Тепловое равновесие. Температура

Измерение температуры

3. Сложность измерения температуры заключается в том, что её нельзя сравнить с эталоном, как, например, массу или длину. Поэтому для измерения температуры используют зависимость от неё физических свойств тел: объёма, давления, электрического сопротивления и т. п. Исторически впервые для измерения температуры была использована зависимость объёма жидкости от температуры.

Первый прибор для измерения температуры — термоскоп был сконструирован в 1597 г. Галилеем. Термоскоп Галилея состоял из стеклянного шарика, наполненного воздухом, и стеклянной трубки, частично заполненной водой. Конец трубки был опущен в сосуд с водой. Когда воздух в шарике расширялся при его нагревании или сжимался при охлаждении, уровень воды в трубке изменялся. Поскольку этот прибор не имел шкалы, то он позволял только сравнивать температуру разных тел и судить о её изменении. Кроме того, при использовании термоскопа Галилея не учитывали, что высота столба жидкости в трубке зависит не только от температуры, но и от атмосферного давления.

Термоскоп Галилея пытались усовершенствовать, однако эти приборы не имели общепринятой шкалы и каждый показывал свою температуру.

Для того чтобы изготовить термометр, необходимо помимо термометрического тела — тела, объём которого изменяется при изменении температуры, построить шкалу и отметить на ней реперные (опорные, основные) точки. Расстояние между этими точками делят на равные отрезки и ставят соответствующие значения.

Современная шкала Цельсия была предложена в 1742 г. При градуировке этой шкалы используют две реперные точки: температуру таяния льда, которой приписывают 0 °С, и температуру кипения воды, принятую за 100 °С. Интервал между ними делится на 100 равных частей, и одна сотая этого интервала принимается за 1 °С. В качестве термометрического тела в зависимости от назначения термометра используются спирт, ртуть и т. п.

Построенная таким образом шкала является достаточно удобной для практических целей, хотя она имеет ряд недостатков. Во-первых, реперные точки выбраны произвольно, так же как произвольным является и деление интервала между ними на 100 частей. Во-вторых, при построении шкалы полагают, что объём термометрического тела при изменении температуры изменяется равномерно на всём температурном интервале, однако это не так. В разных температурных интервалах тепловое расширение термометрического тела различно. Подобные недостатки характерны и для шкал Фаренгейта и Реомюра, которые так же, как и шкала Цельсия, являются эмпирическими.

Поэтому возникает необходимость построения температурной шкалы, лишённой этих недостатков.

Термодинамическая температурная шкала

4. Термодинамическая (абсолютная) шкала температур строится следующим образом. Выбирается одна реперная точка — тройная точка воды, т. е. температура, при которой вода, лёд и пар существуют одновременно. Осуществить такое состояние возможно при строго определённом давлении. Температура тройной точки воды составляет 0,01 °С, а давление, при котором она существует, равно 609 Па.

За нуль термодинамической шкалы температур принята температура -273,15 °С. Эту температуру называют абсолютным нулём температур. Интервал между абсолютным нулём и тройной точкой воды делится на 273,16 частей, и 1/273,16 часть этого интервала представляет собой один кельвин (1 К), т. е. единицу температуры по термодинамической шкале. Обозначается температура по термодинамической шкале буквой Т.

1 °С = 1 К.

Для сравнения на рисунке 70 изображены шкала Цельсия и термодинамическая шкала. Из рисунка видно, что абсолютному нулю соответствует температура -273,15 °С, температуре таяния льда — 273,15 К, а температуре кипения воды — 373,15 К.

шкала Цельсия и термодинамическая шкала

Соотношение между значениями температуры по шкале Цельсия и по термодинамической шкале выражается формулами:

Т = t + 273,15;

t = Т — 273,15.

Часто величиной 0,15 пренебрегают, так как она мала по сравнению с 273, и при решении задач за абсолютный нуль принимают температуру-273 °С.

<<< К началу Окончание >>>