Temperaturskala Fahrenheit, Celsius, Kelvin. Introduksjon: Temperaturskalaer

Temperatur er den viktigste parameteren miljø(OS). OS temperatur karakteriserer graden av oppvarming, som bestemmes av den interne kinetisk energi termisk bevegelse av molekyler. Temperatur kan defineres som en termisk tilstandsparameter. For å sammenligne graden av oppvarming av legemer, bruker den en endring i noen av deres fysiske egenskaper som avhenger av temperatur og er lett målbare (for eksempel volumetrisk utvidelse av en væske, en endring elektrisk motstand metall osv.).

For å gå videre til kvantitativ bestemmelse av temperatur, er det nødvendig å etablere en temperaturskala, dvs. velg opprinnelsen (null temperaturskala) og måleenheten for temperaturintervallet (grader).

Temperaturskalaer brukt før introduksjonen av en enkelt temperaturskala er en serie merker innenfor et temperaturområde begrenset av to lett reproduserbare konstante (hovedreferanse eller referanse) koke- og smeltepunkter for kjemisk rene stoffer. Disse temperaturene ble tatt lik vilkårlige numeriske verdier t" og t". Dermed er 1 grad = (t" - t")/n, hvor t" og t" er to konstante, lett reproduserbare temperaturer; i hvilket temperaturområde.

For å markere temperaturskalaen ble den volumetriske ekspansjonen av legemer ved oppvarming oftest brukt, og kokepunktene til vann og smeltingen av is ble tatt som konstante punkter. Temperaturskalaene laget av Lomonosov, Fahrenheit, Reaumur og Celsius er basert på dette prinsippet. Ved konstruksjon av disse skalaene ble det antatt en lineær sammenheng mellom væskens volumetriske ekspansjon og temperatur, dvs.

hvor k er proporsjonalitetskoeffisienten (tilsvarer den relative temperaturkoeffisienten for volumetrisk ekspansjon). Integrerende ligning (1) gir

hvor D er integrasjonskonstanten.

For å bestemme konstantene k og D, brukes to valgte temperaturer t" og t" Ved å ta volum V ved temperatur t" og volum V ved temperatur t" - V", får vi

t" = kV" + D; (3)

t" = kV" + D; (4).

Ved å trekke fra ligning (3) fra ligning (2) og (4), får vi

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

t" - t" = k(V" - V") (6).

Ved å dele ligning (5) med ligning (6), får vi

hvor t" og t" er temperaturene for henholdsvis smeltende is og kokende vann kl. normalt trykk og akselerasjon av fritt fall 980,665 cm/s 2 ; V" og V" - volumer av væsker som tilsvarer temperaturene t" og t"; V er volumet av væske som tilsvarer temperaturen t.

Det er ingen væsker i naturen med lineær avhengighet mellom koeffisienten for volumetrisk utvidelse og temperatur, derfor avhenger avlesningene av termometre av arten av det termometriske stoffet (kvikksølv, alkohol, etc.).

Med utviklingen av vitenskap og teknologi oppsto behovet for å lage en enhetlig temperaturskala, uten tilknytning til noen spesielle egenskaper til det termometriske stoffet og egnet over et bredt temperaturområde. I 1848 foreslo Kelvin, basert på termodynamikkens andre lov, å bestemme temperatur basert på likheten

T 2 /(T 2 - T 1) = Q 2 /(Q 2 - Q 1),

hvor T 1 og T 2 er temperaturene til henholdsvis kjøleskapet og varmeapparatet; Q 1 og Q 2 er mengden varme som henholdsvis mottas av arbeidsstoffet fra varmeren og gis til kjøleskapet (for en ideell varmemotor som kjører på Carnot-syklusen).

La T 2 være lik kokepunktet til vann (T 100), og T 1 være smeltetemperaturen til is (T 0); tar vi forskjellen T 2 - T 1 lik 100 grader og angir mengden varme som tilsvarer disse temperaturene gjennom Q 100 og Q 0, får vi

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

Ved hvilken som helst varmeapparattemperatur

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

Ligningen er en ligning av den termodynamiske temperaturskalaen, som ikke er avhengig av egenskapene til det termometriske stoffet.

Avgjørelsen fra XI General Conference on Weights and Measures i Russland sørget for bruk av to temperaturskalaer: termodynamisk og internasjonal praktisk.

I den termodynamiske Kelvin-skalaen laveste punkt er det absolutte nullpunktet (0K), og det eneste eksperimentelle fundamentale punktet er trippelpunktet til vann. Dette punktet tilsvarer 273.16K. Trippelpunktet til vann (likevektstemperaturen til vann i de faste, flytende og gassformige fasene) er isens smeltepunkt på 0,01 grader. Den termodynamiske skalaen kalles absolutt hvis punktet 273,16 K under isens smeltepunkt tas som null.

Strengt tatt er det umulig å implementere Kelvin-skalaen, pga ligningen er avledet fra den ideelle Carnot-syklusen. Den termodynamiske temperaturskalaen faller sammen med skalaen til et gasstermometer fylt med en ideell gass. Det er kjent at noen reelle gasser (hydrogen, helium, neon, nitrogen) i et bredt temperaturområde avviker relativt lite i egenskapene deres fra ideell gass. Således er skalaen til et hydrogentermometer (som tar hensyn til korreksjoner for avviket til egenskapene til en ekte gass fra en ideell) praktisk talt en termodynamisk temperaturskala.

Den internasjonale praktiske temperaturskalaen er basert på en rekke reproduserbare likevektstilstander, som tilsvarer visse temperaturer (hovedreferansepunkter), og på referanseinstrumenter kalibrert ved disse temperaturene. I intervallet mellom temperaturene til hovedreferansepunktene utføres interpolasjon ved hjelp av formler som etablerer en sammenheng mellom avlesningene til standardinstrumenter og verdiene til den internasjonale praktiske skalaen. Hovedreferansepunktene er realisert som visse tilstander av faselikevekter for noen rene stoffer og dekker temperaturområdet fra -259,34 0 C (trippel likevekt av hydrogen) til +1064,43 0 C (størkningspunkt for gull).

Referanseenheten som brukes i temperaturområdet fra -259,34 til +630,74 0 C er et platinamotstandstermometer, fra +630,74 til +1064,43 0 C - et termoelektrisk termometer med termoelektroder og platina rhodium (10% rhodium) og platina. For temperaturområdet over 1064,43 0 C bestemmes temperaturen på internasjonal praktisk skala i henhold til Plancks strålingslov.

Temperatur målt på internasjonal praktisk skala er merket med t, og de numeriske verdiene er ledsaget av tegnet 0 C.

Temperatur på termodynamisk skala er relatert til temperatur på internasjonal praktisk skala med forholdet T = t + 273,15. På IX General Conference on Weights and Measures i 1948 ble den internasjonale praktiske temperaturskalaen kalt Celsius-skalaen. Den internasjonale praktiske temperaturskalaen og Celsiusskalaen har ett konstant punkt til felles (kokepunktet til vann); på alle andre punkter skiller disse skalaene seg betydelig, spesielt ved høye temperaturer.

Merknad: Konseptet med skalering. Eksisterende typer vekter og deres bruksområder. Årsaker til utseendet på skjell.

SHKA"LA, s, og. [latinsk. scala - stige].- 1 . Linjal med inndelinger i forskjellige måleinstrumenter. W. termometer. 2 . En serie med mengder, tall i stigende eller synkende rekkefølge (spesiell). Sh. pasientens temperatur. Sh. sykdommer. Sh. lønn.

Typer vekter:

Måleskalaer klassifiseres vanligvis i henhold til typene målte data, som bestemmer de matematiske transformasjonene som er akseptable for en gitt skala, samt typene forhold som vises av den tilsvarende skalaen. Den moderne klassifiseringen av skalaer ble foreslått i 1946 av Stanley Smith Stevens.

Navneskala (nominell, klassifisering)

Brukes til å måle verdier kvalitative tegn. Verdien av en slik egenskap er navnet på ekvivalensklassen som det aktuelle objektet tilhører. Eksempler på betydningen av kvalitative egenskaper er navn på stater, farger, bilmerker osv. Slike egenskaper tilfredsstiller identitetsaksiomene:

På stort antall klasser bruker hierarkiske navneskalaer. De fleste kjente eksempler Slike vekter er vektene som brukes til å klassifisere dyr og planter.

Med verdier målt i navneskalaen, kan du bare utføre én operasjon - sjekke deres tilfeldighet eller ikke-tilfeldighet. Basert på resultatene av en slik sjekk, er det mulig å i tillegg beregne fyllingsfrekvenser (sannsynligheter) for ulike klasser som kan brukes til påføring ulike metoder statistisk analyse - Kikvadrattest av samsvar, Cramers test for å teste hypotesen om forholdet mellom kvalitative egenskaper, etc.

Ordinalskala (eller rangskala)

Bygget på identitet og bestille. Emner i denne skalaen er rangert. Men ikke alle objekter kan være underlagt ordensforholdet. For eksempel er det umulig å si hvilken som er større, en sirkel eller en trekant, men man kan identifisere en felles egenskap i disse objektene - areal, og dermed blir det lettere å etablere ordensrelasjoner. For denne skalaen er en monoton transformasjon akseptabel. En slik skala er grov fordi den ikke tar hensyn til forskjellene mellom skalaens emner. Et eksempel på en slik skala: akademiske prestasjoner (utilfredsstillende, tilfredsstillende, bra, utmerket), Mohs-skala.

Intervallskala

Her er det en sammenligning med standarden. Konstruksjonen av en slik skala gjør at vi kan tilskrive de fleste egenskapene til eksisterende numeriske systemer til tall oppnådd på grunnlag av subjektive vurderinger. For eksempel å konstruere en intervallskala for reaksjoner. For denne skalaen er lineær transformasjon akseptabel. Dette lar deg redusere testresultatene til vanlige skalaer og dermed sammenligne indikatorer. Eksempel: Celsiusskala.

Relasjonsskala

I forholdsskalaen gjelder forholdet «så mange ganger mer». Dette er den eneste av de fire skalaene som har en absolutt null. Nullpunktet karakteriserer fraværet av det målte kvalitet. Dette skalaen tillater likhetstransformasjon (multiplikasjon med en konstant). Å bestemme nullpunktet er en vanskelig oppgave for forskning, og pålegger begrensninger på bruken av denne skalaen. Ved å bruke slike skalaer kan masse, lengde, styrke og verdi (pris) måles. Eksempel: Kelvin-skala (temperaturer målt fra absolutt null, med måleenheten valgt etter avtale med eksperter - Kelvin).

Differanseskala

Utgangspunktet er vilkårlig, måleenheten er spesifisert. Akseptable transformasjoner er forskyvninger. Eksempel: måling av tid.

Absolutt målestokk

Den inneholder en tilleggsfunksjon - den naturlige og entydige tilstedeværelsen av en måleenhet. Denne skalaen har et enkelt nullpunkt. Eksempel: antall personer i publikum.

Av de vurderte skalaene er de to første ikke-metriske, og resten er metriske.

Spørsmålet om type skala er direkte relatert til problemet med tilstrekkeligheten av metoder for matematisk behandling av måleresultater. Generelt er tilstrekkelig statistikk de som er invariante med hensyn til tillatte transformasjoner av måleskalaen som brukes.

Bruk i psykometri. Ved å bruke forskjellige skalaer kan forskjellige psykologiske målinger gjøres. De aller første metodene for psykologisk måling ble utviklet i psykofysikk. Hovedoppgaven til psykofysikere var hvordan de skulle finne ut hvordan fysiske parametere stimulering og tilsvarende subjektive vurderinger av sansninger. Når du kjenner denne forbindelsen, kan du forstå hvilken følelse som tilsvarer dette eller det tegnet. Den psykofysiske funksjonen etablerer en sammenheng mellom den numeriske verdien av skalaen fysisk dimensjon stimulus og den numeriske verdien av den psykologiske eller subjektive responsen på den stimulansen.

Celsius

1701 i Sverige. Hans interesseområder: astronomi, generell fysikk, geofysikk. Han underviste i astronomi ved Uppsala universitet og grunnla et astronomisk observatorium der.

Celsius var den første som målte lysstyrken til stjerner og etablerte forholdet mellom nordlyset og fluktuasjoner i jordas magnetfelt.

Han deltok i Lapplandsekspedisjonen 1736-1737 for å måle meridianen. Da han kom tilbake fra polarområdene, begynte Celsius aktivt arbeid med organisering og bygging av et astronomisk observatorium i Uppsala og ble i 1740 dets direktør. Anders Celsius døde 25. mars 1744. Mineralet celsian, en type bariumfeltspat, er oppkalt etter ham.

I teknologi, medisin, meteorologi og i hverdagen brukes Celsius-skalaen, der temperaturen på trippelpunktet til vann er 0,01, og derfor er frysepunktet for vann ved et trykk på 1 atm 0. For øyeblikket er Celsius-skalaen definert gjennom Kelvin-skalaen: en grad Celsius er lik en kelvin, . Dermed har kokepunktet for vann, opprinnelig valgt av Celsius som et referansepunkt lik 100, mistet sin verdi, og moderne estimater kokepunktet for vann ved normalt atmosfærisk trykk er omtrent 99.975. Celsius-skalaen er praktisk talt veldig praktisk fordi vann er veldig vanlig på planeten vår og livet vårt er basert på det. Null Celsius er et spesielt punkt for meteorologi fordi det er assosiert med frysing av atmosfærisk vann. Skalaen ble foreslått av Anders Celsius i 1742.

Fahrenheit

Gabriel Fahrenheit. Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736) - Tysk fysiker Født 24. mai 1686 i Danzig (nå Gdansk, Polen) Han studerte fysikk i Tyskland, Holland og England i produksjon av presisjonsmeteorologiske instrumenter I 1709 laget han et alkoholtermometer, i 1714 - et kvikksølvtermometer, vha. ny måte kvikksølvrensing. Til kvikksølvtermometer Fahrenheit konstruerte en skala med tre referansepunkter: tilsvarende temperaturen på blandingen vann - is - ammoniakk, - kroppstemperatur sunn person, og verdien for issmeltepunktet ble tatt som referansetemperatur. Kokepunkt rent vann på Fahrenheit-skalaen var . Fahrenheit-skalaen brukes i mange Engelsktalende land, selv om den gradvis gir etter for Celsius-skalaen. I tillegg til å lage termometre, var Fahrenheit involvert i å forbedre barometre og hygrometre. Han studerte også avhengigheten av endringer i kokepunktet til en væske av atmosfærisk trykk og saltinnholdet i det, oppdaget fenomenet underkjøling av vann og kompilerte tabeller egenvekt tlf. Fahrenheit døde i Haag 16. september 1736.

I England og spesielt i USA brukes Fahrenheit-skalaen. Null grader Celsius er 32 grader Fahrenheit, og en grad Fahrenheit er 5/9 grader Celsius.

Følgende definisjon er for øyeblikket akseptert Fahrenheit skala: Dette er en temperaturskala, hvor 1 grad (1) er lik 1/180 av forskjellen mellom kokepunktet til vann og smeltepunktet til is ved atmosfæretrykk, og smeltepunktet til is har en temperatur på F Fahrenheit-temperaturen er relatert til Celsius-temperaturen () med forholdet. Foreslått av G. Fahrenheit i 1724.

Reaumur skala

Rene Reaumur. Rene Antoin de Reaumur ble født 28

februar 1683 i La Rochelle, fransk naturforsker, utenlandsk æresmedlem av St. Petersburgs vitenskapsakademi (1737). Arbeider med regenerering, fysiologi, biologi av insektkolonier. Han foreslo en temperaturskala oppkalt etter ham. Han forbedret noen metoder for å fremstille stål, han var en av de første som gjorde forsøk på å vitenskapelig underbygge noen støpeprosesser, og skrev verket "The Art of Transforming Iron into Steel." Han kom til en verdifull konklusjon: jern, stål, støpejern er forskjellige i mengden av noe urenhet. Ved å tilsette denne urenheten til jern, ved å karburere eller legere med støpejern, oppnådde Reaumur stål. I 1814 beviste K. Careten at denne urenheten var karbon.

Reaumur ga en metode for å tilberede frostet glass.

I dag forbinder minnet navnet hans bare med oppfinnelsen av en lang

temperaturskala brukt. Faktisk var René Antoine Ferchant de Reaumur, som levde i 1683-1757, hovedsakelig i Paris, en av disse forskerne allsidighet som i vår tid – en tid med snever spesialisering – er vanskelig å forestille seg. Reaumur var på samme tid både tekniker, fysiker og naturviter. Han fikk stor berømmelse utenfor Frankrike som entomolog. I siste årene I løpet av livet kom Reaumur til ideen om at søket etter den mystiske transformative kraften skulle utføres på de stedene der dens manifestasjon er mest åpenbar - under transformasjonen av mat i kroppen, dvs. etter assimilering. Han døde 17. oktober 1757 på slottet Bermovdiere nær Saint-Julien-du-Terroux (Mayenne).

Foreslått i 1730 av R. A. Reaumur, som beskrev alkoholtermometeret han oppfant.

Enheten er graden Reaumur (), lik 1/80 av temperaturintervallet mellom referansepunktene - temperaturen til smeltende is () og kokende vann ()

Foreløpig har vekten gått ut av bruk; den overlevde lengst i Frankrike, forfatterens hjemland.

Sammenligning av temperaturskalaer

Beskrivelse	Kelvin	Celsius	Fahrenheit	Newton	Reaumur
Absolutt null	0	-273.15	-459.67	-90.14	-218.52
Smeltetemperatur for en blanding av Fahrenheit (salt og is i like mengder)	255.37	-17.78	0	-5.87	-14.22
Vannets frysepunkt (normale forhold)	273.15	0	32	0	0
Gjennomsnittlig menneskelig kroppstemperatur	310.0	36.8	98.2	12.21	29.6
Kokepunkt for vann (normale forhold)	373.15	100	212	33	80
Solens overflatetemperatur	5800	5526	9980	1823	4421

Temperaturskalaer, systemer med sammenlignbare numeriske temperaturverdier. Temperatur er ikke en direkte målbar størrelse; verdien bestemmes av temperaturendringen til ethvert termometrisk stoff som er praktisk for å måle den fysiske egenskapen. Etter å ha valgt et termometrisk stoff og egenskap, er det nødvendig å angi det første referansepunktet og størrelsen på temperaturenheten - grader. Således blir empiriske temperaturskalaer (heretter referert til som T.s.) bestemt. I T. sh. Vanligvis registreres to hovedtemperaturer, tilsvarende punktene for faselikevekt til enkomponentsystemer (de såkalte referanse- eller konstantpunkter), avstanden mellom disse kalles skalaens hovedtemperaturintervall. Følgende referansepunkter brukes: trippelpunktet for vann, kokepunktet for vann, hydrogen og oksygen, størkningspunktet for sølv, gull osv. Størrelsen på et enhetsintervall (temperaturenhet) settes som en viss brøkdel av hovedintervallet. For begynnelsen av tellingen T. sh. ta et av referansepunktene. Slik kan du bestemme den empiriske (betingede) T. sh. for enhver termometrisk egenskap. Hvis vi antar at forholdet mellom og temperatur er lineært, så er temperatur , hvor , og er de numeriske verdiene av egenskapen ved temperatur , ved start- og sluttpunktene til hovedintervallet, - størrelsen på graden, - antall inndelinger av hovedintervallet.

I Celsius-skalaen, for eksempel, er temperaturen på vannstørkningen (issmelting) tatt som utgangspunkt.

T. sh. er således et system med påfølgende temperaturverdier relatert lineært til verdiene til den målte fysiske mengden (denne mengden må være entydig og monoton funksjon temperatur). Generelt sett har T. sh. kan variere i termometriske egenskaper (dette kan være termisk utvidelse av legemer, endring i elektrisk motstand til ledere med temperatur, etc.), i termometrisk substans (gass, væske, fast), og er også avhengig av referansepunkter. I det enkleste tilfellet er T. sh. avvike i de numeriske verdiene som er vedtatt for de samme referansepunktene. Således, i Celsius (), Reaumur () og Fahrenheit () skalaene, er smeltepunktene for is og kokepunktet for vann ved normalt trykk tilordnet forskjellige betydninger temperatur. Forholdet for å konvertere temperatur fra en skala til en annen:

Direkte omberegning for T. sh., forskjellig i grunnleggende temperaturer, uten ytterligere eksperimentelle data er umulig. T. sh., forskjellig i termometrisk egenskap eller substans, er betydelig forskjellige. Et ubegrenset antall empiriske termometre som ikke sammenfaller med hverandre er mulig, siden alle termometriske egenskaper er relatert til temperatur ikke-lineært og graden av ikke-linearitet er forskjellig for ulike egenskaper og den virkelige temperaturen målt i henhold til det empiriske termometeret kalles konvensjonell ("kvikksølv", "platina" temperatur, etc.), dens enhet er den konvensjonelle graden. Blant empiriske T. sh. spesiell plass okkuperer gassvekter der gasser fungerer som termometriske stoffer ("nitrogen", "hydrogen", "helium" termometer). Disse T. sh. avhenger mindre enn andre av gassen som brukes og kan (ved å innføre korreksjoner) bringes til den teoretiske gassen T. sh. Avogadro, gyldig for en ideell gass. Absolutt empirisk T. sh. De kaller en skala, hvis absolutte null tilsvarer temperaturen der den numeriske verdien av en fysisk egenskap (for eksempel i Avogadro-gassteorien tilsvarer den absolutte nullpunktet til nulltrykket til en ideell gass). temperaturer (i henhold til empirien T. sh.) og (i henhold til den absolutte empirien T. sh.) er relatert av relasjonen , hvor er den absolutte null for den empiriske T. sh. (innføringen av absolutt null er en ekstrapolering og innebærer ikke implementeringen).

Den grunnleggende ulempen med empiriske T. sh. - deres avhengighet av det termometriske stoffet - er fraværende i termodynamisk termodynamikk, basert på termodynamikkens andre lov. Ved bestemmelse av den absolutte termodynamiske T. sh. (Kelvin-skala) kommer fra Carnot-syklusen. Hvis et legeme som fullfører syklusen i Carnot-syklusen absorberer varme ved temperatur og avgir varme ved temperatur, vil forholdet er ikke avhengig av egenskapene til arbeidsvæsken og lar en bestemme den absolutte temperaturen ved å bruke mengdene som er tilgjengelige for målinger. I utgangspunktet ble hovedintervallet til denne skalaen satt av punktene for smelting av is og kokende vann ved atmosfæretrykk, enheten for absolutt temperatur tilsvarte en del av hovedintervallet, og smeltepunktet for is ble tatt som utgangspunkt. I 1954 etablerte X General Conference on Weights and Measures den termodynamiske T. sh. med ett referansepunkt - trippelpunktet for vann, hvis temperatur antas å være 273,16 K (nøyaktig), som tilsvarer . temperatur i absolutt termodynamisk T. sh. målt i kelvin (K). Termodynamisk temperaturskala, der temperaturen er tatt for isens smeltepunkt, kalles celsius. Forholdet mellom temperaturer uttrykt i Celsius og absolutt termodynamisk T.-skala:

så størrelsen på enhetene i disse skalaene er den samme. I USA og noen andre land hvor det er vanlig å måle temperatur på Fahrenheit-skalaen, er absolutt T. sh. Rankin. Forholdet mellom kelvin og grad Rankine: , på Rankine-skalaen tilsvarer isens smeltepunkt til , kokepunktet for vann .

Enhver empirisk T. sh. reduseres til termodynamisk T. sh. innføring av korreksjoner som tar hensyn til arten av forholdet mellom den termometriske egenskapen og termodynamisk temperatur. Termodynamisk T. sh. utføres ikke direkte (ved å utføre en Carnot-syklus med et termometrisk stoff), men ved hjelp av andre prosesser knyttet til termodynamisk temperatur. I et bredt temperaturområde (omtrent fra kokepunktet for helium til størkningspunktet for gull), termodynamisk T. sh. sammenfalle med T. sh. Avogadro, så den termodynamiske temperaturen bestemmes av gasstemperaturen, som måles med et gasstermometer. Med flere lave temperaturer ah termodynamisk T. sh. utføres i henhold til temperaturavhengigheten til den magnetiske følsomheten til paramagnetiske materialer, ved høyere verdier ble skalaen omdefinert flere ganger (MTSh-48, MPTS-68, MTSH-90): referansetemperaturer og interpolasjonsmetoder endret, men Prinsippet forble det samme - grunnlaget for skalaen er et sett med rene faseoverganger med visse verdier av termodynamiske temperaturer og interpolasjonsinstrumenter kalibrert på disse punktene. ITS-90-skalaen er for øyeblikket i kraft. Hoveddokumentet (Forskrifter på skalaen) etablerer definisjonen av Kelvin, verdiene for faseovergangstemperaturer (referansepunkter) og interpolasjonsmetoder.

Temperaturskalaer som brukes i hverdagen - både Celsius og Fahrenheit (brukes hovedsakelig i USA) - er ikke absolutte og derfor upraktiske når man utfører eksperimenter under forhold der temperaturen synker under frysepunktet for vann, og det er derfor temperaturen må uttrykkes negativt tall. For slike tilfeller ble det innført absolutte temperaturskalaer.

En av dem kalles Rankine-skalaen, og den andre er den absolutte termodynamiske skalaen (Kelvin-skalaen); deres temperaturer måles i henholdsvis grader Rankine () og kelvin (K). Begge skalaene begynner ved absolutt null temperatur. De skiller seg på den Kelvin lik en grad Celsius, og Rankine-graden er Fahrenheit-graden. Frysepunktet for vann ved standard atmosfærisk trykk tilsvarer , , .

Kelvin-skalaen er knyttet til vannets trippelpunkt (273,16 K), og Boltzmann-konstanten avhenger av den. Dette skaper problemer med nøyaktigheten av tolkningen av høytemperaturmålinger. BIPM vurderer nå muligheten for å gå over til en ny definisjon av Kelvin og fikse Boltzmann-konstanten, i stedet for å referere til trippelpunktstemperaturen.

Kort oppsummering: eleven ble kjent med klassifiseringen av skalaer og deres omfang.

Øvingssett

Spørsmål:

1. Når og av hvem ble den moderne klassifiseringen av skalaer foreslått?
2. Definer ordet SCALE.
3. List opp alle typer skalaer du kjenner og forklar forskjellene deres?
4. Hvorfor brukes skalaer i psykometri?
5. Hvilke vekter er mest brukt i England og Amerika?
6. Hvilken av skalaene ovenfor dukket opp først?
7. Hvilket land har brukt Reaumur-skalaen lengst?
8. Hvordan måles temperatur på den absolutte termodynamiske temperaturskalaen?
9. Gi eksempler på absolutte temperaturskalaer.
10. Hva er forholdet mellom kelvin og grad Rankine?

Øvelser

1. Tegn et diagram som viser moderne klassifisering vekter Kan du lage skalaer i henhold til hierarki?
2. Bestem temperaturverdien i forskjellige temperaturskalaer (Fahrenheit, Kelvin)

Måling av termiske energimengder

En av de viktigste termiske energimengdene er temperatur. Temperatur er en fysisk størrelse som karakteriserer graden av oppvarming av et legeme eller dets termiske energipotensial. Nesten alt teknologiske prosesser og ulike egenskaper til et stoff avhenger av temperatur.

I motsetning til slike fysiske størrelser som masse, lengde osv., er ikke temperatur en omfattende (parametrisk), men en intensiv (aktiv) størrelse. Hvis en homogen kropp er delt i to, er massen også delt i to. Temperatur, som er en intensiv mengde, har ikke denne egenskapen til additivitet, dvs. For et system i termisk likevekt har hver del av systemet samme temperatur. Derfor er det ikke mulig å lage en temperaturstandard, akkurat som det lages standarder for omfattende mengder.

Temperatur kan kun måles indirekte, basert på temperaturavhengigheten til slike fysiske egenskaper kropper som kan måles direkte. Disse egenskapene til legemer kalles termometriske. Disse inkluderer lengde, tetthet, volum, termoelektrisk kraft, elektrisk motstand, etc. Stoffer preget av termometriske egenskaper kalles termometrisk. Instrumentet for å måle temperatur kalles et termometer. For å lage et termometer må du ha en temperaturskala.

Temperaturskalaen er et spesifikt funksjonelt numerisk forhold mellom temperatur og verdiene til den målte termometriske egenskapen. I denne forbindelse ser det ut til at det er mulig å konstruere temperaturskalaer basert på valg av hvilken som helst termometrisk egenskap. Samtidig er det ingen generell termometrisk egenskap som er lineært relatert til temperaturendringer og ikke er avhengig av andre faktorer over et bredt spekter av temperaturmålinger.

De første temperaturskalaene dukket opp på 1700-tallet. For å konstruere dem ble to referansepunkter t 1 og t 2 valgt, som representerer faselikevektstemperaturene til rene stoffer. Temperaturforskjellen t 2 - t 1 kalles hovedtemperaturområdet. Den tyske fysikeren Gabriel Daniel Fahrenheit (1715), den svenske fysikeren Anders Celsius (1742) og den franske fysikeren René Antoine Reaumur (1776) ved konstruksjon av skalaer var basert på antakelsen om en lineær sammenheng mellom temperatur t og termometrisk egenskap, som ble brukt som utvidelse av væskevolumet V, dvs.

t = a + bV, (1)

Hvor EN Og b– konstante koeffisienter.

Ved å erstatte V = V 1 ved t = t 1 og V = V 2 ved t = t 2 inn i denne ligningen, etter transformasjon får vi temperaturskala-ligningen:

I Fahrenheit-, Reaumur- og Celsius-skalaene tilsvarte smeltepunktet for is t 1 +32 0, 0 0 og 0 0, og kokepunktet for vann t 2 - 212 0, 80 0 og 100 0. Hovedintervallet t 2 - t 1 i disse skalaene er delt inn i henholdsvis N = 180, 80 og 100 like deler, og 1/N-delen av hvert intervall kalles Fahrenheit-graden - t 0 F, Reaumur-graden t 0 R og Celsius-graden t 0 C For skalaer konstruert etter dette prinsippet er graden ikke en måleenhet, men representerer et enhetsintervall - skalaen til skalaen.

For å konvertere temperatur fra en skala til en annen, bruk følgende forhold:

(3)

Senere ble det funnet at avlesningene til termometre med forskjellige termometriske stoffer (kvikksølv, alkohol, etc.), ved bruk av samme termometriske egenskap og en ensartet gradskala, bare sammenfaller ved referansepunkter, og på andre punkter divergerer avlesningene. Sistnevnte er spesielt merkbar når du måler temperaturer hvis verdier er plassert langt fra hovedintervallet.

Denne omstendigheten forklares av det faktum at forholdet mellom temperatur og termometrisk egenskap faktisk er ikke-lineært og denne ikke-lineariteten er forskjellig for forskjellige termometriske stoffer. Spesielt er ikke-lineariteten mellom temperatur og endring i væskevolum forklart av det faktum at temperaturkoeffisienten for volumetrisk utvidelse av selve væsken endres med temperaturen, og denne endringen er forskjellig for forskjellige dråpevæsker.

Basert på det beskrevne prinsippet kan du bygge et hvilket som helst antall skalaer som skiller seg betydelig fra hverandre. Slike skalaer kalles konvensjonelle, og skalaene til disse skalaene kalles konvensjonelle grader.

Problemet med å lage en temperaturskala uavhengig av de termometriske egenskapene til stoffer ble løst i 1848 av Kelvin, og skalaen han foreslo ble kalt termodynamisk. I motsetning til konvensjonelle temperaturskalaer, er den termodynamiske temperaturskalaen absolutt.

Termodynamisk temperaturskala basert på bruken av termodynamikkens andre lov. I samsvar med denne loven, koeffisienten nyttig handling h for en varmemotor som kjører på en omvendt Carnot-syklus bestemmes kun av temperaturen til varmeren T n og kjøleskapet T x og er ikke avhengig av egenskapene til arbeidsstoffet:

(4)

hvor Q n og Q x er henholdsvis mengden varme som mottas av arbeidsstoffet fra varmeren og gis til kjøleskapet.

Kelvin foreslo å bruke likheten for å bestemme temperaturen

Derfor, ved å bruke en gjenstand som en varmeovn og en annen som et kjøleskap og kjøre en Carnot-syklus mellom dem, er det mulig å bestemme temperaturforholdet til gjenstandene ved å måle forholdet mellom varme tatt fra en gjenstand og gitt til den andre. Den resulterende temperaturskalaen er ikke avhengig av egenskapene til arbeidsstoffet og kalles den absolutte temperaturskalaen. Til absolutt temperatur hadde en viss betydning, ble det foreslått å ta forskjellen i termodynamiske temperaturer mellom kokepunktene til vann T kv og smeltepunktene til isen T tl lik 100 0. Aksepten av en slik forskjell forfulgte målet om å opprettholde kontinuitet numerisk verdi termodynamisk temperaturskala fra Celsius-temperaturskalaen. T.O., som angir mengden varme mottatt fra varmeren (kokende vann) og gitt til kjøleskapet (smeltende is), henholdsvis gjennom Q kv og Q tl, og tar T kv - T tl = 100, får vi:

Og (6)

For enhver temperatur T på varmeren, med en konstant verdi på T tl av kjøleskapet og mengden varme Q t gitt til det av arbeidsstoffet til Carnot-maskinen, vil vi ha:

(7)

Ligning (6) er ligningen celsius termodynamisk temperaturskala og viser at temperaturverdien T på denne skalaen er lineært relatert til mengden varme Q som mottas av arbeidsstoffet til en varmemotor når den utfører en Carnot-syklus, og som en konsekvens ikke avhenger av egenskapene til den termodynamiske stoff. En grad av termodynamisk temperatur er forskjellen mellom kroppstemperaturen og smeltetemperaturen til isen der arbeidet utført i den omvendte Carnot-syklusen er lik 1/100 av arbeidet utført i Carnot-syklusen mellom kokepunktet på vann og isens smeltetemperatur (forutsatt at mengden varme som avgis til kjøleskapet er den samme i begge sykluser).

Fra definisjonen av effektivitet det følger at ved maksimalverdien skal h=1 T x være lik null. Denne laveste temperaturen ble kalt absolutt null av Kelvin. Temperaturen på den termodynamiske skalaen er betegnet med "K".

Den termodynamiske temperaturskalaen, basert på to referansepunkter, har utilstrekkelig målenøyaktighet. Nesten vanskelig å gjengi temperaturer angitte punkter, fordi de avhenger av trykk, samt av saltinnholdet i vannet. Derfor uttrykte Kelvin og Mendeleev ideen om gjennomførbarheten av å konstruere en termodynamisk temperaturskala basert på ett referansepunkt.

Rådgivende komité for termometri Internasjonal komité Vekter og mål i 1954 vedtok en anbefaling om å gå over til definisjonen av en termodynamisk skala ved å bruke ett referansepunkt - tredobbeltpunktet til vann (likevektspunktet til vann i faste, flytende og gassformige faser), som lett kan reproduseres i spesielle kar med en feil på ikke mer enn 0,0001 K. Temperaturen på dette punktet antas å være 273,16 K, dvs. høyere enn smeltetemperaturen til is med 0,01 K. Dette tallet ble valgt slik at temperaturverdiene på den nye skalaen praktisk talt ikke skiller seg fra den gamle Celsius-skalaen med to referansepunkter. Det andre referansepunktet er absolutt null, som praktisk talt ikke er realisert, men har en strengt fast posisjon.

I 1967 XIII Generalforsamling om vekter og mål klargjorde definisjonen av enheten for termodynamisk temperatur i følgende ordlyd: " Kelvin– 1/273,16 del av den termodynamiske temperaturen til trippelpunktet til vann." Termodynamisk temperatur kan også uttrykkes i grader Celsius:

t = T– 273,15 K (8)

Den mest kjente for øyeblikket, temperaturskalaer er Fahrenheit, Celsius og Kelvin.

Fahrenheit temperaturskala mest populær i USA. Temperaturen måles i grader, for eksempel 48,2°F (førtiåtte komma to grader Fahrenheit), symbolet F indikerer at Fahrenheit-skalaen brukes.

Europeere er vant til Celsius temperaturskala, som også måler temperatur i grader, for eksempel 48,2°C (førtiåtte komma to grader Celsius), indikerer symbolet C at Celsius-skalaen brukes.

Forskere er mer vant til å operere med Kelvin temperaturskala. Fram til 1968 ble kelvin offisielt kalt Kelvin-graden, deretter ble det besluttet å navngi temperaturverdien målt på Kelvin-skalaen ganske enkelt i kelvin (uten grader), for eksempel 48,2 K (førtiåtte og to kelvin).

Daniel Gabriel Fahrenheit oppfant vekten sin på 1700-tallet mens han laget termometre i Amsterdam. Fahrenheit tok temperaturen på en frossen saltløsning, som på den tiden ble brukt til å oppnå lave temperaturer under laboratorieforhold, som nulltemperaturpunkt. Den tyske fysikeren satte verdien på 32°F for smeltepunktet for is og frysepunktet for vann (med henholdsvis økende og synkende temperaturer). I henhold til den resulterende skalaen er kokepunktet for vann 212 °F.

På det samme 1700-tallet, en svensk vitenskapsmann Anders Celsius oppfant sin egen temperaturskala, som er basert på frysepunktet (0°C) og kokepunktet (100°C) til rent vann ved normalt atmosfærisk trykk.

Kelvin-skalaen ble oppfunnet på 1800-tallet av en britisk vitenskapsmann William Thomson, som senere mottok ærestittelen Baron Kelvin. Thomson baserte temperaturskalaen sin på konseptet absolutt null. Senere ble Kelvin-skalaen den viktigste i fysikk, og nå bestemmes Fahrenheit- og Celsius-systemene gjennom den.

I kjernen karakteriserer temperaturen til ethvert objekt bevegelsesmålet til molekylene - jo raskere molekylene beveger seg, desto høyere er temperaturen til objektet, og omvendt. Jo lavere temperatur, jo langsommere beveger molekylene seg. Ved absolutt null (0 K) stopper molekylene (noe som ikke kan skje i naturen). Av denne grunn er det umulig å nå absolutt null eller enda lavere temperaturer.

Det må sies at graderingene til Kelvin- og Celsius-skalaene er de samme (én grad Celsius er lik én kelvin), og 0 K = -273,15°C.

Dermed er det veldig enkelt å koble sammen Kelvin- og Celsius-temperaturskalaene:

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

La oss prøve å koble Celsius- og Fahrenheit-skalaene.

Som du vet, fryser vann ved 32 °F og 0 °C: 32°F=0°C. Vann koker ved 212°F og 100°C: 212°F=100°C.

For 180 grader Fahrenheit er det således 100 grader Celsius (9/5-forhold): 212°F-32°F=100°C-0°C.

Det bør også bemerkes at nullpunktet på Celsius-skalaen tilsvarer 32-graderspunktet på Fahrenheit-skalaen.

Ved å ta hensyn til samsvarene ovenfor mellom de to skalaene, utleder vi formelen for å konvertere temperatur fra en skala til en annen:

C = (5/9) (F-32) F = (9/5) C+32

Hvis du bestemmer deg dette systemet ligninger, kan vi finne ut det -40°C = -40°F- dette er den eneste temperaturen der verdiene til begge skalaene faller sammen.

Fortsetter vi på lignende måte, kobler vi Kelvin- og Fahrenheit-skalaene:

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

Temperatur og temperaturskalaer

Temperatur - oppvarmingsgrad av stoffet. Dette konseptet basert på evnen til å overføre varme fra forskjellige legemer (stoff) til hverandre ved forskjellige grader av oppvarming og å være i en tilstand termisk likevekt ved like temperaturer. Dessuten overføres varme alltid fra kroppen med mer høy temperatur til en kropp med lav temperatur. Temperatur kan også defineres som en parameter for den termiske tilstanden til et stoff, bestemt av den gjennomsnittlige kinetiske energien for bevegelse av dets molekyler. Herfra er det åpenbart at konseptet "temperatur" er ubrukelig for ett molekyl, fordi ved en bestemt temperatur kan ikke energien til ett molekyl karakteriseres ved en gjennomsnittsverdi. Fra denne bestemmelsen Det følger at begrepet "temperatur" er statistisk.

Temperaturen måles av enheter som kalles termometre, grunnlaget som kan baseres på ulike fysiske prinsipper. Evnen til å måle temperatur med slike enheter er basert på fenomenet termisk utveksling mellom kropper og i varierende grad oppvarming og endringer i deres fysiske (termometriske) egenskaper under oppvarming (kjøling).

For å kvantitativt bestemme temperaturen, er det nødvendig å velge en eller annen temperaturskala. Temperaturskalaer er bygget på grunnlag av visse fysiske egenskaper til et stoff, som ikke bør avhenge av fremmede faktorer og bør måles nøyaktig og praktisk. Faktisk er det ikke en eneste termometrisk egenskap for termometriske legemer eller stoffer som helt vil tilfredsstille de spesifiserte betingelsene over hele området av målte temperaturer. Derfor er temperaturskalaer definert for forskjellige temperaturområder, basert på den vilkårlige antakelsen om en lineær sammenheng

mellom egenskapen til en termometrisk kropp og temperatur. Slike vekter kalles betinget og temperaturen målt av dem -betinget.

4 Den konvensjonelle temperaturskalaen inkluderer en av de vanligste skalaene - Celsius-skalaen. I henhold til denne skalaen tas isens smeltepunkt og kokepunktet for vann ved normalt atmosfærisk trykk som grensene for det betingede måleområdet, og en hundredel av denne skalaen kalles vanligvis en grad Celsius (\ MED),

| Å konstruere en slik temperaturskala uten bruk av væsketermometre kan imidlertid føre til en rekke vanskeligheter knyttet til egenskapene til de termometriske væskene som brukes. For eksempel vil avlesningene til kvikksølv- og alkoholtermometre som opererer etter prinsippet om væskeutvidelse være forskjellige når man måler samme temperatur på grunn av forskjellige koeffisienter for deres volumetriske ekspansjon.

| Derfor, for å forbedre den konvensjonelle temperaturskalaen, ble det foreslått å bruke et gasstermometer ved bruk av gasser hvis egenskaper ville avvike litt fra egenskapene til en ideell gass (hydrogen, helium, nitrogen, etc.).

Ved hjelp av et gasstermometer kan temperaturmåling baseres på endringer i volum eller trykk av gass i et lukket termisk system.

I praksis har en metode basert på å måle trykk ved konstant volum blitt mer utbredt, pga er mer nøyaktig og enkel å implementere.

Å lage en enkelt temperaturskala som ikke er relatert til termometriske egenskaper ulike stoffer for et bredt temperaturområde foreslo Kelvin en temperaturskala basert på termodynamikkens andre lov. Denne skalaen kalles termodynamisk temperaturskala.

Den er basert på følgende bestemmelser:

Hvis en kropp under en reversibel Carnot-syklus absorberer varme 0, ved temperatur T, og frigjør varme C? 3 ved temperatur T 2, må følgende likhet observeres:

AT,

n<Г (21)

I henhold til termodynamikkens prinsipper er dette forholdet ikke avhengig av egenskapene til arbeidsfluidet.

jeg Kelvin termodynamiske temperaturskala begynte å bli brukt som den første skalaen for andre temperaturskalaer som ikke er avhengige av de termometriske egenskapene til arbeidsstoffet. For å bestemme én grad på denne skalaen, deles intervallet mellom isens smeltepunkt og kokepunktet for vann, som i Celsiusskalaen, i hundre like deler. Dermed viser I П С å være lik ] °К

* I henhold til denne skalaen, vanligvis kalt absolutt Nullpunktet er tatt for å være en temperatur 273,15° under smeltepunktet for is, kalt absolutt null. Det er teoretisk bevist at ved denne temperaturen opphører all termisk bevegelse av molekylene til ethvert stoff, derfor er denne skalaen til en viss grad teoretisk av natur.

Følgende forhold gjelder mellom temperatur T, uttrykt i Kelvin, og temperatur *, uttrykt i grader Celsius:

1=T-T 0 , (2,2)

hvor T 0 = 273,15 K.

Av de eksisterende termometre implementerer gasstermometre mest nøyaktig den absolutte temperaturskalaen i området ikke høyere enn 1200 °C. Bruken av disse termometre ved høyere temperaturer står overfor store vanskeligheter, i tillegg er gasstermometre ganske komplekse og klumpete enheter, noe som er upraktisk for praktiske formål. Derfor, for praktisk og praktisk gjengivelse av den termodynamiske skalaen i et bredt spekter av temperaturendringer, International praktisk

temperaturskap (MPTS). For øyeblikket er MPTS-68-temperaturskalaen, vedtatt i 1968, i kraft, og konstruksjonen er basert på referansepunkter bestemt av fasetilstanden til stoffene. Disse referansepunktene brukes til å standardisere temperaturer i ulike områder, som er gitt i tabellen. 2.1.