Шкалы температур

Материал данной статьи дает представление о таком важном понятии как температура. Дадим определение, рассмотрим принцип изменения температуры и схему построения температурных шкал.

Что такое температура

Понятие температуры также применяют в качестве физической величины, определяющей степень нагретости тела, однако лишь такой трактовки для понимания смысла термина недостаточно. Все физические понятия находятся в связи с определенными фундаментальными законами и наделяются смыслом только в соответствии с этими законами. В данном случае термин температура связан с понятием теплового равновесия и с законом макроскопической необратимости.

Изменение температуры

Явление термодинамического равновесия тел, составляющих систему, говорит о наличии одинаковой температуры этих тел. Произвести замер температуры можно лишь косвенно, взяв за основу зависимость от температуры таких физических свойств тел, которые можно измерить непосредственно.

Допустим, два теплоизолированных тела приведены в тепловой контакт. Одно тело передаст другому поток энергии: запустится процесс теплопередачи. При этом тело, отдающее тепло, обладает соответственно большей температурой, чем тело, «принимающее» поток тепла. Очевидно, что через некоторое время процесс теплопередачи остановится и наступит тепловое равновесие: предполагается, что температуры тел выравниваются относительно друга, их значения будут находиться где-то в интервале между исходными значениями температур. Таким образом, температура служит некоторой меткой теплового равновесия. Получается, что любая величина $t$, удовлетворяющая требованиям:

1. $t_1>t_2$, когда происходит теплопередача от первого тела ко второму;
2. $t_1\text{'}=t_2\text{'}=t, t_1>t>t_2$, при установлении теплового равновесия может приниматься за температуру.

Также отметим, что тепловое равновесие тел подчинено закону транзитивности.

Важной чертой указанного определения температуры является его неоднозначность. Выбрав по-разному величины, отвечающие установленным требованиям (что отразится на способах измерения температуры), возможно получить несовпадающие шкалы температур.

Разберем пример.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что понятие температуры, базирующееся на законах теплового равновесия, неоднозначно. Подобная температура является эмпирической, зависит от способа измерения. За «нуль» шкалы эмпирической температуры принимается произвольная точка. Согласно определению эмпирической температуры, физический смысл несет лишь разность температур или ее изменение. Любая эмпирическая температурная шкала приводится в вид термодинамической температурной шкалы при использовании поправок, которые учтут характер связи термометрического свойства с термодинамической температурой.

Температурные шкалы

Для того, чтобы построить температурную шкалу для измерения, двум числовым значениям температуры присваивают две фиксированные реперные точки. После этого разность числовых значений, присвоенных реперным точкам, делится на выбранное произвольным образом необходимое количество частей, получая в результате единицу измерения температуры.

За исходные значения, используемые в качестве начала отсчета и единицы измерения, принимают температуры перехода химически чистых веществ из одного агрегатного состояния в другое, к примеру, температуру плавления льда $t_0$ и кипения воды $t_k$ при нормальном атмосферном давлении $(Па\approx {10}^5 Па)$. Величины $t_0$ и $t_k$ имеют разные значения в различных видах шкал измерения температуры:

• Согласно шкале Цельсия (стоградусная шкала): температура кипения воды $t_k=100 °C$, температура плавления льда $t_0 =0 °С$. В шкале Цельсия температура тройной точки воды равна $0,01 °С$ при давлении $0,06 атм$.

• Согласно шкале Фаренгейта: температура кипения воды $t_k=212 °F$; температура плавления льда $t_0 =32 °С$.

Разница температур, выраженных в градусах по шкале Цельсия и шкале Фаренгейта, нивелируется согласно следующему выражению:

$\frac{t °C}{100}=\frac{t °F-32}{180}$ или $t °F=1,8 °C+32$.

Ноль на этой шкале определен как температура замерзания смеси воды, нашатыря и соли, взятых в пропорции $1:1:1$.

• Согласно шкале Кельвина: температура кипения воды $t_k=373 К$; температура плавления льда $t_0=273 К$. Здесь температура отсчитывается от абсолютного нуля $(t=273,15 °С)$ и ее называют термодинамической или абсолютной температурой. $Т=0 К$ – такому значению температуры соответствует абсолютное отсутствие тепловых колебаний.

Значения температур по шкале Цельсия и по шкале Кельвина связаны между собой согласно следующему выражению:

$T \left(K\right)=t °C+273,15 °C$.

• Согласно шкале Реомюра: температура кипения воды $t_k=80 °R$; температура плавления льда $t_0=0 °R$. В термометре Реомюра использовался спирт; на данный момент шкала почти не используется.

Температуры, выраженные в градусах Цельсия и градусах по Реомюру, связаны так:

$1 °C=0,8 °R$.

• Согласно шкале Ранкина: температура кипения воды $t_k=671, 67 °Ra$; температура плавления льда $t_0 =491,67 °Ra$. Начало шкалы соответствует абсолютному нулю. Количество градусов между реперными точками замерзания и кипения воды в шкале Ранкина идентично шкале Фаренгейта и равно $180$.

Температуры по Кельвину и Ранкину связаны выражением:

$°Ra=°F+459,67$.

Градусы по Фаренгейту возможно перевести в градусы по Ранкину согласно формуле:

$°Ra=°F+459,67$.

Наиболее применима в быту и технических устройствах шкала Цельсия (единица шкалы – градус Цельсия, обозначаемый как $°C$).

В физике же используют термодинамическую температуру, которая не просто удобна, но и несет глубокую физическую смысловую нагрузку, поскольку определена как средняя кинетическая энергия молекулы. Единица термодинамической температуры - градус Кельвина (до $1968$ г.) или сейчас просто Кельвин $\left(К\right)$, являющийся одной из основных единиц в $СИ$. Температура $T=0 К$ называется абсолютным нулем температуры, как уже упоминалось выше.

Вообще современная термометрия опирается на шкалу идеального газа: за термометрическую величину принимают давление. Шкала газового термометра абсолютна $(T=0, p=0)$. При решении практических задач чаще всего приходится применять именно эту шкалу температур.