Измерение температуры

При высокотемпературных исследованиях чрезвычайно важно правильно измерять температуру.

Температура (от латинского temperatura – надлежащее смешение, нормальное состояние) – физическая величина, примерно характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия. В системе СИ (международная система единиц) температура измеряется в кельвинах. Но на практике часто применяют градусы Цельсия из-за привязки к важным характеристикам воды – температуре таяния льда (0⁰ С) и температуре кипения (100⁰ С). Это удобно, так как большинство климатических процессов и процессов в живой природе связаны с этим диапазоном.

Термодинамическая температурас молекулярно-кинетической точки зрения – физическая величина, характеризующая интенсивность хаотического, теплового движения всей совокупности частиц системы и пропорциональная средней кинетической энергии поступательного движения одной частицы.

Связь между кинетической энергией, массой и скоростью выражается следующей формулой: Е_к=¹/₂mv². Таким образом, частицы одинаковой массы и имеющие одинаковую скорость имеют и одинаковую температуру.

Средняя кинетическая энергия частицы связана с термодинамической температурой постоянной Больцмана: Е_ср=ⁱ/₂kT, где i – число степеней свободы, k = 1,3806505*10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана, Т – термодинамическая температура, К.

С точки зрения термодинамики, температура – величина, обратная изменению энтропии (степени беспорядка) системы при добавлении в систему единичного количества теплоты: 1/Т=ΔS/ΔQ. В равновесном состоянии температура имеет одинаковое значение для всех макроскопических частей системы. Если в системе два тела имеют одинаковую температуру, то между ними не происходит передачи кинетической энергии частиц (тепла). Если же существует разница температур, то тепло переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, потому что суммарная энтропия при этом не возрастает.

Для измерения температуры выбирается некоторый термодинамический параметр термометрического вещества (вещество, физические параметры которого зависят от его температуры). Изменения этого параметра однозначно связывается с изменением температуры.

На практике для измерения температуры используют

l термометр

l термопару

l оптический пирометр

l термосопротивление (термометр сопротивления)

l газовый термометр

Единицы и шкала измерения температуры.

Из того, что температура – это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять ее в энергетических единицах (т. е. в системе СИ в джоулях), однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах – градусах.

Шкала Кельвина.

В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один кельвин равен 1/273,16 расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояние, при котором лед, вода и водяной пар находятся в равновесии). Для пересчета кельвинов в энергетические единицы служит постоянная Больцмана.

Шкала Цельсия.

В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0⁰ принимают точку замерзания воды, а за 100⁰ точку кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за -273,15⁰С. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете, и на ней основана жизнь. Ноль Цельсия – особая точка для метеорологии, поскольку связана с замерзанием атмосферной воды. Шкала предложена Андерсом Цельсием в 1742 г.

Шкала Фаренгейта.

В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. Ноль градусов Цельсия – это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия. В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1⁰ F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32⁰ F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия(t⁰ C) соотношением t⁰ C= 5/9(t⁰ F-32), 1⁰ F=9/5t⁰C+32. Шкала предложена Г. Фаренгейтом в 1724 г.

Шкала Реомюра.

Предложена в 1730 г. Р.А. Реомюром, который описал изобретенный им спиртовой термометр. Единица – градус Реомюра ( ⁰ R), 1⁰R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками – температурой таяния льда (0⁰ R) и кипения воды (80⁰ R). 1⁰ R= 1,25 ⁰ С. В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

Электронвольт.

В ядерной физике, особенно при изучении термоядерных реакций, иногда используется энергетическая единица измерения – электронвольт (эВ), 1 эВ ≈ 11604,505(20) К ~ 10⁴ К. Применяются и производные единицы: КэВ, МэВ, ГэВ и т.д.