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.
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.
Температурные шкалы
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.
Поскольку температура — это кинетическая энергия молекул, наиболее естественно измерять ее в энергетических единицах (в системе СИ — в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах — градусах.
Существует шесть наиболее известных температурных шкал: стоградусная, или шкала Цельсия (°С); Фаренгейта (°F); абсолютная, или шкала Кельвина (К); Реомюра (°R); Ньютона; Ранкина (°Ra).
Шкала Фаренгейта была предложена зимой 1709 г. немецким ученым Габриэлем Фаренгейтом. По этой шкале за нуль принималась точка, до которой в один очень холодный зимний день (дело было в Данциге) опустилась ртуть в термометре ученого. В качестве другой отправной точки он выбрал температуру человеческого тела. По этой не слишком логичной системе точка замерзания воды на уровне моря оказалась равной +32 °F, а точка кипения воды — +212 °F. Шкала популярна в США и Великобритании.
Шкала Реомюра. В 1731 г. французский ученый Рене де Реомюр предложил температурную шкалу, основанную на использовании спирта, обладающего свойством расширяться. За нижнюю реперную точку была принята точка замерзания воды. Градус Реомюр произвольно определил как одну тысячную от объема, который занимает спирт в резервуаре и трубке термометра при нулевой точке. При нормальных условиях точка кипения воды по этой шкале составляет 80°R. Шкала Реомюра ныне повсеместно вышла из употребления.
Шкала Цельсия. В 1742 г. шведский астроном Андерс Цельсий предложил шкалу, в которой за нуль принималась температура смеси воды и льда, а температура кипения воды приравнивалась к 100 °С. За градус принимается сотая часть интервала между этими реперными точками. Эта шкала более рациональна, чем шкалы Фаренгейта и Реомюра, и широко используется в науке. Шкала Цельсия очень удобна, поскольку вода широко распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь.
Ноль Цельсия — особая точка для метеорологии, поскольку замерзание атмосферной воды существенно все меняет
Шкала Кельвина была предложена в 1848 г. английским ученым Уильямом Томсоном (он же лорд Кельвин) как более точный способ измерения температуры. По этой шкале нулевая точка, или абсолютный нуль, представляет собой самую низкую температуру, какая только возможна, т. е. некое теоретическое состояние вещества, при котором его молекулы полностью перестают двигаться. Это значение было получено путем теоретического изучения свойств газа, находящегося под нулевым давлением. По стоградусной шкале абсолютный нуль, или нуль Кельвина, соответствует -273,15 °С. Следовательно, на практике О °С может быть приравнен к 273 К. До 1968 г. единица измерения кельвин (К) именовалась как градус Кельвина (°К).
Шкала Ньютона была разработана Исааком Ньютоном в 1701 г. для проведения теплофизических исследований и стала, вероятно, прообразом шкалы Цельсия. В качестве термометрической жидкости Ньютон использовал льняное масло. За 0° Ньютон взял температуру замерзания пресной воды, а температуру человеческого тела он обозначил как 12°. Таким образом, температура кипения воды стала равна 33°.
Шкала Ранкина была предложена шотландским инженером и физиком Уильямом Ранкином. Нуль ее совпадает с нулем термодинамической температуры, а по размеру 1 °Ra равен 5/9 К. То есть принцип тот же, что и в шкале Кельвина, только по размерности шкала Ранкина совпадает не со шкалой Цельсия, а со шкалой Фаренгейта. Эта система измерения температуры распространения не получила.
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.
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.
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.
