Температурные шкалы и единицы тепловых величин
ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ
Температурные шкалы и единицы тепловых величин
Измерять температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. К ним относят длину, объем, плотность, термоЭДС, электрическое сопротивление и т. д. Вещества, характеризующиеся термометрическими свойствами, называют термометрическими.
Установлено, что нет ни одного термометрического свойства, которое линейно изменяется с изменением температуры и не зависит от других факторов в широком интервале измерения температур.
Фарангейт (1715 г.), Реомюр (1776 г.), Цельсий (1742 г.) при построении шкал использовали две опорные, или реперные точки, представляющие собой температуры фазового равновесия чистых веществ, и наличие линейной связи между температурой и термометрическими свойствами жидкости.
Связь между шкалами Цельсия, Реомюра и Фарангейта можно представить соотношением toC = 1,25oR = (5/9)×(toF – 32).
Создание температурной шкалы, не зависящей от термометрических свойств вещества (абсолютной шкалы), принадлежит Кельвину (1848 г.). Термодинамическая (абсолютная) шкала основана на втором законе термодинамики. В соответствии с этим законом коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по обратимому циклу Карно, определяется только температурами нагревателя и холодильника и не зависит от свойств вещества. Кельвином для определения температуры было предложено использовать равенство:
Тн/Тх = Qн/Qх
где Тн, Тх – соответственно температура нагревателя и холодильника;
Qн, Qх – соответственно количество теплоты, полученное рабочим веществом от нагревателя и отданное холодильнику.
Кельвин – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Термодинамическая температура может быть также выражена в градусах Цельсия: t = Т – 273,15 К.
В настоящее время действует принятая на ХIII конференции по мерам и весам усовершенствованная шкала под названием "Международная практическая температурная шкала 1968" (МПТШ – 68). Температуры МПТШ – 68 снабжаются индексами Т68 или t68.
МПТШ – 68 основывается на ряде воспроизводимых состояний равновесия (реперных точек) некоторых веществ – 11 основных и 27 вторичных реперных точек, охватывающих диапазон температур от 13,956 до 3660 К (от -259,194 до 3387 оС). Числовые значения температур по основным реперным точкам, приведенные в таблице 1, соответствуют термодинамической шкале и определены с помощью газовых термометров.
Газовые термометры бывают трех типов: постоянного объема, постоянного давления и постоянной температуры. В газовом термометре постоянного объема (рисунок 1) изменение температуры газа пропорционально изменению давления.
Таблица 1 Основные реперные точки МПТШ – 68
Состояние равновесия | Температура | Состояние равновесия | Температура | ||
Т68 оК | t68, оС | Т68 оК | t68, оС | ||
Тройная точка водорода | 13,81 | -259,34 | Точка кипения воды | 373,15 | |
Точка кипения водорода | 20,28 | -252,87 | Точка затвердевания олова | 505,1181 | 231,9681 |
Точка кипения неона | 27,102 | -246,048 | Точка затвердевания цинка | 692,73 | 419,58 |
Тройная точка кислорода | 54,361 | -218,789 | Точка затвердевания серебра | 1235,08 | 961,93 |
Точка кипения кислорода | 90,188 | -182,962 | Точка затвердевания золота | 1337,58 | 1064,430 |
Тройная точка воды | 273,16 | 0,01 |
Газовый термометр состоит из баллоны 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 и вниз благодаря гибкому соединительному шлангу 6.
При измерении температуры объем системы, заполненной газом, изменяется, и для приведения его к первоначальному значению трубку 5 вертикально перемещают до тех пор, пока уровень ртути в трубке 4 не совпадет с осью Х-Х. При этом столб ртути в трубке 5, отсчитанный от уровня Х-Х, будет соответствовать давлению газа Р в баллоне. Если при температуре тройной точки воды Т0 давление газа в баллоне равно Р0, то при измеренном давлении Р искомая температура .
Интерполяция между реперными точками шкалы производится с помощью эталонных: платинового термометра сопротивления в интервале от 13,81 до 903,89 К; платинородий-платиновой термопары в интервале температур от 903, 89 до 1337,58 К; квазимонохроматического термометра с использованием закона излучения Планка при температуре свыше 1337,58 К.
По системе SI единицы некоторых тепловых величин, применяемые в Российской Федерации, приведены в таблице 2.
Таблица 2 Единицы тепловых величин