Глава 3. Приборы измерения температур.

3.1. Понятие температуры. Температурные шкалы.

Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюда температура - это условная статистическая величина, прямо пропорциональная средней кинетической энергии молекул тела.

Из второго начала термодинамики понятие температуры характеризуется мерой приращения тепла dQ, отведенного (или подведенного) от изолированной термодинамической системы в долях происходящего при этом изменения энтропии dS

Т=dQ/dS.

Для газообразных тел, согласно кинетической теории, средняя энергия поступательного движения молекул газа связана с температурой выражением:

,

где k=1,38*10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана.

В связи с исследованием высокотемпературной плазмы приходится сталкиваться с понятием электронной температуры, характеризующей поток электронов в плазме.

Возможность измерения температуры основывается на явлении теплового обмена между телами с разной степенью нагретости и на изменении физических свойств тел при их нагревании.

Принятая единица измерения температуры (1 градус) является по существу лишь мерой масштаба принятой температурной шкалы и процесс измерения температуры является определением положения на температурной шкале уровня измеренной температуры.

Температурная шкала – система последовательных числовых значений, соответствующих температурам.

Все предлагаемые эмпирические температурные шкалы (Цельсия, Реомюра, Фаренгейта) строились одинаковым путем: двум (по меньшей мере) постоянным точкам присваивались определенные числовые значения, и предполагалось, что видимое термометрическое свойство используемого в термометре вещества линейно связанно с температурой t:

,

где k – коэффициент пропорциональности; E – термометрическое свойство; D – постоянная.

Принимая для двух постоянных точек определенные значения температур, можно вычислить постоянные k, D и на этой основе построить температурную шкалу. При изменении температуры коэффициент k меняется, при чем различно для разных термометрических веществ. Поэтому термометры, построенные на базе различных термометрических веществ с равномерной градусной шкалой, давали при температурах, отличающихся от температур постоянных точек, различные показания. Последние становились особенно заметными при высоких (много больших температуры кипения воды) и очень низких температурах.

Температурные шкалы, не зависящие от конкретных свойств термометрического вещества, называют термодинамическими.

А). Шкала Цельсия.

Шкала термометра между точкой таяния льда и точкой кипения воды при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) была разделена на 100 равных частей, считая за 0⁰ точку таяния льда, а за 100⁰ точку кипения воды. В качестве рабочего тела принята ртуть.

Б). Шкалы Реомюра и Фаренгейта.

В шкале Фаренгейта. За реперные точки приняты точки плавления льда и кипения воды. При этом точка плавления льда обозначена за +32⁰, а точка кипения воды за +212⁰ и промежуток между этими точками делится на 180 равных частей. В качестве рабочего тела принята ртуть. Связь между шкалой Цельсия и Фаренгейта:

t(⁰F)=1,8t(⁰C)+32(⁰F).

В шкале Реомюра за основные реперные точки приняты точки плавления льда и кипения воды. При этом точка плавления льда обозначена за 0⁰, а точка кипения воды за +80⁰. В качестве рабочего тела принята смесь спирта с водой. Связь между шкалой Цельсия и Реомюра:

t(⁰F)=0,8t(⁰C).

В). Термодинамическая шкала.

Не зависит от термометрического вещества. Предложена Кельвином. В основе лежит использование термодинамического цикла Карно идеальной тепловой машины, КПД которой зависит только от термодинамической температуры. Шкала основана на одной реперной точке (0,01⁰С) – равновесия воды (в твердой, жидкой и газообразной фазах). Ей приписано числовое значение 273,16К, нижней границей интервала шкалы принят абсолютный нуль (прекращается тепловое движение молекул). За единицу температуры принят 1 Кельвин (1К), равный 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Определяемая таким образом единица термодинамической шкалы 1К совпадает с величиной 1⁰С, а переход от шкалы Цельсия к термодинамической шкале осуществляется по формуле

Т(К)=t(⁰C)+273,15.

Осуществить термодинамическую шкалу практически осень сложно. Поэтому обычно применяется международная практическая температурная шкала (МПТШ), которая совпадает с термодинамической с достижимой экспериментальной точностью.