Температура - Смородинский Я.А.
Скачать (прямая ссылка):
холодильника), позволяет определить отношение температур этих двух тел.
Шкала температур, определенная таким образом, называется абсолютной
шкалой температур. Чтобы сама абсолютная температура (а не только
отношение) имела определенное значение, надо выбрать какое-то число
50
для одной точки новой абсолютной шкалы: одно численное значение
температуры должно быть задано произвольно. После этого все остальные
значения определяются в принципе с помощью цикла Карно.
К сожалению, при всей красоте теоретического построения шкалы Кельвина,
практически реализовать цикл Карно очень трудно. Трудно реализовать
обратимый цикл, трудно избавиться от потерь. Измерять температуру надо
научиться как-то иначе.
РЕАЛЬНАЯ ШКАЛА ТЕМПЕРАТУР
После Кельвина вопрос о температуре с теоретической точки зрения стал
вполне ясным. Однако оставалась практическая проблема: на каком все же
принципе следует построить шкалу эталонного термометра, который был бы
пригоден для реальных измерений?
В течение многих лет для температурной шкалы выбирались две точки -
температура плавления льда и температура кипения воды - и расстояние
между ними делилось на 100 частей, каждая из которых считалась градусом.
Такая шкала с двумя опорными точками была принята во всем мире.
Но эта шкала имела, однако, большой недостаток с точки зрения точности
измерений. Для нее надо было уметь точно воспроизводить как условия
плавления льда, так и условия кипения воды.
Проще было обойтись только одной опорной точкой, например точкой
плавления льда, и измерять температуру по отношению давлений, связанных с
отношением температур уравнением состояния (или же организуя цикл Карно,
но эта возможность почти всегда остается чисто теоретической).
Точка плавления льда, конечно, не очень удобна для эталона: она зависит
от давления и вообще не очень хорошо воспроизводится. Поэтому за
единственную опорную эталонную точку выбирается сейчас так называемая
тройная точка воды - температура, при которой сосуществуют в равновесии
все три ее фазы: пар - вода - лед. При каждой температуре надо льдом
существует определенное давление паров воды. Если постепенно повышать
температуру, то в тот момент, когда лед начнет плавиться, все три фазы
будут находиться в равновесии. Этому состоянию отвечает темпе-
51
ратура 0,01 °С. Точку 0,01 СС, сравнительно легко воспроизводимую в
лаборатории, и принимают за эталонную точку термодинамической шкалы,
полагая ее температуру равной точно 273,16 К. Обычный нуль Цельсия лежит
при температуре 273,15 К.
Такое число выбрано для того, чтобы значения температур по новой шкале
практически не отличались от старой шкалы Цельсия с двумя опорными
точками.
Переход к новой шкале с тройной точкой воды как единственной опорной
точкой прошел почти незамеченным. Такая реформа была проведена в 1954 г.,
и сейчас на вопрос о том, при какой температуре тает лед при нормальном
давлении, надо отвечать: "приблизительно при 273,15 К" или
"приблизительно при 0 °С". На вопрос же о том, какова температура тройной
точки воды, надо отвечать: "точно 273,16 К" или "точно 0,01 °С" *).
Интересно, что идею о шкале с одной опорной точкой выдвинул еще в 1873 г.
Д. И. Менделеев, который предлагал определить величину одного градуса как
такое повышение температуры, при котором давление газа (у Менделеева -
водорода) увеличивается ка 1 кГ/см2. При этом за исходную температуру
выбиралась температура плавления льда при давлении 100 Г/см2. Такой
новый, или, как его в то время называли, метрический, градус сказывался
равным 0,2728 °С.
Идея Менделеева была реализована (в несколько другом виде) лишь через 70
лет. Таким образом, имя Менделеева связано также и с современной шкалой
термометра.
МЕЖДУНАРОДНАЯ ШКАЛА ТЕМПЕРАТУР
Шкалу с одной опорной точкой нетрудно согласовать со шкалой Кельвина -
Менделеева, основанной на теореме Карно. Термодинамическая шкала (так
называют шкалу Кельвина - Менделеева), как мы уже говорили, не
изменяется, если все значения температур умножить на одно и то же число.
Выбор опорной точки устраняет эту неоднозначность. Если, например,
считать, что Бода кипит при температуре
*) Сейчас обсуждается вопрос о замене тройной точки воды тройной точкой
галлия' (29,7710 ' С), которая легче и точнее воспроизводится,
52
Тк = 373,15 градуса, то никакого произвола не остается: значения
температур уже нельзя ни на что умножить, так как значение Тк должно
оставаться неизменным. Как обычно бывает, строгие с теоретической точки
зрения методы оказываются непрактичными для повседневного использования в
простых, не метрологических лабораториях. Термодинамической шкалой можно
пользоваться только в специальных, хорошо оборудованных лабораториях. В
обычных лабораториях пользуются шкалой, которая называется МПТШ68
(международная практическая температурная шкала, принятая в 1968 г.). В
этой шкале температура кипения воды равна точно 100°, кроме того, есть
другие опорные точки (довольно сложно воспроизводимые), которым также
