Общий курс физики термодинамика и молекулярная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
ЭМПИРИЧЕСКИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ
21
чественным определением температуры, в выборе этих правил имеется широкий произвол. Необходимо только, чтобы соответствие между температурами и числами было взаимно однозначным.
Температурная шкала может быть установлена с помощью любого термоскопа. Проградуированный по определенному правилу термоскоп превращается в термометр, т. е. прибор, предназначенный для измерения температур. Важными требованиями, предъявляемыми к термометру, являются его чувствительность, точность измерений и их воспроизводимость. Другим полезным свойством термометра является быстрота перехода его в состояние теплового равновесия с телом, температура которого подлежит измерению.
Основной частью большинства термометров является термометрическое тело, приводимое в тепловой контакт с телом, температуру которого надо измерить. Физическая величина, служащая индикатором температуры, называется термометрической величиной. Так, в жидкостных термометрах термометрическим телом служит жидкость (например, ртуть) в резервуаре термометра, а термометрической величиной — ее объем. В термометрах сопротивления термометрическими телами являются металлические проволоки или полупроводники, термометрическими величинами — их электрические сопротивления. В термопарных термометрах термометрическим телом является термопара, термометрической величиной — электродвижущая сила, возникающая при наличии разности температур между спаями термопары.
2. Возьмем произвольный термометр и обозначим буквой а термометрическую величину (объем жидкости, электрическое сопротивление, электродвижущую силу и т. п.). При нагревании величина а должна меняться монотонно. Иначе между а и температурой Т не будет взаимно однозначного соответствия. Так, объем определенной массы воды не годится в качестве термометрической величины, так как при нагревании он проходит через минимум (около 4 °С). По самому смыслу величины а между ней и температурой Т имеется функциональная связь:
T = f(a).
Однако вид функции f (а) определить нельзя, пока не выбрана та или иная температурная шкала. Более того, само введение температурной шкалы принципиально сводится к выбору определенной функции f (а). Надо условиться в качестве f (а) взять какую-либо произвольную монотонную функцию величины а. Таким образом, с помощью одного и того же термометра можно построить бесконечное множество температурных шкал, отличающихся друг от друга выбором функции f (а). Нет никаких принципиальных соображений, за исключением требований простоты, которые заставили бы предпочесть какую-либо одну из этих шкал перед другими. Про-
22
ТЕМПЕРАТУРА
[ГЛ. I
стейший способ состоит в том, чтобы в качестве f (сі) взять линейную однородную функцию, т. е. положить
Т = Аа. (3.1)
Постоянную А можно выбрать произвольно. Выбором этой постоянной однозначно определится и единица температуры — градус. Однако в действительности поступают иначе. А именно, постоянную А вычисляют, приписывая какой-либо температурной точке определенную температуру или двум температурным точкам — определенную разность температур. Такие температурные точки называются реперными. До 1954 г. температурная шкала строилась по двум реперным точкам — нормальной точке кипения воды Тк и нормальной точке плавления льда ТПЛ. (Под последней понимают равновесную температуру чистого льда и насыщенной воздухом воды.) Принималось, по определению, что разность температур этих точек ТК — ТПЛ равна 100°. После этого постоянная А вычислялась по очевидной формуле
А __ Тк Гпл ____ 100 „
а _а а ____а ’
WK WIIJI иК иПЛ
где ак и апл — значения термометрической величины а в соответствующих реперных точках.
Экспериментальные исследования показали, однако, что тройная точка воды (Ттр) обладает лучшей воспроизводимостью, чем нормальные точки плавления льда и кипения воды. Поэтому было принято международное соглашение строить температурную шкалу по одной реперной точке — тройной точке воды. В так называемой абсолютной термодинамической шкале температур или шкале Кельвина принимается по определению, что температура этой точки равна точно 273,16 градусов. Постоянная А при таком построении температурной шкалы должна вычисляться по формуле
Гто 273,16
Л = —^ =----------. (3.3)
^тр ^тр
Такой выбор численного значения температуры тройной точки воды сделан для того, чтобы промежуток между нормальными точками плавления льда и кипения воды с максимально возможной точностью составлял 100 градусов, если пользоваться газовым термометром с идеальным газом. Тем самым устанавливается преемственность шкалы Кельвина с ранее применявшейся шкалой с двумя реперными точками. Измерения показали, что температуры нормальных точек плавления льда и кипения воды в описанной шкале равны приближенно 273,15 и 373,15 градусов соответственно.
3. Описанный способ построения температурной шкалы, равно как її значения температуры Т, зависят от того, какая величина а принята в качестве индикатора температуры. Температура Т,
ИДЕАЛЬНО-ГАЗОВАЯ ШКАЛА ТЕМПЕРАТУР
23
отсчитываемая по какому-либо термометру, называется эмпирической температурой, а соответствующая шкала температур — эмпирической температурной шкалой. Таким образом, в зависимости от выбора термометрической величины а, можно осуществить бесконечное множество эмпирических температурных шкал. Они будут совпадать между собой, вообще говоря, только в основных реперных точках, принятых при построении температурной шкалы (т. е. в тройной точке воды, когда шкала строится по одной реперной точке, или в нормальных точках плавления льда и кипения воды, если шкала строится по двум реперным точкам). Во всех остальных точках, как правило, шкалы совпадать не будут. Это означает, что различные термометры, например ртутный и спиртовый или термометры сопротивления с железной и медной проволокой, при измерении температуры одного и того же тела будут давать, как правило, разные показания. Для устранения возникшей неоднозначности можно было бы условно принять какой-либо определенный термометр за основной и по нему градуировать все остальные термометры. Но какой термометр следует принять за основной?
