Температура является параметром состояния (интенсивным) и характеризует тепловое состояние вещества (системы). Температура тел определяет направление тепловых потоков между телами и представляет

ТЕМПЕРАТУРА

1.Общие представления.

Температура является параметром состояния (интенсивным) и характеризует тепловое состояние вещества (системы). Температура тел определяет направление тепловых потоков между телами и представляет собой физическую величину, которая характеризует степень нагретости тела.

Согласно молекулярно кинетической теории газов абсолютная термодинамическая температура определяется как

(1)

где m – масса молекулы; w – среднеквадратичная скорость молекул;

k = 1,3805 10^-23 дж/K – константа Больцмана. Уравнение (1) получено Больцманом на основании модели идеального газа.

Для вещества соответствующего модели идеального газа температура пропорциональна W².

Соотношения между среднеквадратичной скоростью движения молекул газа и параметрами состояния можно получить из следующих уравнений: E_кин = N - число молекул, если m₁ = m₂ =... = m_n и среднюю квадратичную скорость молекул определить как , то из основного уравнения молекулярно-кинетической теории (рV = 2E_кин/3) получим: или .

Для вещества не соответствующего модели идеального газа температуру можно трактовать, как параметр состояния связанный с интенсивностью движения структурных элементов вещества.

Поскольку интенсивность движения различных структурных элементов может быть различна, то можно говорить об электронной, атомной и прочих температурах вещества.

2.Температурные шкалы.

Известны следующие температурные шкалы: Кельвина, Цельсия, Фаренгейта, Ранкина.

Шкала Цельсия – стоградусная шкала, 0^о С – температура тающего льда, 100^о С – температура кипения воды при давлении 760 мм Hg.

Шкала Фаренгейта применяется в Англии, США и некоторых других англосаксонских странах. За 0° по Фаренгейту принята температура таяния смеси льда с поваренной солью, а температуре кипения воды присвоено значение 212°F; температура таяния льда по этой шкале получается равной 32°F.

Шкала Фаренгейта, отсчитанная от абсолютного нуля, называется шкалой Ранкина (°Ra). По этой шкале значению температуры t = 100°C соответствует 491,67°Ra а значению температуры t = 100°С соответствует температура 671,67°Ra.

Шкала Реомюра построена также, как и шкала Цельсия, но температуре кипения воды присвоено значение 80^о F. В настоящее время практически не используется.

Шкала кельвина – абсолютная термодинамическая шкала.

Соотношения между различными температурными шкалами определяются следующими уравнениями:

T =273,15 + t°C = 5/9 T°Ra;

t°C = 5/9 (t°Fa - 32) = T - 273,15;

T°Ra = 459,67 + t°F = 1,8 T;

t°F = 1,8 t°C + 32 = T°Ra - 459,67.

3.Термодинамическая температурная шкала.

Температурная шкала, удовлетворяющая всем требованиям, не зависящая от значения температуры и каких либо свойств веществ, была разработана в 1852 г. Кельвином. Она называется абсолютной термодинамической температурной шкалой.

Абсолютная термодинамическая шкала основывается на 2-м законе термодинамики. Согласно представлениям о цикле Карно для двух произвольных состояний с температурами Т и Т₀ и заданном количестве тепла Q - подведенном в изотермическом процессе и Q₀ - отведенном в другом изотермическом процессе можно записать выражение:

.

Для определения термодинамической температурной шкалы по уравнению этому уравнению следовало бы определить соответствующие температурам Т и Т₀ значения Q и Q₀. Экспериментальным путем достаточно точно это сделать сложно. Поэтому термодинамическая шкала определяется на практике по измерениям температур с помощью газовых термометров с привлечением уравнения состояния реальных газов. Принципиальная схема газового термометра представлена на рис.

Газовый термометр постоянного объема:

1-термометрический газовый резервуар;

2-ртутный манометр;

3 -сборник ртути;

4-метка, до которой с помощью сборника 3 устанавливается мениск и затем поддерживается на этом уровне;

5 -соединительный капилляр;

Единицей измерения температуры в международной системе единиц (SI) является градус Кельвина (К). Один градус Кельвина равен 1/273,16 части значения температуры, соответствующей температуре воды в тройной точке. Этому состоянию присвоено произвольное, но точное значение 273,16. В SI допускается употребление шкалы Цельсия (°С) (T = 273,15 + t°C).Очевидно, что 1К = 1°С.

4. Международная температурная шкала.

(МТШ-90)

МТШ-90. Предшественниками этой шкалы являются практические температурные шкалы МТШ-27; МПТШ-48; МПТШ-68. Путем тщательных измерений с помощью газовых термометров было установлено, что значения предшествующей температурной шкалы (МПТШ-68) значительно отличаются от термодинамической шкалы. В новой шкале МТШ-90 уточнены значения температур в отдельных реперных точках и произведена их частичная замена. Кроме этого внесены изменения в методы и средства воспроизведения шкалы (типы термометров). Основные реперные точки МТШ-90 представлены в таблице.

.Основные реперные точки МТШ-90

№ п/п	Температура	Вещество^*	Тип Точки^**	WR(T90)
К	^0С
	От 3 до 5	От –270,15 до –268,15	He	V
	13,803 3	-259,346 7	¤H2	T	0,001 190 07
	≈ 17	≈ -256,15	¤H2 (или He)	V(илиG)
	≈ 20,3	≈ -252,85	¤H2 (или He)	V(илиG)
	24,556 1	-248,593 9	Ne	T	0,008 449 74
	54,358 4	-218,791 6	O2	T	0,091 718 04
	83,805 8	-189,344 2	Ar	T	0,215 859 75
	234,315 6	-38,834 4	Hg	T	0,844 142 11
	273,16	0,01	H2O	T	1,000 000 00
	302,914 6	29,764 6	Ca	F	1,118 138 89
	429,748 5	156,598 5	In	C	1,609 801 85
	505,078	231,928	Sn	C	1,892 797 68
	692,677	419,527	Zn	C	2,568 917 30
	933,473	660,323	Al	C	3,376 008 60
	1,234.93	961,78	Ag	C	4,286 420 53
	1337,33	1064,18	Au	C
	1357,77	1084,63	Cu	C

^* - Естественный изотопный состав за исключением ³He.

¤ - He₂ в равновесном составе молекулярных модификаций орто и пара.

^{** -} Способы реализации: V- давление насыщенного пара, Т- тройная точка, G – газовый термометр, С – точка затвердевания и F – точка плавления (температура равновесия жидкой и твердой фаз при давлении 101325 Па).

МТШ-90 охватывает диапазон от 0,65 К до наивысшей температуры, измерение которой возможно в соответствие с законом излучения Планка. Международная температурная шкала разбита на ряд перекрывающихся поддиапазонов, внутри которых для ее воспроизведения используются следующие эталонные средства:

(0,65 ¸ 3,2) К – конденсационный манометрический термометр, использующий зависимость давления насыщенных паров 3He от температуры;

(1,25 ¸ 5,0) К – конденсационный манометрический термометр, использующий зависимость давления насыщенных паров 3He и 4He от температуры;

(3 ¸ 24,5561) К – гелиевый манометрический термометр постоянного объема;

(13,8033 – 961,78) К – платиновый термометр сопротивления (два типа);

(961,78 и выше) К – пирометр излучения.

В областях перекрытия поддиапазонов возможно использование любого эталонного термометра, пригодного для работы в данном интервале температур. Градуировочные характеристики эталонных средств измерения температуры определяются с помощью определенного набора реперных точек.

Диапазон от0,65К до 5К –температура определяется с помощью конденсационного манометрического термометра по зависимости давления насыщенных паров ³He и ⁴He от температуры, P_He=P_S(T).

Диапазон от 3К до тройной точки неона (Т_{тр-я т Ne}=24,5561К) – температура определяется с помощью гелиевого термометра постоянного объема, отградуированного по трем реперным точкам.

Диапазон от тройной точки водорода (Т_{тр-я т H2}=13,8033 до температуры затвердевания серебра (Т_затвAg= 961,78) – температура определяется с помощью платиновых термометров сопротивления (двух типов), отградуированных в определенных наборах реперных точек.

Выше точки затвердевания серебра температура находится в соответствии с законом излучения Планка и с помощью реперной точки.

Дата добавления: 2015-08-29