Теплотехнические измерения и инновационные измерительные технологии, страница 2

5.2.  Измерение температуры

5.2.1.  Общие сведения о температуре и температурных шкалах

Температура – это параметр, характеризующий степень нагретости тела, то есть уровень его теплового состояния.

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул газа связана с температурной зависимостью:

                                                            ,                     (5.1)

где      Дж/K – постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура газа, K.

Измерить температуру непосредственно нельзя, так как в природе нет единицы (эталона) ее величины. Поэтому температуру тела измеряют посредством измерения физических свойств термометрического вещества, которое соприкасаясь с нагреваемым телом приходит в состояние теплового равновесия. Такой способ измерения дает не абсолютное значение температуры нагретой среды, а только разность по отношению исходной температуры термометрического вещества, условно принятой за нуль.

В качестве термометрического выбирают такое вещество, физическое свойство которого однозначно зависит от температуры, не подвержено влиянию других факторов и сравнительно легко поддается измерению. Наиболее полно этим условиям удовлетворяют такие свойства термометрических веществ, как объемное расширение, изменение давления в замкнутом объеме, изменение электрического сопротивления, возникновение электродвижущей силы и изменение интенсивности излучения.

Первый прибор для изменения температуры известен как водяной термометр Галилея (1597 г.). Позднее были разработаны термометры Фаренгейта (1724 г.), Реомюра (1731 г.), Цельсия (1742 г.) и др. Для отсчета температуры по этим термометрам предлагались температурные шкалы, которые стремились одинаковым путем: двум (по меньшей мере) постоянным (реперным) точкам присваивать числовые значения, между которыми свойство термометрического вещества изменяется по линейной зависимости:

                                                          ,                    (5.2)

где     – значение температуры в данной из реперных точек;

k – коэффициент пропорциональности;

          с – значение свойства термометрического вещества.

Однако, как выяснилось, коэффициент k нельзя считать постоянным; причем он изменяется по-разному для различных термометрических веществ особенно в зонах высоких и низких температур.

В 1848 г. Кельвин (У. Томсон) предложил построить температурную шкалу на термодинамической основе, приняв за нулевое значение температуру абсолютного нуля и обозначив температуру плавления льда + 273,1 °. Шкала называлась термодинамической. В основу построения ее Кельвин взял идеальный цикл Карно, в котором полезная работа в цикле зависит только от температур начала и конца процесса. Термодинамическая шкала оказалась независящей от свойств термометрических веществ, но для практического применения она была неудобна, так как нужно было измерять количество теплоты, используя соотношение

                                                             ,

где     Q₁ и Q₂ – количество теплоты горячего и холодного источника  обратимого цикла Карно;

          T₁ и T₂ – соответствующие процессам цикла Карно изотермы.

В этой шкале интервал между точкой таяния льда и точкой кипения воды для сохранения преемственности  со шкалой Цельсия был разбит на 100 равных частей и присвоено название стоградусной термодинамической температурной шкалы.

В настоящее время применяется Международная практическая температурная шкала (МПТШ) редакции 1968 г. Согласно МПТШ-68 основной температурой является термодинамическая температура Т, единица которой кельвин (K). Кельвин – это 1/273,16 часть термодинамической температуры равновесия между твердой, жидкой и газообразной фазами воды (тройная точка воды). Температура Цельсия t определяется из выражения

                                                           ,

где     T = 273,15 K, т. к. температура тройной точка воды выше температуры плавления льда на 0,01 °С.