Температурні шкали - студопедія
Вимірювання теплоенергетичних величин
Однією з найважливіших теплоенергетичних величин є температура. Температура - фізична величина, що характеризує ступінь нагретости тіла або його теплоенергетичний потенціал. Практично всі технологічні процеси і різні властивості речовини залежать від температури.
На відміну від таких фізичних величин, як маса, довжина і т.п. температура є не екстенсивної (параметричної), а інтенсивної (активної) величиною. Якщо гомогенне тіло розділити навпіл, то його маса також ділиться навпіл. Температура, будучи інтенсивної величиною, таку властивість адитивності не володіє, тобто для системи, що знаходиться в термічному рівновазі, будь-яка частина системи має однакову температуру. Тому не представляється можливим створення еталона температури, подібно до того, як створюються еталони екстенсивних величин.
Виміряти температуру можна тільки непрямим шляхом, грунтуючись на залежності від температури таких фізичних властивостей тіл, які піддаються безпосередньому виміру. Ці властивості тел називають Термометрична. До них відносяться довжина, щільність, обсяг, термоЕ.Д.С. електроопір і т.д. Речовини, які характеризуються термометричні властивості, називаю Термометрична. Засіб вимірювання температури називають термометром. Для створення термометра необхідно мати температурну шкалу.
Температурною шкалою називають конкретну функціональну числову зв'язок температури зі значеннями вимірюваного термометрического властивості. У зв'язку з цим представляється можливим побудова температурних шкал на основі вибору будь-якого термометрического властивості. У той же час немає ні обного термометрического властивості, яке лінійно пов'язано зі зміною температури і не залежить від інших факторів в широкому інтервалі вимірювання температур.
Перші температурні шкали з'явилися в XVIII столітті. Для побудови їх вибиралися дві опорні (реперні) точки t1 і t2. що представляють собою температури фазового рівноваги чистих речовин. Різниця температур t2 - t1 називають основним температурним інтервалом. Німецький фізик Габріель Даніель Фаренгейт (1715 г.), шведський фізик Андерс Цельсій (1742 г.) і французький фізик Рене Антуан Реомюр (1776 г.) при побудові шкал грунтувалися на припущенні лінійного зв'язку між температурою t і термометричною властивістю, в якості якого використовували розширення обсягу рідини V. тобто
де а і b - постійні коефіцієнти.
Підставивши в це рівняння V = V1 при t = t1 і V = V2 при t = t2. після перетворення отримаємо рівняння температурної шкали:
У шкалах Фаренгейта, Реомюра і Цельсія точці плавлення льоду t1 відповідали +32 0. 0 0 і0 0. а точки кипіння води t2 - 212 0. 80 0 і 100 0. Основний інтервал t2 - t1 в цих шкалах ділиться відповідно на N = 180 , 80 і 100 рівних частин, і 1 / N частину кожного з інтервалів називають градусом Фаренгейта - t 0 F, градусом Реомюра t 0 R і градусом Цельсія t 0 C. Таким чином, для шкал, побудованих за вказаним принципом, градус не є одиницею вимірювання, а являє собою одиничний проміжок - масштаб шкали.
Для перерахунку температури з однієї шкали в іншу використовують співвідношення:
Пізніше було з'ясовано, що свідчення термометрів, що мають різні термометричні речовини (ртуть, спирт і ін.), Що використовують один і той же термометрична властивість і рівномірну градусну шкалу, збігаються лише в реперних точках, а в інших точках свідчення розходяться. Останнє особливо помітно при вимірюванні температур, значення яких розташовані далеко від основного інтервалу.
Ця обставина пояснюється тим, що зв'язок між температурою і термометричною властивістю насправді нелінійна і ця нелінійність різна для різних термометричні речовин. Зокрема, нелінійність між температурою і зміною обсягу рідини пояснюється тим, що температурний коефіцієнт об'ємного розширення рідини сам змінюється від температури і ця зміна різному для різних крапельних рідин.
На основі описаного принципу можна побудувати будь-яку кількість шкал, значно різняться між собою. Такі шкали називають умовними, а масштаби цих шкал - умовними градусами.
Проблема створення температурної шкали, що не залежить від термометричні властивостей речовин, була вирішена в 1848 р Кельвіном, а запропонована ним шкала названа термодинамічної. На відміну від умовних температурних шкал термодинамічна температурна шкала є абсолютною.
Термодинамічна шкала температур заснована на використанні другого закону термодинаміки. Відповідно до цього закону коефіцієнт корисної дії h теплової машини, що працює по зворотному циклу Карно, визначається тільки температурою нагрівача Тн і холодильника Тх і не залежить від властивостей робочої речовини:
де Qн і Qх - відповідно кількість теплоти, отримане робочим речовиною від нагрівача і віддане холодильника.
Кельвіном було запропоновано для визначення температури використовувати рівність
Отже, використовуючи один об'єкт в якості нагрівача, а інший - в якості холодильника і провівши між ними цикл Карно, можна визначити відношення температур об'єктів шляхом вимірювання відносини теплоти, взятої від одного об'єкта і відданої іншому. Отримана шкала температур не залежить від властивостей робочої речовини і називається абсолютною шкалою температур. Щоб абсолютна температура мала певне значення, було запропоновано прийняти різницю термодинамічних температур між точками кипіння води Ткв і танення льоду ТТЛ дорівнює 100 0. Прийняття такої різниці мало на меті збереження наступності числового значення термодинамічної температурної шкали від стоградусной температурної шкали Цельсія. Т.О. позначаючи кількість теплоти, отриманої від нагрівача (кипляча вода) і віддається холодильника (тане лід), відповідно через Qкв і Qтл. і прийнявши Ткв - ТТЛ = 100, отримаємо:
Для будь-якої температури Т нагрівача при незмінному значенні ТТЛ холодильника і кількості теплоти Qтл. віддається йому робочим речовиною машини Карно, матимемо:
Рівняння (6) є рівнянням стоградусной термодинамічної шкали температур і показує, що значення температури Т за даною шкалою лінійно пов'язано з кількістю теплоти Q, отриманої робочим речовиною теплової машини при здійсненні нею циклу Карно, і, як наслідок, не залежить від властивостей термодинамічної речовини. За один градус термодинамічної температури приймають таку різницю між температурою тіла і температурою танення льоду, при якій вироблена по зворотному циклу Карно робота дорівнює 1/100 частини роботи, яку здійснюють в циклі Карно між температурою кипіння води і танення льоду (за умови, що в обох циклах кількість теплоти, що віддається холодильника, однаково).
З визначення к.к.д. випливає, що при максимальному значенні h = 1 повинна дорівнювати нулю Тх. Ця найменша температура була названа Кельвіном абсолютним нулем. Температуру по термодинамічної шкалою позначають «К».
Термодинамічна шкала температур, заснована на двох реперних точках, володіє недостатньою точністю виміру. Практично важко відтворити температури зазначених точок, тому що вони залежать від тиску, а також від вмісту солей у воді. Тому Кельвін і Менделєєв висловили міркування про доцільність побудови термодинамічної шкали температур по одній реперною точці.
Консультативний комітет з термометрії Міжнародного комітету мір і ваг в 1954 році прийняв рекомендацію про перехід до визначення термодинамічної шкали з використанням однієї крапки репера - потрійний точки води (точки рівноваги води в твердій, рідкої і газоподібної фазах), яка легко відтворюється в спеціальних посудинах з похибка не більше 0,0001 К. Температура цієї точки прийнята рівною 273, 16 К, тобто вище температури танення льоду на 0,01 К. Таке число вибрано для того, щоб значення температур за новою шкалою практично не відрізнялися від старої шкали Цельсія з двома крапками реперів. Другий реперною точкою є абсолютний нуль, який практично не реалізується, але має строго фіксованою положення.