Эталон температуры и его реализация. Температурные шкалы

Одной из наиболее употребляемых термометрических шкал является шкала Цельсия (1735 г.). В этой шкале за начало отсчета («0») принята температура таяния льда, а за 100 единиц такой шкалы («100») — температура кипения воды. Цена деления такой шкалы 0,01. В качестве рабочего тела в термометрах со шкалой Цельсия использовались либо спирт, либо ртуть, либо идеальный газ. В последнем случае, приняв за основу шкалу Цельсия, по закону Гей-Люссака  при
V = const и знании
b по измеренному давлению идеального газа определяется его температура и температура измеряемой среды, в контакте с которой находится термометр. Процедура калибровки по спиртовому термометру следующая: , отсюда получаем

 

Для идеального газа b = 1/273,15 К–1.

В случае использования в термометрах реальных газов применяются методы статистической механики:

[PVm = RT(1 + B(T)/Vm + C(T)/Vm2 +…)]

илициклКарно:

[PVm = vRT(1 + vB(T)/Vm)].

Помимо шкалы Цельсия широкое распространение получила шкала Фаренгейта (1714 г.). Сначала в термометре Фаренгейта в качестве рабочего тела использовалась смесь жидкостей — нашатырь, вода и лед. При этом были введены две реперные точки: температура таяния льда –32 °F и температура человеческой крови –96 °F. Ноль шкалы отстоял от температуры таяния льда на 32 деления, вся же шкала была разделена на 96 частей. Впоследствии Фаренгейт ввел в качестве рабочего тела ртуть и получил еще одну реперную точку — точку кипения воды.

Наиболее ранними из известных на сегодняшний день термометров были газовый термометр Галилея (1611 г.) и прообраз термометра Цельсия — термометр Реомюра (1730 г.), где в качестве рабочего тела использовались спирт и вода.

Для введения абсолютной температуры используется закон Гей-Люссака при постоянном объеме:  что равносильно  Отсюда при t = –273,15 °C получаем P(t) = 0. Это является причиной эффективности следующего введения абсолютной температуры: T = t + b–1. Тогда при t = 0 °С T = 273,15 К, а при T = 0 К   t = –273,15 °C, т.е. p(t) = 0.

Все эти шкалы зависят от термометрического вещества.

Кельвин предложил температурную шкалу, не зависящую от термометрического вещества. Она основана на термодинамическом определении температуры. В его основе лежит представление о циклическом изменении состояния системы. Изменение состояния называют циклическим, если возможно осуществить процесс приведения в исходное состояние всех компонентов системы.

Для определения температуры используется цикл Карно (рис.2.5). Рабочее тело вводится в контакт с нагревателем, тело получает от него при температуре T1 (изотерма) тепло Q1 и совершает при этом изотермическую работу (растет объем). Затем тело совершает адиабатическую работу DW12, в процессе которой оно охлаждается до T2. Дальше по изотерме T2 (при контакте с холодильником T2) рабочее тело отдает холодильнику тепло Q2 и совершает адиабатическую работу — снова нагревается до температуры T1.

Подпись:  
Рис.2.5. 
 Цикл Карно
Таким образом, температура определяется с точностью до произвольного множителя способом, не зависящим от свойств отдельных термометров.В частности, проводя цикл Карно между температурами плавления льда и кипения воды и определяя соответствующее отношение между количествами теплоты, можно определить отношение  для соответствующих температур. Это и будет шкалой Кельвина. Чтобы связать ее со шкалой Цельсия, интервал между температурой кипения воды и температурой таяния льда делится на 100 частей. Реперная точка связана с тройной точкой воды (она воспроизводится с погрешностью 10–4 °С). Это точка соответствует температуре 273,16 К. Нижней границей температурного интервала служит точка абсолютного нуля. Единица температурной шкалы — кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Значит, переход от шкалы Цельсия к шкале Кельвина таков

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector