Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
1.1. Температурные шкалы
Тепло и холод являются важнейшими экологическими факторами, которые играют огромную роль в повседневной жизни и хозяйственной деятельности человека. Отрицательные температуры вредят здоровью. Степень вредности зависит от количественных показателей холода и продолжительности его действия на организм человека.
Температура окружающей среды интересовало человечество с незапамятных времен. Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества – теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине, единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры, называются одинаково – градусами. Из того, что температура – это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (то есть в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах – градусах [205].
Первые попытки инструментального измерения величины температуры воздуха появились только в XVI веке нашей эры. Как свидетельствуют исторические источники одним из первых, кто высказал мысль о механической природе тепла, был Галилео Галилей. Он же, примерно в 1597 г., построил термометр. Основой термометра Галилея являлся стеклянный шар с воздухом, из которого выходила трубка со столбиком воды. При нагревании воздуха внутри шара, столбик воды перемещался по трубке, свидетельствуя об изменении температуры. Но термометр Галилея был открытым и реагировал не только на изменение температуры, но и на изменение атмосферного давления. К тому же, этот термометр не имел шкалы, и его показания нельзя было отобразить числом. Пожалуй, единственное, что мог делать термометр Галилея, так это сравнивать на уровне «больше-меньше» температуры разных тел в одном и том же месте, в одно и то же время.
Несколько позже того, как ученик Галилея Торричелли обнаружил существование атмосферного давления и измерил его величину с помощью столбика ртути, термометры стали делать изолированными от атмосферы. А Флорентийские мастера, которые изготовляли очень красивые термометры, добавили впоследствии к ним шкалу с делениями.
В 1701 г. появилась работа Ньютона, в которой он описал 12-градусную шкалу и четко высказал мысль о необходимости нанесения на шкалу термометра постоянных точек [284].
Шкала Фаренгейта (°F) Первый современный термометр был изготовлен зимой 1709 года немецким учёным Габриэлем Даниэлем Фаренгейтом. В 1709 году он изобрёл спиртовой термометр, а в 1714 г. – ртутный. Он придал им ту же форму, что применяется и в нынешних термометрах. Фаренгейт разработал также новый метод очищения ртути. Кроме того, перед запаиванием он кипятил жидкость в трубке. Одна точка его спиртового термометра соответствовала самой низкой температуре зимы в Англии 1709 г. По шкале Фаренгейта температурный интервал между точками таяния льда и кипения воды делится на 180 частей. Точке таяния льда соответствует значение 32 °F, а точке кипения воды 212 °F.
Температурная шкала Фаренгейта во втором варианте, принятом в 1714 г. имеет три фиксированные точки: 0 ° соответствовал температуре смеси воды, льда и нашатыря, 96 °F – температуре тела здорового человека (под мышкой или во рту), 212 °F – точка кипения воды. В качестве контрольной температуры для сверки различных термометров было принято значение 32 °F для точки таяния льда. Шкала Фаренгейта популярна в США и Великобритании и в других англоязычных странах, но ею почти не пользуются в научной литературе [286].
Шкала Реомюра (°R). Рене Антуан де Реомюр в 1731 году изобрёл водно-спиртовой термометр. Поскольку Реомюр нашел, что применяемый им спирт, смешанный в пропорции 5:1 с водой, расширяется в отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды, то предложил шкалу от 0 до 80 °. 1 градус Реомюра равен 1/80 части температурного интервала между точками таяния льда (0°R) и кипения воды (80 °R), то есть 1 °R = 1,25 °С; 1 °С = 0,8 °R. Эта шкала долгое время была распространена в Европе, но в настоящее время вышла из употребления [89, 239].
Шкала Ранкина (°Ra). Шкала Ранкина была предложена шотландским инженером и физиком Уильямом Ранкином. Нуль её совпадает с нулём термодинамической температурной шкалы, а по размеру 1 °Ra равен 5/9 К. То есть принцип тот же, что и в шкале Кельвина только по размерности шкала Ранкина совпадает не со шкалой Цельсия, а со шкалой Фаренгейта. По шкале Фаренгейта точка замерзания воды соответствует 491,67 °Ra, точка кипения воды 671,67 °Ra.
Данная система измерения температуры распространения не получила [285].
Шкала Цельсия (°С). Сейчас самой распространенной в мире является шкала Цельсия. В 1742 г. шведский астроном Андерс Цельсий предложил 100-градусную шкалу термометра, в которой за 0 градусов принимается температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении, а за 100 градусов – температура таяния льда. Деление шкалы составляет 1/100 этой разницы. Когда стали использовать термометры, оказалось удобнее поменять местами 0 и 100 градусов. Возможно, в этом участвовал Карл Линней (он преподавал медицину и естествознание в том же Упсальском университете, где Цельсий – астрономию), который еще в 1838 году предложил за 0 температуры принять температуру плавления льда, но, похоже, не додумался до второй реперной точки.
К настоящему времени шкала Цельсия несколько изменилась: за 0 °С по-прежнему принята температура таяния льда при нормальном давлении, которая от давления не очень зависит. Зато температура кипения воды при атмосферном давлении теперь равна 99,975 °С, что не отражается на точности измерения практически всех термометров, кроме специальных прецизионных [286].
Шкала Цельсия очень удобна для практического применения, поэтому широко распространена в мире.
Шкала Кельвина (Термодинамическая шкала (К). Шкала Кельвина предложена в 1848 году английским ученым Уильямом Томсоном (он же лорд Кельвин) как более точный способ измерения температуры. По этой шкале нулевая точка, или абсолютный нуль, представляет собой самую низкую температуру, какая только возможна, то есть некое теоретическое состояние вещества, при котором его молекулы полностью перестают двигаться. Это значение было получено путём теоретического изучения свойств газа, находящегося под нулевым давлением. По стоградусной шкале абсолютный нуль, или нуль Кельвина, соответствует –273,15 °С, следовательно, на практике 0 °С может быть приравнен к 273 °К.
В соответствии с третьей резолюцией ХXIII Генеральной конференции по мерам и весам (1968 г.) единица измерения термодинамической шкалы была переименована в «кельвин», а обозначением стал «К» (ранее единица называлась «градус Кельвина», её обозначением был « °K»). Кроме того величина единицы была определена более явно – как равная 1/273,16 градусам Кельвина.
XXIV Генеральная конференция по мерам и весам, состоявшаяся 17–21 октября 2011 года, приняла резолюцию, в которой, в частности, предложено в будущей ревизии Международной системы единиц переопределить кельвин, связав его величину со значением постоянной Больцмана. В связи с этим в резолюции XXIV ГКМВ по поводу кельвина сформулировано: Кельвин останется единицей термодинамической температуры; но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения постоянной Больцмана равным в точности 1,380 6X∙10–23, когда она выражена единицей СИ м–2∙кг∙с–2∙К–1, что эквивалентно Дж∙К–1.
Таким образом, будет выполняться точное равенство k = 1,380 6X∙10–23 Дж/К. Следствием этого явится то, что кельвин станет равным изменению температуры, которое приводит к изменению энергии, приходящейся на одну степень свободы kT, то есть к 1,380 6X∙10–23 Дж.
В своей резолюции XXIV Генеральная конференция по мерам и весам отметила также, что непосредственно после предполагаемого переопределения кельвина температура тройной точки воды останется равной 273,16 К, но при этом её значение приобретёт погрешность и в дальнейшем будет определяться экспериментально [284].
Международная практическая температурная шкала – (МПТШ-68). МПТШ-68 установлена в 1968 г. Международным комитетом мер и весов на основе 11 первичных воспроизводимых температурных точек (тройная точка воды, точки кипения неона, затвердевания Ag, Au), каждой из которых присвоено определенное значение температуры, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. В настоящее время основной реперной точкой, как термодинамической шкалы, так и международной практической шкалы температур является тройная точка воды. Эта точка соответствует строго определенным значениям температуры и давления, при которых вода может одновременно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. В системе СИ температура тройной точки воды принята равной 273,16 К при давлении 609 Па.
Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1К. Температура, определенная по МТШ-68, в пределах погрешностей измерений совпадает с температурой термодинамической температурной шкале, принятой в физике за основную [181].