26. Термодинамическая шкала температур.

Термометры

Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

При изменении температуры изменяются различные свойства вещества. Поэтому для создания термометра необходимо выбрать какое-либо термометрическое тело и определенную величину, характеризующую свойства вещества (термометрическую величину). Например, железный стержень и его длина. Необходимо установить единицу температуры – градус, и начало отчета шкалы температур.

Современная термометрия основана на шкале идеального газа, устанавливаемой с помощью газового термометра постоянного объема. Газовый термометр является эталонным первичным термометром, по которому градуируют все вторичные термометры.

При изохорном процессе (V = const) по закону Шарля p/T = const или p_K/p_O = T_K/T_O, где Т_О и Т_К – температуры таяния льда и кипения воды. Отношение p_K/p_O = 1,3661 легко определить из опыта. Размер градуса выбирается так: Т_К – Т_О = 100 (т.е. делением разности Т_К – Т_О на 100 частей). Из двух последних уравнений получают, что Т_О = 273,15 К, Т_К = 373,15 К. Но температуры Т_О и Т_К зависят от внешнего давления. Поэтому в системе СИ условились определять температуру по одной реперной (опорной) точке  тройной точке воды.

Температура тройной точки воды принята равной 273,16 К. А единица температуры (кельвин) определяется как 1/273,16 температуры тройной точки воды.

Выбрав газ в качестве термометрического тела, а его давление в качестве термометрической величины, можно определять температуру по формулам:

Т = 273,16  р / р_тр.т или Т = 273,15  р / р₀, где р_тр.т = 4,58 мм рт.ст – давление в тройной точке воды (t_тр.т = 0,01 С), р₀ – давление при 0 С (273,15 К), р – давление при измеряемой температуре. Определенная таким образом шкала температур называется термодинамической шкалой температур. (Существуют и другие температурные шкалы: Цельсия, Реомюра, Фаренгейта.)

Упрощенная схема газового термометра изображена на рис. 73. Он состоит из колбы с разряженным газом (водород, гелий, азот). Колба соединена с ртутным манометром тонкой трубкой. Поднимая и опуская трубку манометра, поддерживают постоянным объем газа (уровень ртути должен совпадать с опорной меткой). Высота столбика ртути покажет значение температуры газа в колбе. Достоинства: при малых давлениях все газы близки к идеальному и газовый термометр дает одинаковые показания независимо от используемого газа. Газовый термометр калибруется по реперным точкам, которыми являются тройные точки водорода, кислорода, воды, температуры плавления олова, цинка, серебра, золота.

Термин "термодинамическая температура" происходит от того, что можно совершенно независимо дать определение температуры из второго начала термодинамики и обратимого цикла Карно. В самом деле, если приравнять формулы, выражающие КПД цикла Карно через температуру и количество теплоты, то можно получить равенство: T₂/T₁ = Q₂/Q₁. Таким образом, для сравнения температур Т₁ и Т₂ двух тел необходимо осуществить обратимый цикл Карно, в котором одно тело (исследуемое) используется в качестве нагревателя, а второе (например, тающий лед) – в качестве холодильника. Термодинамической величиной будут являться количества теплоты Q₁ и Q₂. Согласно теоремам Карно химический состав рабочего тела не влияет на результаты сравнения температур, поэтому такая термодинамическая шкала не связана со свойствами какого-то определенного термометрического тела.

Жидкостные термометры. Термометрическое тело – жидкость (пентан, этиловый спирт, толуол, ртуть), термометрическая величина – объем. Жидкость при нагревании расширяется больше чем стекло. Область применения жидкостных термометров (–200+600 С) ограничена тем, что в области низких температур жидкости замерзают, а при высоких температурах стекло размягчается. Жидкостные термометры обладают невысокой точностью, так как тепловое расширение неодинаково (нелинейно) в широком диапазоне температур.

В жидкостных манометрических термометрах давление расширяющейся от нагревания жидкости измеряется манометром, шкала которого проградуирована в единицах температуры.

Существуют укороченные термометры (для увеличения точности отсчета по шкале). Например, термометр со шкалой от +50 до +100 С; а при более низких температурах жидкость заполняет расширение внизу капиллярной трубки.

Существуют максимальные термометры (например, медицинский), показывающие максимальную температуру. При нагревании ртуть продавливается через сужение в капиллярной трубке, а обратно ртуть не может опуститься из-за несмачивания стекла.

Термометры сопротивления. Термометрическое тело – металлическая проволока, термометрическая величина – электрическое сопротивление: R = R_O(1+t). Наиболее часто применяется платина (–200+1100 С) и медь (–200+100 С).

Разновидностью термометров сопротивления являются полупроводниковые терморезисторы, у которых при нагревании сопротивление уменьшается (рис. 74).

Т ермопары (термоэлементы). Термоэлектричество (эффект Зеебека). Электрическая цепь составлена из двух разнородных проволок, сваренных концами (рис. 75). Если концы проволок имеют разные температуры Т₁ и Т₂, то возникает термоЭДС и в цепи идет ток. ТермоЭДС измеряется милливольтметром, включенным в разрыв цепи. Материалы для термопар: медь – константан, железо – константан, хромель – алюмель, хромель – копель, платина – (платина + 10% родия). Чувствительность термопар составляет 6–75 мкВ/К.

Биметаллический термометр представляет собой биметаллическую пластину, закрученную в спираль, один конец которой закреплен, а другой соединен со стрелкой (рис. 76).

При температурах в тысячи градусов применяются неконтактные методы (так как нет таких тугоплавких термометров). Эти методы основаны на измерении испускаемого телом электромагнитного излучения. До 4000–6000 К используют пирометры, которые измеряют инфракрасное и видимое излучение (сплошной спектр). Свыше 6000 К излучение обусловлено процессами диссоциации и ионизации и используют спектроскопические методы (линейчатый спектр).

Наиболее известны пирометры с исчезающей нитью накаливания, в которых изображение объекта 1 (рис. 77) при помощи объектива 2 совмещается с плоскостью нити лампы накаливания 4. Рассматривая изображение объекта и нити через красный светофильтр 5 и окуляр 6, наблюдатель сравнивает яркость измеряемого излучения и яркость контрольного излучателя – накаленной нити вольфрама. Если яркости одинаковы, то середина нити накаливания исчезнет (перестанет быть видимой) на фоне изображения измеряемого объекта. Выровнять яркости можно двумя способами: 1) менять ток через нить накаливания; 2) изменять яркость излучения перемещением нейтрального поглотителя с переменной плотностью (оптического клина) 3. Температура определяется по шкале отсчетного устройства, регистрирующего положение клина или ток накала лампы.

Существуют и другие методы измерения температуры, в которых используются зависимости от температуры частоты собственных колебаний различного рода резонаторов, скорости распространения звуковых волн, термодиоды, термотранзисторы, термокраски, термоиндикаторные пленки и т.п.