Средства и методы термометрии

Понятие температуры возникло из ощущений человека, в какой мере нагреты, или, наоборот, охлаждены окружающие тела. И только в результате требований науки и техники о количественном определении температуры было сформулировано более четкое понятие температуры. По определению Максвелла, температура тела есть его термическое состояние, рассматриваемое с точки зрения его способности сообщать тепло другим телам. С другой стороны температуру можно определить как степень нагретости тела или объекта. Первые приборы для измерения температуры, появившиеся в XVI в., позволили выделить температуру как особую физическую величину, значение которой определялось по температурной зависимости какого-либо свойства тела, т. е. по шкале этого свойства. Так возникла область измерений температуры, которую впоследствии назвали термометрией.

Термометрия – раздел технической физики, в котором изучаются методы и средства измерения температуры, теоретические основы способов построения термодинамической и практической температурных шкал и созданные на этой основе эталоны и образцовые средства измерений температуры.

Значения термодинамической температуры находятся в пределах от 0 К до таких высоких значений, которые получаются в реальных системах элементарных частиц, находящихся в тепловом равновесии. При этом абсолютный нуль температуры недостижим, так как любая частица в соответствии с квантовой теорией будет иметь одно низшее квантовой состояние и поэтому отсутствует возможность перехода в другое более низкое состояние, т.е. невозможна передача энергии другой частице или системе частиц. Однако система частиц не может иметь и бесконечное значение термодинамической температуры, так как в соответствии с теорией относительности скорость частиц не может превышать скорости распространения электромагнитного излучения. Таким образом, исходя из конечного значения скорости света, верхний предел температуры может быть оценен значением порядка 10 К.

Температура — один из параметров состояния вещества: газа, жидкости или твердого тела. Температура определяет тепловое состояние тела и направление теплопередачи. Если привести в контакт два тела при различных температурах, то более нагретое тело (с более высокой температурой) будет охлаждаться, а менее нагретой – нагреваться. Процесс теплопередачи и изменения температур тел будет продолжаться до тех пор, пока их температуры не станут равными, т.е. не наступит температурное равновесие. Подобный процесс наблюдается в том случае, если оба тела в тепловом отношении изолированы от окружающей среды и не наблюдаются приток извне тепла или же потерь тепла.

Процесс измерения характеризуется с одной стороны восприятием и отображением физической величины, а с другой стороны - нормированием, т.е. присвоением ей определенного значения (размера). Размер х величины Х представляет собой отношение измеряемой величины к величине N, принимаемой за эталон (единицу измерения) (1):

X = x N (1)

Для проведения указанных операций измерения должны быть удовлетворены две основные предпосылки:

1) подлежащая измерению физическая величина должна быть

однозначно определена;

2) единицы измерения должны быть установлены соглашением.

Обе предпосылки не являются само собой разумеющимися. В то время как величины "длина", "вес", "время" воспринимаются всеми как вполне определенные из опыта, величина "коэффициент полезного действия" уже нуждается в конкретном определении. Такие величины как "степень комфортности" из области климатотехники или "коэффициент умственного развития" (I. Q.) до сих пор не имеют общепризнанного определения и поэтому не могут быть воспроизводимо измерены. Аналогично, понятие "температуры" возникло из весьма неопределенных понятий теплоты и холода, которые располагались в сознании человека где-то рядом с запахом и вкусом. Никто не пытался связать с этими понятиями какие-либо количественные соотношения: до сих пор не ставится вопрос, во сколько раз жареный окунь вкуснее манной каши. По-видимому, впервые необходимость применения количественной меры к тепловым ощущениям осознали древние медики. Они давно заметили, что здоровье человека как-то связано с теплотой его тела и что лекарства могут влиять на здоровье, принося с собой, в частности, теплоту или холод. Так, знаменитый врач Гален (II век н.э.) использовал классификацию лекарственных препаратов по "градусам" (латинское gradus - ступень): градус тепла, градус холода, градус влажности, градус сухости. Градусов было четыре, и каждый градус еще разбивали на три части. Препараты смешивались, и эти смеси имели разные градусы (при этом холод и тепло не считали противоположными качествами – тепло побеждалось влажностью, а холод - сухостью).

Для каждой болезни составлялось свое лекарство (надлежащая смесь препаратов), которое называлось "температура" (от лат. temperatura - надлежащее смешение, правильное соотношение). Таким образом, в медицине впервые была сделана попытка установить 12-градусную шкалу теплового действия лекарств ("температур"). Однако задача теоретического определения градуса смеси по градусам компонент так и осталась нерешенной.

Отсутствовали также средства измерений теплового воздействия - приборы либо для качественного обнаружения изменений степени нагрева ("термоскопы"), либо для количественного измерения характеристик теплового состояния ("термометры").

Температура определяет внутреннюю энергию тела: потенциальная и кинетическая энергии молекул газа, жидкости и твердого тела зависят то температуры. Энергия отдельно взятой молекулы не совпадает со средней энергией тела, поэтому понятие температуры является статическим и применимо к телам, состоящим из очень большого числа молекул. Согласно кинетической теории средняя энергия Е поступательного движения молекул газа связанна с его температурой Т соотношением (2):

Е= Т, (2)

где – постоянная Больцмана, равная 1,38*10 Дж/К.

Распределение энергии поступательного движение между молекулами газа зависит от их скорости.

Для жидкостей и твердых тел функциональная связь температуры с внутренней энергией выражаются сложными аналитическими зависимостями. Температура определяет не только характеристики тепловых процессов, от нее зависят многие физические свойства: теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость, температурные коэффициенты линейного и объемного расширения, кристаллические структуры веществ, электрические, магнитные, оптические и атомные свойства.

Температура — физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

Термодинамическими называют физические величины, характеризующие макроскопические состояния тел. Особенностью термодинамики является возможность вывода целого ряда таких соотношений между термодинамическими величинами, которые имеют место независимо от того, к каким конкретным телам эти величины относятся. При этом обычно пренебрегают флуктуациями, считая, что термодинамические величины меняются лишь при изменении макроскопического состояния тел.

Понятие температуры как термодинамической величины вводится при рассмотрении нескольких тел, находящихся в тепловом равновесии друг с другом и составляющих замкнутую систему. При этом доказывается, что показателем теплового равновесия является равенство для всех тел системы производных энтропии тела S = ln ΔГ (ΔГ - статистический вес) по его энергии Е. Отсюда, учитывая традиционную качественную трактовку температуры как показателя теплового равновесия, вводят термодинамическую абсолютную температуру Т как величину, обратную упомянутой производной (3):

(3)

Так как энтропия S - безразмерная величина, то из данного определения следует, что температура имеет размерность энергии и может измеряться, например, в джоулях. Для обеспечения соответствия с существовавшими шкалами термометров (и эмпирическими уравнениями состояния), где единицей измерения "эмпирической температуры" является условный "градус" Цельсия (или "кельвин" [K], равный "градусу"), ввели постоянный переводной коэффициент (постоянную Больцмана), равный числу джоулей в "градусе" k = 1,38⋅10-23 Дж/К (4):

(4)

В последней формуле термодинамическая абсолютная температура Т измеряется в эмпирических единицах - кельвинах ("градусах"). Введение понятия термодинамической температуры позволяет (по крайней мере принципиально) построить теоретическую термодинамическую шкалу температур, для произвольного рабочее тела, не используя какой либо явной формы уравнения состояния. Впервые возможность построения термодинамической шкалы температур продемонстрировал Кельвин, в связи с чем вместо термина "термодинамическая шкала" часто используют наименование "шкала Кельвина", а единица измерения температуры по этой шкале получила наименование "кельвин". Кельвин рассмотрел идеальную тепловую машину, работающую по циклу Карно, включающему два адиабатических процесса и два изотермических процесса - с получением количества тепла от "нагревателя", имеющего термодинамическую температуру , и с передачей количества тепла Qх "холодильнику" с термодинамической температурой . Он показал, что для любых рабочих тел отношение этих количеств тепла одинаково и равно отношению соответствующих термодинамических температур(5):

(5)

Впоследствии было показано, как для произвольного рабочего тела можно установить зависимость T=T(τ) между термодинамической абсолютной температурой T и чисто условной шкалой "температур" τ, определяемой произвольно градуированным "термометром". При выводе неявно предполагается наличие взаимно однозначного соответствия между T и τ т.е. то, что T(τ) - монотонная непрерывная функция. Получаемое соотношение (6)

(6)

В правой стороне равенства (5) стоят величины, которые могут быть непосредственно измерены как функции условной температуры τ (7):

(7)

определяется количеством тепла, которое должно быть сообщено телу, для того, чтобы при расширении поддерживать его "температуру" (показание "термометра") постоянной, а производная определяется изменением объема тела при нагревании (8)

(8)

Таким образом, приведенная формула решает поставленную задачу, принципиально позволяя определить искомую зависимость (9)

T=T(τ) (9)

В практическом смысле, однако, приведенные выше соотношения оказываются не очень полезными. Решаемая задача не становится ни легче, ни понятнее - вместо трактовки "температуры" теперь требуется не менее сложная трактовка "тепла" и нахождение способов измерения этого "тепла". Поэтому термодинамическая шкала осуществляется не непосредственно, а с использованием других термодинамических соотношений, выражаемых через однозначно измеряемые величины, и справедливых уже лишь для определенных типов рабочих тел с хорошо известными уравнениями состояния.