Общие сведения. Температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела

Температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Практически все технологические процессы и различные свойства вещества зависят от температуры.

Измерять температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. Эти свойства называются термометрическими. К ним относятся длина, объем, плотность, термоЭДС, электрическое сопротивление и т.д. Вещества, характеризующиеся термометрическими свойствами, называются термометрическими.

Средства измерений температуры называют термометрами. Для создания термометра необходимо иметь температурные шкалы.

Температурной шкалой называют конкретную функциональную числовую связь температуры со значениями измеряемого термометрического свойства. Первые температурные шкалы (см. таблицу 1.1) основывались на допущении линейной связи между температурой и термометрическим свойством, в качестве которого использовалось расширение объема жидкости.

Для построения температурной шкалы выбирались две опорные (реперные) точки t₁ и t₂, представляющие собой температуры фазового равновесия чистых веществ. (t₂ – t₁) – называется температурным интервалом. В шкалах Фаренгейта (1715 г.), Цельсия (1742 г.) и Реомюра (1776 г.) точка плавления льда t₁ равна соответственно +32 ^оF, 0 ^oC, 0 ^oR, а точка кипения воды t² – 212 ^oF, 100 ^oC, 80 ^oR. (t₂ – t₁) в этих шкалах делится соответственно на N = 180, 100, 80 равных частей. И 1/N часть каждого из интервалов называется градусом Фаренгейта – ^оF, градусом Цельсия – ^о С и градусом Реомюра – ^оR. Таким образом, градус для этих шкал не является единицей измерения, а представляет собой единичный промежуток – масштаб шкалы. Поэтому такие шкалы называются условными.

Т а б л и ц а 1.1 - Условные температурные шкалы

Показания таких термометров, имеющих разные термометрические вещества (например, ртуть, спирт и другие), использующих одно и то же термометрическое свойство и равномерную градусную шкалу, совпадают лишь в реперных точках (температура таяния льда и температура кипения воды), а в других точках показания расходятся. Это объясняется тем, что связь между t^o и термометрическим свойством нелинейная.

Проблема создания температурной шкалы, не зависящей от термометрических свойств веществ, была решена в 1848 г. Кельвином, а предложенная им шкала была названа термодинамической.

Термодинамическая шкала температур основана на использовании второго закона термодинамики: коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по обратимому циклу Карно, определяется только температурами нагревателя и холодильника и не зависит от свойств рабочего вещества. Полученная шкала температур не зависит от свойств рабочего (термометрического) вещества и называется абсолютной шкалой. Чтобы абсолютная температура имела определенное значение, было предложено принять разность термодинамических температур между точками кипения воды и таяния льда, равной 100 Принятие такого значения разности преследовало цель сохранения преемственности числового выражения термодинамической температурной шкалы от стоградусной температурной шкалы Цельсия. Таким образом, один градус Кельвина (1К) соответствует одному градусу Цельсия (1 ), так как обе шкалы базируются на одинаковых реперных точках. Для воспроизведения такой температурной шкалы был построен газовый термометр. Работа его основана на законах идеальных газов, т.к. газовый термометр заполняется термометрическим веществом – газом, близким к идеальному. Экспериментально было найдено, что для всех газов при давлениях, стремящихся к нулю, в интервале температур 0 100 температурный коэффициент объемного расширения равен 1/273, 15. Таким образом, нулевое значение абсолютной температуры соответствует (-273, 15 ). Температура таяния льда по этой шкале составит 273, 15 К. Менделеев Д.И. (1874 г.) и одновременно, независимо от него, Кельвин предложили построить термодинамическую шкалу температур по 1 реперной точке - тройной точке воды ТТВ (точка фазового равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах), которая легко воспроизводится с погрешностью не более 0, 0001 К. Температура этой точки принята равной ТТВ = 273, 16 К, т.е. выше температуры таяния льда на 0, 01 К. Второй реперной точкой является абсолютный нуль, который экспериментально не реализуется, но имеет строго фиксированное положение.

В 1967 году XIII Генеральная конференция по мерам и весам уточнила определение единицы термодинамической температуры в следующей редакции: «Кельвин – это 1/273, 16 часть термодинамической температуры тройной точки воды»: 1К = 1/273, 16 ТТВ. Термодинамическая температура может быть также выражена в градусах Цельсия: t =T -273, 15 K.

В настоящее время действует принятая на XIII Генеральной конференции по мерам и весам «Международная практическая температурная шкала 1968» МПТШ-68, которая базируется на 11 основных и 27 вторичных реперных точках, охватывающих диапазон температур от 13, 956 до 3660 К (от -259, 194 до 3387 ). В таблице 1.2 приведены основные реперные (постоянные) точки МПТШ-68.

Т а б л и ц а 1.2 – Основные реперные точки МПТШ-68

№п/п	Состояние фазового равновесия	Значение температуры
К
	Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами равновесного водорода (тройная точка равновесного водорода)	13, 81	-259, 34
	Равновесие между жидкой и парообразной фазами равновесного водорода при давлении 33, 330 кПа (250 мм рт.ст.)	17, 042	-256, 108
	Равновесие между жидкой и парообразной фазами равновесного водорода (точка кипения равновесного водорода)	20, 28	-252, 87
	Равновесие между жидкой и парообразной фазами неона (точка кипения неона)	27, 102	-246, 048
	Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами кислорода (тройная точка кислорода)	54, 361	-218, 789
	Равновесие между жидкой и парообразной фазами кислорода (точка кипения кислорода)	90, 188	-182, 962
	Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами воды (тройная точка воды)	273, 16	0, 01
	Равновесие между жидкой и парообразной фазами воды (точка кипения воды)	373, 15
	Равновесие между твердой и жидкой фазами цинка (точка затвердевания цинка)	692, 73	419, 58
	Равновесие между твердой и жидкой фазами серебра (точка затвердевания серебра)	1235, 08	961, 93
	Равновесие между твердой и жидкой фазами золота (точка затвердевания золота)	1337, 58	1064, 43

В различных областях науки и техники применяется множество принципов и средств измерения температуры. В нефтеперерабатывающей и теплоэнергетической промышленностях широкое применение нашли средства измерения температуры, классификация которых в зависимости от используемого термометрического свойства приведена в таблице 1.3.

Т а б л и ц а 1.3 - Технические средства измерения температуры

Термометрическое свойство	Название средства измерения	Диапазон измерения, оС
Изменение давления рабочего вещества при постоянном объеме	Манометрический термометр: - газовый - жидкостный - конденсационный	-150 600 -150 600 -50 350
Термоэлектрический эффект (термоЭДС)	Термоэлектрический преобразователь	-200 2200
Изменение электрического сопротивления	Термопреобразователь сопротивления: - металлический - полупроводниковый	-260 1100 -240 300
Тепловое излучение	Пирометры излучения	1400 6000