Эта температура примерно равна 1.41679(11)·1032 K (примерно 142 нониллиона K).
• Поверхность Солнца имеет температуры около 6000 K.
• Семена высших растений сохраняют всхожесть после охлаждения до −269 °C.

Большая советская энциклопедия

Когда материя охлаждается, многие формы тепловой энергии и связанные с ней эффекты одновременно уменьшаются по величине. Вещество переходит от менее упорядоченного состояния к более упорядоченному.

П. Л. Капица (Свойства жидкого гелия)

Газ превращается в жидкость и затем кристаллизуется в твёрдое тело (гелий и при абсолютном нуле остаётся в жидком состоянии при атмосферном давлении). Движение атомов и молекул замедляется, их кинетическая энергия уменьшается. Сопротивление большинства металлов падает из-за уменьшения рассеяния электронов на колеблющихся с меньшей амплитудой атомах кристаллической решётки. Таким образом даже при абсолютном нуле электроны проводимости движутся между атомами со скоростью Ферми порядка 1·106м/с.

Температура, при которой частицы вещества имеют минимальное количество движения, сохраняющееся только благодаря квантовомеханическому движению, — это температура абсолютного нуля (Т = 0К).

Температура и излучение

Излучаемая телом энергия пропорциональна четвёртой степени его температуры. Так, при 300 К с квадратного метра поверхности излучается до 450 ватт. Этим объясняется, например, ночное охлаждение земной поверхности ниже температуры окружающего воздуха. Энергия излучения абсолютно чёрного тела описывается законом Стефана — Больцмана