Шкалы температур

Шкалы температур

    Материал данной статьи дает представление о таком важном понятии как температура. Дадим определение, рассмотрим принцип изменения температуры и схему построения температурных шкал.

    Что такое температура

    Определение 1

    Температура – это скалярная физическая величина, описывающая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы тел.

    Понятие температуры также применяют в качестве физической величины, определяющей степень нагретости тела, однако лишь такой трактовки для понимания смысла термина недостаточно. Все физические понятия находятся в связи с определенными фундаментальными законами и наделяются смыслом только в соответствии с этими законами. В данном случае термин температура связан с понятием теплового равновесия и с законом макроскопической необратимости.

    Изменение температуры

    Явление термодинамического равновесия тел, составляющих систему, говорит о наличии одинаковой температуры этих тел. Произвести замер температуры можно лишь косвенно, взяв за основу зависимость от температуры таких физических свойств тел, которые можно измерить непосредственно.

    Определение 2

    Вещества или тела, применяемые для получения значения температуры, называют термометрическими.

    Допустим, два теплоизолированных тела приведены в тепловой контакт. Одно тело передаст другому поток энергии: запустится процесс теплопередачи. При этом тело, отдающее тепло, обладает соответственно большей температурой, чем тело, «принимающее» поток тепла. Очевидно, что через некоторое время процесс теплопередачи остановится и наступит тепловое равновесие: предполагается, что температуры тел выравниваются относительно друга, их значения будут находится где-то в интервале между исходными значениями температур. Таким образом, температура служит некоторой меткой теплового равновесия. Получается, что любая величина t, удовлетворяющая требованиям:

    1. t1>t2, когда происходит теплопередача от первого тела ко второму;
    2. t1'=t2'=t, t1>t>t2, при установлении теплового равновесия может приниматься за температуру.

    Также отметим, что тепловое равновесие тел подчинено закону транзитивности.

    Определение 3

    Закон транзитивности: когда два тела находятся в равновесии с третьим, то и между собой они пребывают в тепловом равновесии.

    Важной чертой указанного определения температуры является его неоднозначность. Выбрав по-разному величины, отвечающие установленным требованиям (что отразится на способах измерения температуры), возможно получить несовпадающие шкалы температур.

    Определение 4

    Температурная шкала – это способ деления на части интервала температуры.

    Разберем пример.

    Пример 1

    Общеизвестным устройством для измерения температуры является термометр. Для рассмотрения возьмем термометры различного устройства. Первый представлен ртутным столбиком в капилляре термометра, и значение температуры здесь определяется длиной этого столбика, отвечающей условиям 1 и 2, указанным выше.

    И еще один способ измерить температуру: используя термопару – электрическую цепь с гальванометром и двумя спаями разнородных металлов (рисунок 1).

    Рисунок 1

    Один спай находится в среде с фиксированной температурой (в нашем примере это тающий лед), другой – в среде, температуру которой необходимо определить. Здесь признаком температуры является ЭДС термопары.

    Указанные способы измерения температуры не дадут одинаковых результатов. И для перехода одной температуры к другой следует построить градуировочную кривую, которая установит зависимость ЭДС термопары от длины ртутного столбика. В этом случае равномерная шкала ртутного термометра преобразуется в неравномерную шкалу термопары (или наоборот). Равномерные шкалы измерения температур ртутного термометра и термопары создают две абсолютно различные температурные шкалы, на которых тело в одном и том же состоянии будет иметь различные температуры. Также возможно рассмотреть одинаковые по устройству термометры, но имеющие разные "термические тела" (к примеру, ртуть и спирт): мы не будем наблюдать совпадения температурных шкал и в этом случае. График зависимости длины ртутного столбика от длины спиртового столбика не будет линейным.

    Из вышесказанного можно сделать вывод, что понятие температуры, базирующееся на законах теплового равновесия, неоднозначно. Подобная температура является эмпирической, зависит от способа измерения. За «нуль» шкалы эмпирической температуры принимается произвольная точка. Согласно определению эмпирической температуры, физический смысл несет лишь разность температур или ее изменение. Любая эмпирическая температурная шкала приводится в вид термодинамической температурной шкалы при использовании поправок, которые учтут характер связи термометрического свойства с термодинамической температурой.

    Температурные шкалы

    Для того, чтобы построить температурную шкалу для измерения, двум числовым значениям температуры присваивают две фиксированные реперные точки. После этого разность числовых значений, присвоенных реперным точкам, делится на выбранное произвольным образом необходимое количество частей, получая в результате единицу измерения температуры.

    За исходные значения, используемые в качестве начала отсчета и единицы измерения, принимают температуры перехода химически чистых веществ из одного агрегатного состояния в другое, к примеру, температуру плавления льда t0 и кипения воды tk при нормальном атмосферном давлении (Па105 Па). Величины t0 и tk имеют разные значения в различных видах шкал измерения температуры:

    • Согласно шкале Цельсия (стоградусная шкала): температура кипения воды tk=100 °C, температура плавления льда t0 =0 °С. В шкале Цельсия температура тройной точки воды равна 0,01 °С при давлении 0,06 атм.
    Определение 5

    Тройная точка воды - такие температура и давление, при которых могут существовать в равновесии одновременно все три агрегатных состояния воды: жидкое, твердое (лед) и пар.

    • Согласно шкале Фаренгейта: температура кипения воды tk=212 °F; температура плавления льда t0 =32 °С.

    Разница температур, выраженных в градусах по шкале Цельсия и шкале Фаренгейта, нивелируется согласно следующему выражению:

    t °C100=t °F-32180 или t °F=1,8 °C+32.

    Ноль на этой шкале определен как температура замерзания смеси воды, нашатыря и соли, взятых в пропорции 1:1:1.

    • Согласно шкале Кельвина: температура кипения воды tk=373 К; температура плавления льда t0=273 К. Здесь температура отсчитывается от абсолютного нуля (t=273,15 °С) и ее называют термодинамической или абсолютной температурой. Т=0 К – такому значению температуры соответствует абсолютное отсутствие тепловых колебаний.

    Значения температур по шкале Цельсия и по шкале Кельвина связаны между собой согласно следующему выражению:

    T (K)=t °C+273,15 °C.

    • Согласно шкале Реомюра: температура кипения воды tk=80 °R; температура плавления льда t0=0 °R. В термометре Реомюра использовался спирт; на данный момент шкала почти не используется.

    Температуры, выраженные в градусах Цельсия и градусах по Реомюру, связаны так:

    1 °C=0,8 °R.

    • Согласно шкале Ранкина: температура кипения воды tk=671, 67 °Ra; температура плавления льда t0 =491,67 °Ra. Начало шкалы соответствует абсолютному нулю. Количество градусов между реперными точками замерзания и кипения воды в шкале Ранкина идентично шкале Фаренгейта и равно 180.

    Температуры по Кельвину и Ранкину связаны выражением:

    °Ra=°F+459,67.

    Градусы по Фаренгейту возможно перевести в градусы по Ранкину согласно формуле:

    °Ra=°F+459,67.

    Наиболее применима в быту и технических устройствах шкала Цельсия (единица шкалы – градус Цельсия, обозначаемый как °C).

    В физике же используют термодинамическую температуру, которая не просто удобна, но и несет глубокую физическую смысловую нагрузку, поскольку определена как средняя кинетическая энергия молекулы. Единица термодинамической температуры - градус Кельвина (до 1968 г.) или сейчас просто Кельвин (К), являющийся одной из основных единиц в СИ. Температура T=0 К называется абсолютным нулем температуры, как уже упоминалось выше.

    Вообще современная термометрия опирается на шкалу идеального газа: за термометрическую величину принимают давление. Шкала газового термометра абсолютна (T=0, p=0). При решении практических задач чаще всего приходится применять именно эту шкалу температур.

    Пример 2

    Принято, что комфортная для человека температура в помещении находится в интервале от +18 °С до +22 °С. Необходимо рассчитать границы интервала температуры комфорта согласно термодинамической шкале.

    Решение

    Возьмем за основу соотношение T (K)=t °C+273,15 °C.

    Произведем расчет нижней и верхней границ температуры комфорта по термодинамической шкале:

    T=18+273291 (K);T=22+273295 (K).

    Ответ: границы интервала температуры комфорта по термодинамической шкале находятся в интервале от 291 К до 295 К.

    Пример 3

    Необходимо определить, при какой температуре показания термометров по шкале Цельсия и по шкале Фаренгейта будут одинаковы.

    Решение

    Рисунок 2

    Возьмем за основу соотношение t°F=1,8t °C+32.

    По условию задачи температур равны, тогда возможно составить следующее выражение:

    x=1,8x+32.

    Определим из полученной записи переменную x:

    x=-320,8=-40 °C.

    Ответ: при температуре -40 °С (или -40 °F) показания термометров по шкалам Цельсия и Фаренгейта будут одинаковы.

    Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
    Средняя оценка статьи
    4,7 из 5 (8 голосов)