Понятие температуры

ГЛАВА 6. КАНАЛ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Общие сведения об измерении температуры. Авиационные термометры

Понятие температуры

Приборы, предназначенные для измерения температуры, называются термометрами.

В качестве принципа работы термометров можно использовать любой физический процесс, в котором температура однозначно связана с какой-либо легко определяемой величиной (например, изменение объёма, давления, электрического сопротивления, ЭДС и т.д.). Температуры тел – уровни их внутренних энергий – определяют интенсивность теплообмена между ними и указывают направление передачи тепловой энергии от более нагретого к менее нагретому телу.

Общее определение понятия температуры можно сформулировать следующим образом. Температура – статистически формирующаяся теплодинамическая величина, определяемая уровнем внутренней энергии тела. Носителями внутренней энергии являются атомы и молекулы тела, кинетическая энергия которых определяет температуру. В частности, для газообразных тел согласно кинетической теории средняя энергия поступательного движения молекул связана с температурой Т газа выражением:

, (6.1)

где m– их масса; ν – средний квадрат скорости поступательного движения молекул; k– постоянная Больцмана.

Распределение энергии поступательного движения между молекулами характеризуется выражением:

, (6.2)

где DN– число молекул, энергия которых находится в интервале от Eдо E+DЕ;N– общее число молекул в единице объема; E– энергия поступательного движения молекул, определяющаяся их скоростью.

Кинетическая энергия вращательного и колебательного движения молекул газа и колебательного движения атомов в кристаллических решетках твердого тела подчиняются закономерностям, выраженным аналогичными соотношениями.

В процессе соударения молекул происходит обмен энергии между ними, т.е. устанавливается равновесное состояние, при котором все формы кинетической энергии ансамбля молекул и атомов тела характеризуются одинаковым значением температуры. Такую неравновесную температуру Т принято называть термодинамической.

Выражения (6.1) и (6.2) характеризуют статистическую связь между энергией движения молекул и температурой, справедливую для большого ансамбля частиц. Однако для данной температуры кинетическая энергия каждой отдельной молекулы может существенно отличаться от средней энергии, входящей в эти выражения. Поэтому понятие температуры является статистическим и применимо только к телу, состоящему из очень большого числа молекул. В применении к отдельной молекуле понятие температуры не имеет смысла.

В пространстве с крайне разреженной материей температура не может быть определена статистическим распределением скоростей движения молекул. В этих условиях статистические соотношения неприменимы. Температура такого пространства определяется мощностью пронизывающих его потоков лучистой энергии. За его температуру принимают температуру абсолютно черного тела с такой же мощностью излучения.

Не имеет физического смысла понятие температуры в некоторой точке данного тела. Можно говорить только о температуре, характеризующей состояние вещества внутри некоторого объема тела, точнее– тела конечной массы.

Термодинамическая температура входит в фундаментальные соотношения, определяющие либо характер протекания ряда физических процессов, либо связь с другими физическими величинами.

Необходимость сопоставления результатов измерения температур в разных странах заставила искать пути создания международного эталона.

Первой попыткой в этом направлении было утверждение в 1889г. на Международной конференции по мерам и весам в качестве международного эталона температуры водородного газового термометра постоянного объема.

В качестве основных точек были выбраны температуры таяния льда и кипения воды при нормальном давлении, которым приписаны числовые значения соответственно 0 и 100 с делением основного интервала на 100 равных частей. Числовым значениям измеренных температур приписывался знак °С.

Развитие отраслей техники, нуждающихся в надежных методах измерений температур, обладающих более высокой воспроизводимостью, требовало новой температурной шкалы. В 1933 г. на 8-й Генеральной конференции было утверждено Положения об МПТШ-27.

МПТШ должна быть установлена таким образом, чтобы легко и просто было воспроизводить и определять любую температуру по МПТШ с точностями более высокими, чем по термодинамической шкале. В следующей МПТШ-68 используются как международные практические температуры Кельвина (символ T₆₈), так и международные практические температуры Цельсия (символ t₆₈). Соотношение между Т₆₈ и t₆₈ такое же, как между Т и t, т.е. Т₆₈ К = t₆₈ °С + 273,15.

Единицей Т₆₈, так же как и единицей термодинамической температуры, является Кельвин (К). Числовые значения температур в абсолютной шкале T₆₈выражаются в Кельвинах, а в шкале, отсчитываемой в Кельвинах от точки плавления льда, считаются выраженными в градусах Цельсия, °С, т.е. так же, как термодинамические температуры.

Международная практическая температурная шкала (МПТШ-68) с учетом рекомендаций Консультативного комитета по термометрии 1984 г. основывается на группе из 12 воспроизводимых температур фазовых переходов (реперных точек), числовые значения которых были получены как наиболее достоверные по результатам газотермических измерений в ряде стран таких, как точка кипения равновесного водорода при нормальном давлении 20,23 К (-252,87 °С), тройная точка воды 273,16 К (0,01 °С), точка кипения воды 373,15 К (100 °С) и т.д. Эти значения охватывают интервал шкалы от 13,81 К (-259,34°С) – тройная точка равновесного водорода до 1337,58 К (1064,43°С) – точка затвердевания золота.