Классификация средств измерения температуры

Температура вещества характеризует степень нагретости тела.

Температуру можно измерить косвенно по термометрическому свой-

ству, изменяющемуся с изменением температуры монотонно и одно-

значно. При изменении температуры твердого тела изменяются его

линейные размеры, плотность, твердость, модуль упругости, электро-

проводность, теплопроводность, теплоемкость и ряд других свойств.

Свойства газов, жидких тел (фазовые состояния, плотность, объем,

вязкость и др.) также являются функцией температуры вещества.

Температура вещества — это непрерывная физическая величина,

для ее измерения необходима шкала, на основе которой можно уста-

новить единицу измерения температуры — «градус». Для построения

температурной шкалы выбирают опорные (реперные) точки 9, харак-

теризующиеся неизменностью и воспроизводимостью температуры

вещества при определенных физических условиях. Такими опорными

точками обычно выбираются температуры кипения или затвердева-

ния чистых веществ; им присваиваются определенные числовые

значения Ɵ₁ и Ɵ2. Тогда единица измерения температуры — градус —

определится как

где n — целое число, на которое разбивается температурный интервал

между опорными точками.

Такие температурные шкалы, построенные на основе термо-

метрических свойств веществ, появились в первой половине XVIII в.

Первым такую шкалу предложил Фаренгейт в 1723 г. В качестве

термометрического вещества он использовал спирт, а в качестве

нижней реперной точки взял температуру смеси снега с хлоридом

аммония и присвоил ей численное значение 0. Температуру своего

тела Фаренгейт принял за 100 градусов, а за верхнюю реперную точ-

ку — температуру кипения воды, присвоив ей численное значение

212. Температура таяния льда в этом случае оказалась равной 32. Весь

температурный диапазон между таянием льда и кипением воды Фа-

ренгейт разделил на 180 равных частей и получил масштаб шкалы в °F.

В настоящее время эта шкала используется в США, Англии, Канаде,

Индии. В 1736 г. свою шкалу предложил Реомюр. В качестве термо-

метрического вещества он использовал спирт, затем ртуть. За нижнюю

реперную точку Реомюр принял температуру плавления льда и при-

своил ей численное значение 0, а за верхнюю реперную точку —

температуру кипения воды, присвоив ей численное значение 80. Весь

температурный диапазон он разделил на 80 равных частей и получил

масштаб шкалы в °R. Сейчас эта шкала практически не используется,

хотя термометры с этой шкалой сохранились во Франции и в Квебе-

ке (Канада). С 1742 г. начала применяться привычная нам темпера-

турная шкала, предложенная Цельсием, в которой в качестве двух

реперных точек приняты температура таяния льда (0 °С) и темпера-

тура кипения воды (100 °С) при давлении 760 мм рт. ст. и ускорении

силы тяжести 9,80665 м/с2. Удобство этой шкалы, а также ее практи-

чески полное совпадение с Международной практической темпера-

турной шкалой МТШ-90 (в ней нижней реперной точкой является

тройная точка воды — точка равновесия воды в твердой, жидкой и

газообразной фазах, которая лежит выше точки таяния льда на 0,01 °С)

обусловило широкое использование шкалы Цельсия в СИ темпера-

туры.

Перевод °С в Т и в °R можно сделать по формуле

Цельсий, как и другие исследователи, полагал, что зависимость

между изменением температуры и объемным расширением жидкости

линейная. Однако в природе не существует жидкостей с линейной

зависимостью между объемным расширением и температурой. Поэ-

тому показания термометров совпадают только в реперных точках.

Рассмотренные температурные шкалы относятся к шкале ин-

тервалов (см. гл. 1), в которых начало отсчета выбирают ученые

по своему усмотрению. Кроме того, для установления шкалы тре-

буется две реперные точки. В гл. 1 была рассмотрена шкала от-

ношений, которая может быть установлена на основе одной ре-

перной точки. Ее построение возможно для физических величин,

которые имеют естественное (абсолютное) начало отсчета, т.е.

«0». В 1848 г. английский ученый Томсон (его псевдоним лорд

Кельвин) предложил температурную шкалу, в которой температу-

ра отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствую-

щее минимальной теоретически возможной внутренней энергии

тела). Шкала получила название абсолютной термодинамической

шкалы, основной единицей которой является кельвин. Градус

Кельвина определяется как 1/273,16 части температуры тройной

точки воды (температурой равновесия между жидкой, твердой

водой и ее паром). Для воспроизведения кельвина интервал меж-

ду абсолютным нулем и температурой тройной точки воды делит-

ся на 273,16 части.

В абсолютной термодинамической шкале температура Кельвина

Т{К) через температуру в градусах Цельсия, Фаренгейта и Реомюра

выразится как

По размеру кельвин равен градусу Цельсия.

В настоящее время используются следующие СИ температуры: тер-

мометры расширения, манометрические термометры, пирометры,

термопары (термоэлектрические преобразователи) и термометры со-

противления. Первые три вида термометров можно отнести к приборам,

а последние два — к преобразователям. Действие термометров расши-

рения основано на тепловом расширении жидкостей и твердых тел при

изменении температуры. В качестве примера можно привести ртутный

стеклянный термометр. Пирометры являются бесконтактными при-

борами и определяют температуру тел по их тепловому излучению.