Scala di temperatura Fahrenheit, Celsius, Kelvin. Introduzione: Scale di temperatura

La temperatura è il parametro più importante ambiente(sistema operativo). La temperatura del sistema operativo caratterizza il grado di riscaldamento, che è determinato dall'interno energia cinetica movimento termico delle molecole. La temperatura può essere definita come un parametro dello stato termico. Per confrontare il grado di riscaldamento dei corpi, si utilizza una variazione di una qualsiasi delle loro proprietà fisiche che dipende dalla temperatura ed è facilmente misurabile (ad esempio, l'espansione volumetrica di un liquido, una variazione resistenza elettrica metallo, ecc.).

Per procedere alla determinazione quantitativa della temperatura è necessario stabilire una scala di temperatura, ovvero selezionare l'origine (zero scala di temperatura) e l'unità di misura dell'intervallo di temperatura (gradi).

Le scale di temperatura utilizzate prima dell'introduzione di un'unica scala di temperatura sono una serie di indicatori all'interno di un intervallo di temperature limitato da due punti di ebollizione e di fusione costanti (riferimento principale o riferimento) facilmente riproducibili di sostanze chimicamente pure. Queste temperature sono state considerate uguali a valori numerici arbitrari t" e t". Pertanto, 1 grado = (t" - t")/n, dove t" e t" sono due temperature costanti, facilmente riproducibili; n è un numero intero; in quale intervallo di temperatura.

Per segnare la scala della temperatura, veniva spesso utilizzata l'espansione volumetrica dei corpi quando riscaldati, e i punti di ebollizione dell'acqua e lo scioglimento del ghiaccio venivano presi come punti costanti. Su questo principio si basano le scale di temperatura create da Lomonosov, Fahrenheit, Reaumur e Celsius. Durante la costruzione di queste scale si è ipotizzata una relazione lineare tra l'espansione volumetrica del liquido e la temperatura, cioè

dove k è il coefficiente di proporzionalità (corrisponde al relativo coefficiente di temperatura di dilatazione volumetrica). L'integrazione dell'equazione (1) dà

dove D è la costante di integrazione.

Per determinare le costanti k e D, vengono utilizzate due temperature selezionate t" e t" Prendendo il volume V alla temperatura t" e il volume V alla temperatura t" - V", otteniamo

t" = kV" + D; (3)

t” = kV” + D; (4).

Sottraendo l'equazione (3) dalle equazioni (2) e (4), otteniamo

t - t" = k(V - V") (5);

t” - t" = k(V” - V") (6).

Dividendo l'equazione (5) per l'equazione (6), otteniamo

dove t" e t" sono rispettivamente le temperature di fusione del ghiaccio e di ebollizione dell'acqua pressione normale e accelerazione di caduta libera 980,665 cm/s 2 ; V" e V" - volumi di liquidi corrispondenti alle temperature t" e t"; V è il volume del liquido corrispondente alla temperatura t.

Non esistono liquidi in natura con dipendenza lineare tra il coefficiente di dilatazione volumetrica e la temperatura, quindi, le letture dei termometri dipendono dalla natura della sostanza termometrica (mercurio, alcool, ecc.).

Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, è nata l'esigenza di creare una scala di temperatura unificata, estranea a qualsiasi proprietà particolare della sostanza termometrica e adatta a un ampio intervallo di temperature. Nel 1848 Kelvin, basandosi sulla seconda legge della termodinamica, propose di determinare la temperatura in base all'uguaglianza

T2 /(T2 - T1) = Q2 /(Q2 - Q1),

dove T 1 e T 2 sono rispettivamente le temperature del frigorifero e del riscaldatore; Q 1 e Q 2 sono la quantità di calore rispettivamente ricevuta dalla sostanza di lavoro dal riscaldatore e ceduta al frigorifero (per un motore termico ideale funzionante secondo il ciclo di Carnot).

Sia T 2 uguale al punto di ebollizione dell'acqua (T 100) e T 1 sia la temperatura di fusione del ghiaccio (T 0); quindi, prendendo la differenza T 2 - T 1 pari a 100 gradi e indicando la quantità di calore corrispondente a queste temperature tramite Q 100 e Q 0, otteniamo

T100 = Q100 100/(Q100 - Q0); T 0 = Q 0 100/(Q 100 - Q 0).

A qualsiasi temperatura del riscaldatore

T = Q 100/(Q 100 - Q 0) (8).

L'equazione è un'equazione della scala di temperatura termodinamica, che non dipende dalle proprietà della sostanza termometrica.

La decisione dell'XI Conferenza generale sui pesi e le misure in Russia prevedeva l'uso di due scale di temperatura: termodinamica e pratica internazionale.

Nella scala termodinamica Kelvin punto più bassoè il punto zero assoluto (0K), e l'unico punto fondamentale sperimentale è il punto triplo dell'acqua. Questo punto corrisponde a 273,16K. Il punto triplo dell'acqua (la temperatura di equilibrio dell'acqua nelle fasi solida, liquida e gassosa) è il punto di fusione del ghiaccio a 0,01 gradi. La scala termodinamica è detta assoluta se si prende come zero il punto 273,16 K al di sotto del punto di fusione del ghiaccio.

A rigor di termini, è impossibile implementare la scala Kelvin, perché la sua equazione è derivata dal ciclo di Carnot ideale. La scala della temperatura termodinamica coincide con la scala di un termometro a gas riempito con un gas ideale. È noto che alcuni gas reali (idrogeno, elio, neon, azoto) in un ampio intervallo di temperature differiscono relativamente poco nelle loro proprietà da gas ideale. Pertanto, la scala di un termometro a idrogeno (tenendo conto delle correzioni per la deviazione delle proprietà del gas reale da quello ideale) è praticamente una scala di temperatura termodinamica.

La scala internazionale pratica della temperatura si basa su una serie di stati di equilibrio riproducibili, che corrispondono a determinate temperature (punti di riferimento principali), e su strumenti di riferimento calibrati a queste temperature. Nell'intervallo tra le temperature dei principali punti di riferimento, l'interpolazione viene eseguita utilizzando formule che stabiliscono una connessione tra le letture degli strumenti standard e i valori della scala pratica internazionale. I principali punti di riferimento sono realizzati come determinati stati di equilibrio di fase di alcune sostanze pure e coprono l'intervallo di temperature da -259,34 0 C (triplo equilibrio dell'idrogeno) a +1064,43 0 C (punto di solidificazione dell'oro).

Il dispositivo di riferimento utilizzato nell'intervallo di temperatura da -259,34 a +630,74 0 C è un termometro a resistenza al platino, da +630,74 a +1064,43 0 C - un termometro termoelettrico con termoelettrodi e platino rodio (10% rodio) e platino. Per l’intervallo di temperatura superiore a 1064,43 0 C, la temperatura su scala pratica internazionale viene determinata secondo la legge della radiazione di Planck.

La temperatura misurata sulla scala pratica internazionale è indicata con t, e i valori numerici sono accompagnati dal segno 0 C.

La temperatura sulla scala termodinamica è correlata alla temperatura sulla scala pratica internazionale dal rapporto T = t + 273,15. Alla IX Conferenza Generale sui Pesi e le Misure del 1948, la scala pratica internazionale della temperatura fu chiamata scala Celsius. La scala pratica internazionale della temperatura e la scala Celsius hanno un punto costante in comune (il punto di ebollizione dell'acqua); in tutti gli altri punti queste scale differiscono in modo significativo, soprattutto alle alte temperature.

Annotazione: Il concetto di scala. Tipi esistenti scale e i loro ambiti di applicazione. Ragioni per la comparsa di squame.

SHKA"LA, s, E. [latino. scala - scala].- 1 . Righello con divisioni in diversi strumenti di misura. W. termometro. 2 . Una serie di quantità, numeri in ordine crescente o decrescente (speciale). Sh. la temperatura del paziente. malattie Sh. Stipendio.

Tipi di scale:

Le scale di misurazione sono solitamente classificate in base ai tipi di dati misurati, che determinano le trasformazioni matematiche accettabili per una determinata scala, nonché ai tipi di relazioni visualizzate dalla scala corrispondente. La moderna classificazione delle scale fu proposta nel 1946 da Stanley Smith Stevens.

Scala dei nomi (nominale, classificazione)

Utilizzato per misurare i valori segni qualitativi. Il valore di tale caratteristica è il nome della classe di equivalenza a cui appartiene l'oggetto in questione. Esempi del significato delle caratteristiche qualitative sono nomi di stati, colori, marche di automobili, ecc. Tali caratteristiche soddisfano gli assiomi di identità:

A elevato numero le classi utilizzano scale di denominazione gerarchiche. Maggior parte esempi famosi Tali scale sono le scale utilizzate per classificare animali e piante.

Con i valori misurati nella scala dei nomi, puoi eseguire solo un'operazione: verificarne la coincidenza o la non coincidenza. Sulla base dei risultati di tale controllo, è possibile calcolare inoltre le frequenze di riempimento (probabilità) per diverse classi che possono essere utilizzate per l'applicazione vari metodi analisi statistica - Test di accordo chi-quadrato, test di Cramer per verificare l'ipotesi sulla relazione delle caratteristiche qualitative, ecc.

Scala ordinale (o scala di rango)

Costruita su identità e ordine. I soggetti in questa scala vengono classificati. Ma non tutti gli oggetti possono essere subordinati alla relazione d'ordine. Ad esempio, è impossibile dire quale sia il più grande, un cerchio o un triangolo, ma è possibile identificare una proprietà comune in questi oggetti: l'area, e quindi diventa più facile stabilire relazioni ordinali. Per questa scala è accettabile una trasformazione monotona. Una scala di questo tipo è rozza perché non tiene conto delle differenze tra i soggetti della scala. Un esempio di tale scala: punteggi del rendimento scolastico (insoddisfacente, soddisfacente, buono, eccellente), scala di Mohs.

Scala degli intervalli

Qui c'è un confronto con lo standard. La costruzione di una tale scala consente di attribuire la maggior parte delle proprietà dei sistemi numerici esistenti a numeri ottenuti sulla base di valutazioni soggettive. Ad esempio, costruendo una scala di intervalli per le reazioni. Per questa scala la trasformazione lineare è accettabile. Ciò consente di ridurre i risultati dei test a scale comuni e quindi confrontare gli indicatori. Esempio: scala Celsius.

Scala delle relazioni

Nella scala dei rapporti vale la relazione “tante volte di più”. Questa è l'unica delle quattro scale che ha uno zero assoluto. Il punto zero caratterizza l'assenza del misurato qualità. Questo la scala consente la trasformazione della somiglianza (moltiplicazione per una costante). Determinare il punto zero è un compito difficile per la ricerca, imponendo restrizioni sull'uso di questa scala. Utilizzando tali scale è possibile misurare la massa, la lunghezza, la resistenza e il valore (prezzo). Esempio: scala Kelvin (temperature misurate dallo zero assoluto, con l'unità di misura scelta di comune accordo dagli esperti - Kelvin).

Scala delle differenze

Il punto di partenza è arbitrario, l'unità di misura è specificata. Le trasformazioni accettabili sono spostamenti. Esempio: misurare il tempo.

Scala assoluta

Contiene una caratteristica aggiuntiva: la presenza naturale e inequivocabile di un'unità di misura. Questa scala ha un unico punto zero. Esempio: numero di persone tra il pubblico.

Delle scale considerate, le prime due sono non metriche, le restanti sono metriche.

La questione del tipo di scala è direttamente correlata al problema dell'adeguatezza dei metodi per l'elaborazione matematica dei risultati delle misurazioni. In generale, le statistiche adeguate sono quelle invarianti rispetto alle trasformazioni ammissibili della scala di misura utilizzata.

Utilizzo in psicometria. Utilizzando scale diverse, è possibile effettuare misurazioni psicologiche diverse. I primissimi metodi di misurazione psicologica furono sviluppati in psicofisica. Il compito principale degli psicofisici era come determinare come parametri fisici stimolazione e corrispondenti valutazioni soggettive delle sensazioni. Conoscendo questa connessione, puoi capire quale sensazione corrisponde a questo o quel segno. La funzione psicofisica stabilisce una connessione tra il valore numerico della scala dimensione fisica stimolo e il valore numerico della risposta psicologica o soggettiva a quello stimolo.

Centigrado

1701 in Svezia. Le sue aree di interesse: astronomia, fisica generale, geofisica. Insegnò astronomia all'Università di Uppsala e vi fondò un osservatorio astronomico.

Celsius fu il primo a misurare la luminosità delle stelle e a stabilire la relazione tra l'aurora boreale e le fluttuazioni del campo magnetico terrestre.

Partecipò alla spedizione lappone del 1736-1737 per misurare il meridiano. Al ritorno dalle regioni polari, Celsius iniziò a lavorare attivamente all'organizzazione e alla costruzione di un osservatorio astronomico a Uppsala e nel 1740 ne divenne il direttore. Anders Celsius morì il 25 marzo 1744. Da lui prende il nome il minerale celsiano, un tipo di feldspato di bario.

Nella tecnologia, nella medicina, nella meteorologia e nella vita di tutti i giorni viene utilizzata la scala Celsius, in cui la temperatura del punto triplo dell'acqua è 0,01, e quindi il punto di congelamento dell'acqua ad una pressione di 1 atm è 0. Attualmente la scala Celsius è definita attraverso la scala Kelvin: un grado Celsius è uguale a un kelvin, . Così, il punto di ebollizione dell’acqua, originariamente scelto da Celsius come punto di riferimento pari a 100, ha perso il suo valore, e stime moderne punto di ebollizione dell'acqua normale pressione atmosfericaè circa 99.975. La scala Celsius è praticamente molto comoda perché l’acqua è molto diffusa sul nostro pianeta e la nostra vita si basa su di essa. Zero Celsius è un punto speciale per la meteorologia perché è associato al congelamento dell'acqua atmosferica. La scala fu proposta da Anders Celsius nel 1742.

Fahrenheit

Gabriel Fahrenheit. Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736) - Fisico tedesco Nato il 24 maggio 1686 a Danzica (oggi Danzica, Polonia). Studiò fisica in Germania, Olanda e Inghilterra. Visse quasi tutta la sua vita in Olanda, dove era fidanzato nella produzione di strumenti meteorologici di precisione Nel 1709 costruì un termometro ad alcool, nel 1714 un termometro a mercurio, utilizzando nuovo modo purificazione del mercurio. Per termometro a mercurio Fahrenheit ha costruito una scala con tre punti di riferimento: corrispondente alla temperatura della miscela acqua - ghiaccio - ammoniaca, - temperatura corporea persona sana e come temperatura di riferimento è stato preso il valore del punto di fusione del ghiaccio. Temperatura di ebollizione acqua pulita sulla scala Fahrenheit era . La scala Fahrenheit è utilizzata in molti Nazioni di lingua inglese, anche se sta gradualmente cedendo il passo alla scala Celsius. Oltre a produrre termometri, Fahrenheit si è impegnata a migliorare barometri e igrometri. Ha anche studiato la dipendenza dei cambiamenti nel punto di ebollizione di un liquido dalla pressione atmosferica e dal contenuto di sale in esso, ha scoperto il fenomeno del superraffreddamento dell'acqua e ha compilato tabelle peso specifico tel. Fahrenheit morì all'Aia il 16 settembre 1736.

In Inghilterra e soprattutto negli USA viene utilizzata la scala Fahrenheit. Zero gradi Celsius corrispondono a 32 gradi Fahrenheit e un grado Fahrenheit equivale a 5/9 gradi Celsius.

Attualmente è accettata la seguente definizione Scala Fahrenheit: Questa è una scala di temperatura, 1 grado di cui (1) è uguale a 1/180 della differenza tra il punto di ebollizione dell'acqua e il punto di fusione del ghiaccio a pressione atmosferica, e il punto di fusione del ghiaccio ha una temperatura di F La temperatura sulla scala Fahrenheit è correlata alla temperatura sulla scala Celsius dalla relazione. Proposto da G. Fahrenheit nel 1724.

Scala di Reaumur

Renè Reaumur. René Antoin de Reaumur è nato il 28

Febbraio 1683 a La Rochelle, naturalista francese, membro onorario straniero dell'Accademia delle scienze di San Pietroburgo (1737). Lavori sulla rigenerazione, fisiologia, biologia delle colonie di insetti. Propose una scala di temperatura a lui intitolata. Perfezionò alcuni metodi di preparazione dell'acciaio, fu uno dei primi a tentare di comprovare scientificamente alcuni processi di fusione e scrisse l'opera "L'arte di trasformare il ferro in acciaio". È giunto a una conclusione preziosa: ferro, acciaio, ghisa differiscono nella quantità di alcune impurità. Aggiungendo questa impurità al ferro, carburando o legando con la ghisa, Reaumur ottenne l'acciaio. Nel 1814 K. Careten dimostrò che questa impurità era carbonio.

Reaumur ha fornito un metodo per preparare il vetro smerigliato.

Oggi la memoria associa il suo nome solo all'invenzione di un lungo

scala di temperatura utilizzata. In effetti, René Antoine Ferchant de Reaumur, che visse nel 1683-1757, principalmente a Parigi, fu uno di quegli scienziati versatilità che nel nostro tempo - un tempo di ristretta specializzazione - sono difficili da immaginare. Reaumur era allo stesso tempo tecnico, fisico e scienziato naturale. Ha guadagnato una grande fama fuori dalla Francia come entomologo. IN l'anno scorso Durante la sua vita, Reaumur arrivò all'idea che la ricerca del misterioso potere di trasformazione dovrebbe essere effettuata nei luoghi in cui la sua manifestazione è più evidente - durante la trasformazione del cibo nel corpo, ad es. al momento della sua assimilazione. Morì il 17 ottobre 1757 nel castello di Bermovdiere vicino a Saint-Julien-du-Terroux (Mayenne).

Proposto nel 1730 da R. A. Reaumur, che descrisse il termometro ad alcol da lui inventato.

L'unità è il grado Reaumur (), pari a 1/80 dell'intervallo di temperatura tra i punti di riferimento: la temperatura del ghiaccio che si scioglie () e dell'acqua bollente ()

Attualmente la scala è in disuso; è sopravvissuta più a lungo in Francia, patria dell’autore.

Confronto delle scale di temperatura

Descrizione	Kelvin	Centigrado	Fahrenheit	Newton	Reaumur
Zero Assoluto	0	-273.15	-459.67	-90.14	-218.52
Temperatura di fusione di una miscela di Fahrenheit (sale e ghiaccio in quantità uguali)	255.37	-17.78	0	-5.87	-14.22
Punto di congelamento dell'acqua (condizioni normali)	273.15	0	32	0	0
Temperatura media del corpo umano	310.0	36.8	98.2	12.21	29.6
Punto di ebollizione dell'acqua (condizioni normali)	373.15	100	212	33	80
Temperatura superficiale solare	5800	5526	9980	1823	4421

Scale di temperatura, sistemi di valori numerici comparabili di temperatura. La temperatura non è una grandezza direttamente misurabile; il suo valore è determinato dalla variazione di temperatura di qualsiasi sostanza termometrica utile per misurare la proprietà fisica. Dopo aver scelto la sostanza e la proprietà termometrica, è necessario impostare il punto di riferimento iniziale e la dimensione dell'unità di temperatura: gradi. Pertanto, vengono determinate le scale empiriche di temperatura (di seguito denominate T.s.). In T. sh. Di solito vengono registrate due temperature principali, corrispondenti ai punti di equilibrio di fase dei sistemi monocomponenti (i cosiddetti punti di riferimento o costanti), la distanza tra i quali è chiamata intervallo di temperatura principale della scala. Vengono utilizzati i seguenti punti di riferimento: il punto triplo dell'acqua, il punto di ebollizione dell'acqua, dell'idrogeno e dell'ossigeno, il punto di solidificazione dell'argento, dell'oro, ecc. La dimensione di un intervallo unitario (unità di temperatura) è impostata come una certa frazione di l'intervallo principale. Per l'inizio del conteggio T. sh. prendi uno dei punti di riferimento. In questo modo è possibile determinare il T. empirico (condizionale). per qualsiasi proprietà termometrica. Se assumiamo che la relazione tra e temperatura sia lineare, allora temperatura , dove , e sono i valori numerici della proprietà a temperatura , nei punti iniziale e finale dell'intervallo principale, - dimensione del grado, - numero di divisioni dell'intervallo principale.

Nella scala Celsius, ad esempio, la temperatura alla quale l'acqua solidifica (il ghiaccio si scioglie) viene presa come punto di partenza, l'intervallo principale tra i punti di solidificazione e di ebollizione dell'acqua è diviso in 100 parti uguali ();

T.sh. è quindi un sistema di successivi valori di temperatura legati linearmente ai valori della grandezza fisica misurata (tale grandezza deve essere univoca e funzione monotona temperatura). In generale, T. sh. possono differire nelle proprietà termometriche (può essere la dilatazione termica dei corpi, la variazione della resistenza elettrica dei conduttori con la temperatura, ecc.), nella sostanza termometrica (gas, liquido, solido), e dipendono anche da punti di riferimento. Nel caso più semplice, T. sh. differiscono nei valori numerici adottati per gli stessi punti di riferimento. Pertanto, nelle scale Celsius (), Reaumur () e Fahrenheit (), vengono assegnati i punti di fusione del ghiaccio e il punto di ebollizione dell'acqua a pressione normale significati diversi temperatura. Relazione per la conversione della temperatura da una scala all'altra:

Il ricalcolo diretto per T. sh., che differisce nelle temperature fondamentali, senza dati sperimentali aggiuntivi è impossibile. T. sh., che differiscono per proprietà termometriche o sostanza, sono significativamente diversi. È possibile un numero illimitato di termometri empirici che non coincidono tra loro, poiché tutte le proprietà termometriche sono correlate alla temperatura in modo non lineare e il grado di non linearità è diverso per proprietà diverse e la temperatura reale misurata secondo il termometro empirico è detta convenzionale (temperatura del "mercurio", del "platino", ecc.), la sua unità è il grado convenzionale. Tra T. empirico sh. posto speciale occupano scale di gas in cui i gas fungono da sostanze termometriche (termometro "azoto", "idrogeno", "elio"). Questi T. sh. dipendono meno degli altri dal gas utilizzato e possono essere portati (introducendo correzioni) alla T. teorica del gas. sh. Avogadro, valido per un gas ideale. T. empirico assoluto. sh. Chiamano una scala, il cui zero assoluto corrisponde alla temperatura alla quale corrisponde il valore numerico di una proprietà fisica (ad esempio, nella teoria dei gas di Avogadro, lo zero assoluto della temperatura corrisponde alla pressione zero di un gas ideale). le temperature (secondo la T. sh. empirica) e (secondo la T. empirica assoluta) sono legate dalla relazione , dove è lo zero assoluto dell'empirico T. sh. (l'introduzione dello zero assoluto è un'estrapolazione e non implica la sua attuazione).

Lo svantaggio fondamentale dell'empirico T. sh. - la loro dipendenza dalla sostanza termometrica - è assente nella teoria termodinamica, basata sulla seconda legge della termodinamica. Quando si determina la temperatura termodinamica assoluta. (scala Kelvin) provengono dal ciclo di Carnot. Se nel ciclo di Carnot un corpo che completa il ciclo assorbe calore a temperatura e cede calore a temperatura , allora il rapporto non dipende dalle proprietà del fluido di lavoro e consente di determinare la temperatura assoluta utilizzando le grandezze disponibili per le misurazioni. Inizialmente, l'intervallo principale di questa scala era fissato dai punti di fusione del ghiaccio e di acqua bollente a pressione atmosferica, l'unità di temperatura assoluta corrispondeva a parte dell'intervallo principale e il punto di fusione del ghiaccio veniva preso come punto di partenza. Nel 1954 la X Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure stabilì la termodinamica T. sh. con un punto di riferimento - il punto triplo dell'acqua, la cui temperatura è considerata 273,16 K (esattamente), che corrisponde a . temperatura in valore termodinamico assoluto T. sh. misurato in Kelvin (K). La scala di temperatura termodinamica, in cui viene presa la temperatura per il punto di fusione del ghiaccio, è chiamata centigrado. Relazioni tra temperature espresse in gradi Celsius e scala T. termodinamica assoluta:

quindi la dimensione delle unità in queste scale è la stessa. Negli Stati Uniti e in alcuni altri paesi dove è consuetudine misurare la temperatura sulla scala Fahrenheit, la T. assoluta sh. Rankin. Il rapporto tra kelvin e grado Rankine: , sulla scala Rankine, il punto di fusione del ghiaccio corrisponde a , punto di ebollizione dell'acqua .

Qualsiasi T. empirico sh. è ridotto a T termodinamico. sh. introduzione di correzioni che tengano conto della natura del rapporto tra proprietà termometrica e temperatura termodinamica. Termodinamico T. sh. viene effettuata non direttamente (eseguendo un ciclo di Carnot con una sostanza termometrica), ma con l'ausilio di altri processi associati alla temperatura termodinamica. In un ampio intervallo di temperature (approssimativamente dal punto di ebollizione dell'elio al punto di solidificazione dell'oro), il termodinamico T. sh. coincidono con T. sh. Avogadro, quindi la temperatura termodinamica è determinata dalla temperatura del gas, che si misura con un termometro a gas. Con più basse temperature ah termodinamico T. sh. effettuato secondo la dipendenza dalla temperatura della suscettibilità magnetica dei materiali paramagnetici, a valori più alti la scala è stata ridefinita più volte (MTSh-48, MPTS-68, MTSH-90): sono cambiate le temperature di riferimento e i metodi di interpolazione, ma il principio è rimasto lo stesso: la base della scala è un insieme di sostanze pure di transizione di fase con determinati valori di temperature termodinamiche e strumenti di interpolazione calibrati in questi punti. Attualmente è in vigore la scala ITS-90. Il documento principale (Norme sulla scala) stabilisce la definizione di Kelvin, i valori delle temperature di transizione di fase (punti di riferimento) e i metodi di interpolazione.

Le scale di temperatura utilizzate nella vita di tutti i giorni - sia Celsius che Fahrenheit (utilizzate principalmente negli Stati Uniti) - non sono assolute e quindi scomode quando si conducono esperimenti in condizioni in cui la temperatura scende al di sotto del punto di congelamento dell'acqua, motivo per cui la temperatura deve essere espressa numero negativo. Per tali casi sono state introdotte scale di temperatura assolute.

Una di queste è chiamata scala Rankine e l'altra è la scala termodinamica assoluta (scala Kelvin); le loro temperature sono misurate rispettivamente in gradi Rankine () e kelvin (K). Entrambe le scale iniziano alla temperatura zero assoluto. Differiscono in quel Kelvin pari ad un grado Celsius e il grado di Rankin è Fahrenheit. Il punto di congelamento dell'acqua a pressione atmosferica standard corrisponde a , , .

La scala Kelvin è legata al punto triplo dell'acqua (273,16 K) e da esso dipende la costante di Boltzmann. Ciò crea problemi con l'accuratezza dell'interpretazione delle misurazioni delle alte temperature. Il BIPM sta ora valutando la possibilità di passare a una nuova definizione di Kelvin e di fissare la costante di Boltzmann, invece del riferimento alla temperatura del punto triplo.

Breve riassunto: lo studente ha acquisito familiarità con la classificazione delle scale e la loro portata.

Kit di pratica

Domande:

1. Quando e da chi è stata proposta la moderna classificazione delle scale?
2. Definisci la parola SCALA.
3. Elenca tutti i tipi di scale che conosci e spiega le loro differenze?
4. Perché vengono utilizzate le scale in psicometria?
5. Quali scale sono più utilizzate in Inghilterra e in America?
6. Quale delle scale sopra indicate è apparsa per prima?
7. Quale paese ha utilizzato la scala Reaumur per più tempo?
8. Come viene misurata la temperatura sulla scala della temperatura termodinamica assoluta?
9. Fornire esempi di scale di temperatura assolute.
10. Qual è la relazione tra Kelvin e il grado Rankine?

Esercizi

1. Disegna un diagramma che mostri classificazione moderna bilancia Puoi creare scale in base alla gerarchia?
2. Determinare il valore della temperatura in diverse scale di temperatura (Fahrenheit, Kelvin)

Misura delle quantità di energia termica

Una delle quantità più importanti di energia termica è la temperatura. La temperatura è una grandezza fisica che caratterizza il grado di riscaldamento di un corpo o il suo potenziale energetico termico. Quasi tutto processi tecnologici e varie proprietà di una sostanza dipendono dalla temperatura.

A differenza di grandezze fisiche come massa, lunghezza, ecc., la temperatura non è una grandezza estensiva (parametrica), ma intensiva (attiva). Se un corpo omogeneo viene diviso a metà, anche la sua massa sarà divisa a metà. La temperatura, essendo una grandezza intensiva, non ha questa proprietà di additività, cioè Per un sistema in equilibrio termico, ogni parte del sistema ha la stessa temperatura. Non è quindi possibile creare uno standard di temperatura, così come si creano standard di quantità estensive.

La temperatura può essere misurata solo indirettamente, in base alla dipendenza dalla temperatura Proprietà fisiche corpi direttamente misurabili. Queste proprietà dei corpi sono chiamate termometriche. Questi includono lunghezza, densità, volume, potenza termoelettrica, resistenza elettrica, ecc. Vengono chiamate le sostanze caratterizzate da proprietà termometriche termometrico. Lo strumento per misurare la temperatura si chiama termometro. Per creare un termometro, è necessario disporre di una scala di temperatura.

La scala della temperatura è una specifica relazione numerica funzionale tra la temperatura e i valori della proprietà termometrica misurata. A questo proposito sembra possibile costruire scale di temperatura basate sulla scelta di una qualsiasi proprietà termometrica. Allo stesso tempo, non esiste una proprietà termometrica generale che sia correlata linearmente ai cambiamenti di temperatura e che non dipenda da altri fattori in un ampio intervallo di misurazioni della temperatura.

Le prime scale di temperatura apparvero nel XVIII secolo. Per costruirli sono stati scelti due punti di riferimento t 1 e t 2, che rappresentano le temperature di equilibrio di fase delle sostanze pure. Viene chiamata la differenza di temperatura t 2 - t 1 intervallo di temperatura principale. Il fisico tedesco Gabriel Daniel Fahrenheit (1715), il fisico svedese Anders Celsius (1742) e il fisico francese René Antoine Reaumur (1776) nel costruire le scale si basavano sul presupposto di una relazione lineare tra la temperatura T e proprietà termometrica, che veniva utilizzata come espansione del volume del liquido V, cioè.

t = a + bV, (1)

Dove UN E B– coefficienti costanti.

Sostituendo V = V 1 at = t 1 e V = V 2 at = t 2 in questa equazione, dopo la trasformazione otteniamo l'equazione della scala della temperatura:

Nelle scale Fahrenheit, Reaumur e Celsius, il punto di fusione del ghiaccio t 1 corrispondeva a +32 0, 0 0 e 0 0, e il punto di ebollizione dell'acqua t 2 - 212 0, 80 0 e 100 0. L'intervallo principale t 2 - t 1 in queste scale è diviso rispettivamente in N = 180, 80 e 100 parti uguali, e la parte 1/N di ciascun intervallo è chiamata grado Fahrenheit - t 0 F, grado Reaumur t 0 R e il grado Celsius t 0 C Pertanto, per le scale costruite secondo questo principio, il grado non è un'unità di misura, ma rappresenta un intervallo unitario: la scala della scala.

Per convertire la temperatura da una scala all'altra, utilizzare il seguente rapporto:

(3)

Successivamente si è scoperto che le letture di termometri con diverse sostanze termometriche (mercurio, alcool, ecc.), Utilizzando la stessa proprietà termometrica e una scala di gradi uniforme, coincidono solo nei punti di riferimento, e in altri punti le letture divergono. Quest'ultimo è particolarmente evidente quando si misurano temperature i cui valori si trovano lontano dall'intervallo principale.

Questa circostanza è spiegata dal fatto che la relazione tra temperatura e proprietà termometrica è in realtà non lineare e questa non linearità è diversa per le diverse sostanze termometriche. In particolare, la non linearità tra temperatura e variazione di volume del liquido è spiegata dal fatto che il coefficiente di temperatura di espansione volumetrica del liquido stesso cambia con la temperatura e questa variazione è diversa per le diverse gocce di liquido.

Sulla base del principio descritto, puoi costruire un numero qualsiasi di scale che differiscono significativamente l'una dall'altra. Tali scale sono chiamate convenzionali e le scale di queste scale sono chiamate gradi convenzionali.

Il problema di creare una scala di temperatura indipendente dalle proprietà termometriche delle sostanze fu risolto nel 1848 da Kelvin, e la scala da lui proposta fu chiamata termodinamica. A differenza delle scale di temperatura convenzionali, la scala di temperatura termodinamica lo è assoluto.

Scala di temperatura termodinamica basato sull’uso del secondo principio della termodinamica. Secondo questa legge, il coefficiente azione utile h di un motore termico che funziona secondo un ciclo di Carnot inverso è determinato solo dalla temperatura del riscaldatore T n e del frigorifero T x e non dipende dalle proprietà della sostanza di lavoro:

(4)

dove Q n e Q x sono, rispettivamente, la quantità di calore ricevuta dalla sostanza di lavoro dal riscaldatore e ceduta al frigorifero.

Kelvin propose di utilizzare l'uguaglianza per determinare la temperatura

Pertanto, utilizzando un oggetto come riscaldatore e un altro come frigorifero ed eseguendo un ciclo di Carnot tra di loro, è possibile determinare il rapporto di temperatura degli oggetti misurando il rapporto tra il calore prelevato da un oggetto e quello ceduto all'altro. La scala di temperatura risultante non dipende dalle proprietà della sostanza di lavoro ed è chiamata scala di temperatura assoluta. A temperatura assoluta avesse un certo significato, si propose di prendere la differenza delle temperature termodinamiche tra i punti di ebollizione dell'acqua T kv e i punti di fusione del ghiaccio T tl pari a 100 0. L'accettazione di tale differenza perseguiva l'obiettivo di mantenere la continuità valore numerico scala di temperatura termodinamica dalla scala di temperatura centigrada Celsius. T.O., che indica la quantità di calore ricevuta dal riscaldatore (acqua bollente) e ceduta al frigorifero (ghiaccio che scioglie), rispettivamente attraverso Q kv e Q tl, e prendendo T kv – T tl = 100, si ottiene:

E (6)

Per qualsiasi temperatura T del riscaldatore, con un valore costante di T tl del frigorifero e la quantità di calore Q t ceduta dalla sostanza lavoratrice della macchina di Carnot, avremo:

(7)

L'equazione (6) è l'equazione scala di temperatura termodinamica centigrada e mostra che il valore della temperatura T su questa scala è linearmente correlato alla quantità di calore Q ricevuta dalla sostanza lavorante di una macchina termica quando esegue un ciclo di Carnot e, di conseguenza, non dipende dalle proprietà della termodinamica sostanza. Si considera un grado di temperatura termodinamica la differenza tra la temperatura corporea e la temperatura di fusione del ghiaccio alla quale il lavoro compiuto nel ciclo di Carnot inverso è pari a 1/100 del lavoro svolto nel ciclo di Carnot tra il punto di ebollizione di acqua e la temperatura di scioglimento del ghiaccio (a condizione che in entrambi i cicli la quantità di calore ceduta al frigorifero sia la stessa).

Dalla definizione di efficienza ne consegue che al valore massimo h=1 T x dovrebbe essere pari a zero. Questa temperatura più bassa è stata chiamata zero assoluto da Kelvin. La temperatura sulla scala termodinamica è indicata con “K”.

La scala di temperatura termodinamica, basata su due punti di riferimento, ha una precisione di misurazione insufficiente. Quasi difficile riprodurre le temperature punti specificati, Perché dipendono dalla pressione e dal contenuto di sale nell'acqua. Pertanto, Kelvin e Mendeleev hanno espresso l'idea della fattibilità della costruzione di una scala di temperatura termodinamica basata su un punto di riferimento.

Comitato consultivo per la termometria Comitato Internazionale Pesi e Misure nel 1954 adottò una raccomandazione per passare alla definizione di una scala termodinamica utilizzando un punto di riferimento: il punto triplo dell'acqua (il punto di equilibrio dell'acqua nelle fasi solida, liquida e gassosa), che è facilmente riproducibile in recipienti speciali con un errore non superiore a 0,0001 K. La temperatura di questo punto viene considerata pari a 273,16 K, cioè superiore alla temperatura di scioglimento del ghiaccio di 0,01 K. Questo numero è stato scelto in modo che i valori di temperatura sulla nuova scala praticamente non differiscano dalla vecchia scala Celsius con due punti di riferimento. Il secondo punto di riferimento è lo zero assoluto, che praticamente non è realizzato, ma ha una posizione rigorosamente fissa.

Nel 1967 XIII Assemblea generale su pesi e misure ha chiarito la definizione di unità di temperatura termodinamica nella seguente dicitura: “ Kelvin– 1/273,16 parte della temperatura termodinamica del punto triplo dell’acqua.” La temperatura termodinamica può anche essere espressa in gradi Celsius:

T = T– 273,15 K (8)

Il più famoso questo momento, le scale di temperatura sono Fahrenheit, Celsius e Kelvin.

Scala di temperatura Fahrenheit più popolare negli Stati Uniti. La temperatura si misura in gradi, ad esempio 48,2°F (quarantotto virgola due gradi Fahrenheit), il simbolo F indica che viene utilizzata la scala Fahrenheit.

Gli europei sono abituati Scala di temperatura Celsius, che misura anche la temperatura in gradi, ad esempio 48,2°C (quarantotto virgola due gradi Celsius), il simbolo C indica che viene utilizzata la scala Celsius.

Gli scienziati sono più abituati a operare con Scala di temperatura Kelvin. Fino al 1968, il kelvin era ufficialmente chiamato grado Kelvin, poi si decise di denominare il valore di temperatura misurato sulla scala Kelvin semplicemente in kelvin (senza gradi), ad esempio 48,2 K (quarantotto e due kelvin).

Daniel Gabriel Fahrenheit inventò la sua bilancia nel XVIII secolo mentre produceva termometri ad Amsterdam. Fahrenheit prese come punto di temperatura zero la temperatura di una soluzione salina congelata, che a quel tempo veniva utilizzata per ottenere basse temperature in condizioni di laboratorio. Il fisico tedesco stabilì il valore di 32°F per il punto di fusione del ghiaccio e per il punto di congelamento dell'acqua (rispettivamente con temperatura crescente e decrescente). Secondo la scala risultante, il punto di ebollizione dell'acqua è 212°F.

Nello stesso XVIII secolo, uno scienziato svedese Anders Celsius ha inventato la propria scala di temperatura, che si basa sul punto di congelamento (0°C) e sul punto di ebollizione (100°C) dell'acqua pura alla normale pressione atmosferica.

La scala Kelvin fu inventata nel XIX secolo da uno scienziato britannico William Thomson, che successivamente ricevette il titolo onorifico di Barone Kelvin. Thomson basò la sua scala di temperatura sul concetto di zero assoluto. Successivamente, la scala Kelvin divenne la principale in fisica, e ora attraverso di essa vengono determinati i sistemi Fahrenheit e Celsius.

Fondamentalmente, la temperatura di qualsiasi oggetto caratterizza la misura del movimento delle sue molecole: più velocemente le molecole si muovono, maggiore è la temperatura dell'oggetto e viceversa. Più bassa è la temperatura, più lentamente si muovono le molecole. Allo zero assoluto (0 K), le molecole si fermano (cosa che non può accadere in natura). Per questo motivo è impossibile raggiungere lo zero assoluto o temperature anche inferiori.

Va detto che le graduazioni delle scale Kelvin e Celsius sono le stesse (un grado Celsius equivale a un kelvin), e 0 K = -273,15°C.

Pertanto, collegare le scale di temperatura Kelvin e Celsius è molto semplice:

K = C+273,15 C = K-273,15

Proviamo a collegare le scale Celsius e Fahrenheit.

Come sapete, l'acqua ghiaccia a 32°F e 0°C: 32°F=0°C. L'acqua bolle a 212°F e 100°C: 212°F=100°C.

Pertanto, per 180 gradi Fahrenheit ci sono 100 gradi Celsius (rapporto 9/5): 212°F-32°F=100°C-0°C.

Va inoltre notato che il punto zero della scala Celsius corrisponde al punto 32 gradi della scala Fahrenheit.

Tenendo conto delle corrispondenze tra le due scale di cui sopra, ricaviamo la formula per convertire la temperatura da una scala all'altra:

DO = (5/9) (FA-32) FA = (9/5) DO+32

Se decidi questo sistema equazioni, possiamo scoprirlo -40°C = -40°F- questa è l'unica temperatura alla quale i valori di entrambe le scale coincidono.

Procedendo in modo simile colleghiamo le scale Kelvin e Fahrenheit:

FA = (9/5)·(K-273,15)+32 = (9/5)K-459,67 K = (5/9)·(FA+459,67)

Temperatura e scale di temperatura

Temperatura - grado di riscaldamento della sostanza. Questo concetto basato sulla capacità di trasferire calore tra diversi corpi (sostanza) a diversi gradi di riscaldamento e di essere in uno stato equilibrio termale a parità di temperatura. Inoltre, il calore viene sempre trasferito dal corpo in misura maggiore alta temperatura ad un corpo a bassa temperatura. La temperatura può anche essere definita come un parametro dello stato termico di una sostanza, determinato dall'energia cinetica media di movimento delle sue molecole. Da qui è ovvio che il concetto di “temperatura” non è applicabile per una molecola, perché a qualsiasi temperatura particolare l'energia di una molecola non può essere caratterizzata da un valore medio. Da questa disposizione Ne consegue che il concetto di “temperatura” è statistico.

La temperatura viene misurata da dispositivi chiamati termometri, la cui base può essere basata su vari principi fisici. La capacità di misurare la temperatura con tali dispositivi si basa sul fenomeno dello scambio termico tra corpi e a vari livelli riscaldamento e cambiamenti nelle loro proprietà fisiche (termometriche) durante il riscaldamento (raffreddamento).

Per quantificare la temperatura è necessario scegliere l'uno o l'altro scala di temperatura. Le scale di temperatura sono costruite sulla base di alcune proprietà fisiche di una sostanza, che non dovrebbero dipendere da fattori estranei e dovrebbero essere misurate in modo accurato e conveniente. In effetti, non esiste una singola proprietà termometrica per corpi o sostanze termometrici che soddisfi completamente le condizioni specificate nell'intero intervallo di temperature misurate. Pertanto, le scale di temperatura sono definite per diversi intervalli di temperatura, sulla base del presupposto arbitrario di una relazione lineare

tra la proprietà di un corpo termometrico e la temperatura. Tali scale sono chiamate condizionale e la temperatura da loro misurata -condizionale.

4 La scala di temperatura convenzionale comprende una delle scale più comuni: la scala Celsius. Secondo questa scala, i punti di fusione del ghiaccio e il punto di ebollizione dell'acqua alla normale pressione atmosferica vengono presi come limiti dell'intervallo di misurazione condizionale e un centesimo di questa scala è solitamente chiamato un grado Celsius (\ CON),

| Tuttavia, costruire una scala di temperatura di questo tipo senza utilizzare termometri liquidi può portare a una serie di difficoltà legate alle proprietà dei liquidi termometrici utilizzati. Ad esempio, le letture dei termometri a mercurio e ad alcool che funzionano secondo il principio dell'espansione del liquido saranno diverse quando si misura la stessa temperatura a causa dei diversi coefficienti della loro espansione volumetrica.

| Pertanto, per migliorare la scala di temperatura convenzionale, è stato proposto di utilizzare un termometro a gas utilizzando gas le cui proprietà differirebbero leggermente da quelle di un gas ideale (idrogeno, elio, azoto, ecc.).

Utilizzando un termometro a gas, la misurazione della temperatura può essere basata sulle variazioni di volume o pressione del gas in un sistema termico chiuso.

In pratica è diventato sempre più diffuso un metodo basato sulla misurazione della pressione a volume costante, perché è più accurato e facile da implementare.

Creare un'unica scala di temperatura non correlata alle proprietà termometriche varie sostanze per un ampio intervallo di temperature, Kelvin propose una scala di temperatura basata sulla seconda legge della termodinamica. Questa scala si chiama scala di temperatura termodinamica.

Si basa sulle seguenti disposizioni:

Se, durante un ciclo di Carnot reversibile, un corpo assorbe calore 0, alla temperatura T, e cede calore C? 3 alla temperatura T 2, allora deve essere rispettata la seguente uguaglianza:

QUELLO,

P<Г (21)

Secondo i principi della termodinamica, questo rapporto non dipende dalle proprietà del fluido di lavoro.

IO La scala di temperatura termodinamica Kelvin ha iniziato ad essere utilizzata come scala iniziale per altre scale di temperatura che non dipendono dalle proprietà termometriche della sostanza di lavoro. Per determinare un grado su questa scala, l'intervallo tra il punto di fusione del ghiaccio e il punto di ebollizione dell'acqua viene diviso, come nella scala centigrada Celsius, in cento parti uguali. Quindi I П С risulta essere uguale a ] °К

* Secondo questa scala, comunemente chiamata assoluto Si considera che il punto zero sia una temperatura 273,15° inferiore al punto di fusione del ghiaccio, chiamato zero assoluto. È stato teoricamente dimostrato che a questa temperatura cessa ogni movimento termico delle molecole di qualsiasi sostanza, quindi questa scala è in una certa misura di natura teorica.

Tra la temperatura T, espressa in Kelvin, e la temperatura *, espressa in gradi Celsius, vale la seguente relazione:

1=T-T 0 , (2.2)

dove T 0 = 273,15 K.

Tra i termometri esistenti, i termometri a gas implementano con maggiore precisione la scala della temperatura assoluta nell'intervallo non superiore a 1200 °C. L'uso di questi termometri a temperature più elevate incontra grandi difficoltà; inoltre, i termometri a gas sono dispositivi piuttosto complessi e ingombranti, il che è scomodo per scopi pratici. Pertanto, per la riproduzione pratica e conveniente della scala termodinamica in ampi intervalli di variazioni di temperatura, pratica internazionale

cabine di temperatura (MPTS). Attualmente è in vigore la scala di temperatura MPTS-68, adottata nel 1968, la cui costruzione si basa su punti di riferimento determinati dallo stato di fase delle sostanze. Questi punti di riferimento vengono utilizzati per standardizzare le temperature in vari intervalli, riportati nella tabella. 2.1.