Лекция по теме «Температурные шкалы»

С понятиями «температура», «измерение температуры», «термометр» мы постоянно сталкиваемся как при рассмотрении физических или химических процессов в науке и производстве. Температура является одним из важнейших параметров, характеризующих многие процессы пищевой технологии. Такие процессы, как нагрев, выпечка, варка, обжарка, сушка, выпарка и др., предназначенные для получения готовых или промежуточных продуктов высокого качества, требуют точного измерения температуры. Диапазон изменения температур, используемых в пищевой промышленности, очень широки охватывает интервал от минус 90-100 до плюс 1200 °С и выше.

Для корректного изложения вопросов измерения темпе­ратуры необходимо дать ее точное физическое определе­ние.

Температура — физическая величина, количественно ха­рактеризующая меру средней кинетической энергии теп­лового движения молекул какого-либо тела или вещества. Из определения температуры следует, что она не может быть измерена непосредственно, и судить о ней можно по изменению других физических свойств тел (объема, давления, электрического сопротивления, термоЭДС, интенсив­ности излучения и т.д). При этом необходимо располагать уравнением, связывающим температуру с этой физической величиной. Все это означает необходимость введения температурной шкалы, которая представляет собой непрерывную совокупность чисел, линейно связанных с численными значениями какого-либо физического свойства тела, представляющего собой однозначную и монотонную функцию температуры.

Температурная шкала—это ряд отметок внутри температурного интервала, ограниченного двумя легко воспроизводимыми постоянными (основными или опорными) точками. Следовательно,

где   и  — две постоянные, легко воспроизводимые температуры; n— целое число, на которое разбивается температурный интервал .

Подобный подход предусматривает произвольный выбор шкалы температур. Вместе с тем, очевидна необходимость установления единства понятия «градус» и обеспечения его определения с максимальной точностью.

Первое достоверно известное устройство для измерения температуры было создано Г. Галилеем около 1595 г.  Этот прибор (термоскоп) использовал явление изменения объема газа при нагревании и охлаждении. Однако этот прибор (и последующие аналоги) имел большой недостаток: его шкала была относительной и показания не могли быть выражены в численной форме.

Крупным шагом в развитии термометрии было введение изобретателем ртутного термометра Г.Фаренгейтом (G. Fah­renheit) в начале 18 века первой температурной шкалы, названной его именем, опирающейся на две опорные точки. В качестве нижней опорной точки (0⁰F) он использовал температуру замерзания солевого раствора, самую низкую воспроизводимую в то время, а в качестве верхней точки – температуру человека (96⁰F – в старину было удобнее считать дюжинами). Сам изобретатель определял вторую эталонную точку как температуру под мышкой здорового англичанина.

Привычная нам десятичная температурная шкала была предложена А. Цельсием (A. Celsius) в 1742 году. В качестве опорных точек для нее используются температура плавления льда (0°С) и температура кипения воды (100°С).

Перечисленные интервальные температурные шкалы реализовывались с помощью жидкостных термометров. Их недостаток – нелинейное отклонение шкалы от термодинамической, обусловленное свойствами рабочих веществ.

Первая температурная шкала была предложена и осуществлена Д. Г. Фаренгейтом (1724 г.). Температурные шкалы устанавливались произвольным выбором нулевой и других постоянных точек и произвольным принятием интервала температуры в качестве единицы.

Фаренгейт не был ученым. Он занимался изготовлением стеклянных прибо­ров. Ему стало известно, что высота столба ртутного барометра зависит от температуры. Это навело его на мысль создать стеклянный ртутный термометр с градусной шкалой. В основу своей шкалы он положил три точки: 1 — «точка сильнейшего холода (абсолютный нуль)», получаемая при смешениях в определенных пропорциях воды, льда и нашатыря, и принятая им за нулевую отметку (по на­шей современной шкале, равная примерно -17,8°С); 2— точка плавления льда, обозначенная им +32°, и 3 — нормальная температура человеческого тела, обо­значенная +96° (по нашей шкале +35,6°С). Температура кипения воды перво­начально не нормировалась и лишь позднее была установлена +212° (при нор­мальном атмосферном давлении).

Через несколько лет, в 1731 г. Р. А. Реомюр предложил использовать для стеклянных термометров спирт такой концентрации, который при температуре плавления льда заполнял бы объем в 1000 объемных единиц, а при температуре кипения расширялся бы до 1080 единиц. Соответственно температуру плавления льда Реомюр предложил первоначально обозначить 1000°, а кипения воды 1080* (позднее 0° и 80°).

В 1742 г. А. Цельсий, используя ртуть в стеклянных термометрах, обозначил точку плавления льда за 100°, а точку кипения воды за 0°. Такое обозначение ока­залось неудобным и спустя 3 года Штремер (или возможно К. Линней) предло­жил изменить обозначения, принятые вначале Цельсием, на обратные.

Был предложен и ряд других шкал. М. В. Ломоносов предложил жидкостный. термометр со шкалой 150° в интервале от точки плавления льда до точки кипения, воды. И, Г. Ламберт (1779 г.) предлагал воздушный термометр со шкалой 375°, принимая за 1° одну тысячную часть расширения объема воздуха. Известны так­же попытки создать термометры на основе расширения твердых тел (П. Мушен-брук, 1725 г.).

Все предлагаемые температурные шкалы строились (за редким исключением) одинаковым путем: двум (по меньшей мере) посто­янным .точкам присваивались определенные числовые значения и предполагалось, что видимое термометрическое свойство используемого в термометре вещества линейно связано с темпера­турой t:

где k— коэффициент пропорциональности;

Е — термометрическое свойство;

D— постоянная.

Принимая для двух постоянных точек определенные значения температур, можно вычислить постоянные k и D и на этой основе построить температурную шкалу. К сожалению, как выяснилось позднее, коэффициент kнельзя было считать постоянным. При изменении температуры коэффициент k меняется, причем различно для разных термометрических веществ. Поэтому термометры, по­строенные на базе различных термометрических веществ с равно­мерной градусной шкалой, давали при температурах, отличающихся от температур постоянных точек, различные показания. Последние становились особенно заметными при высоких (много больших температуры кипения воды) и очень низких температурах.

Удовлетворяющая всем требованиям, хорошо воспроизводимая температурная шкала, не зависящая от значения температуры и каких-либо свойств веществ была предложена  в начале 19 века английским ученым У. Томсоном (лордом Кельвином (Kelvin). Это —  универсальная абсолютная термо­динамическая температурная шкала, ставшая стандартной в современной термометрии. Одновременно Кельвин обосновал понятие абсолютного нуля температуры. Термодинамическая шкала температур основан на использовании второго закона термодинамики. В этом случае температура определяется на основании следующего выражения:где  и  — температура в начале и в конце теплового цикла; и  — количество теплоты соответственно в начале и конце цикла. Как известно, работа в цикле Карно пропорциональна разности температур и не зависит от термометрического вещества. Один градус по термодинамической шкале соответствует такому повышению температуры, которое отвечает 1/100 части работы по циклу Карно между точками плав­ления льда и кипения воды при нормальном атмосферном давле­нии. Термодинамическая шкала тождественна шкале идеального газа, построенной на зависимости давления идеального газа от температуры. Законы изменения давления от температуры для реальных газов отклоняются от идеальных, но поправки на откло­нения реальных газов невелики и могут быть установлены с высокой степенью точности. Поэтому, наблюдая за расширением реальных газов и вводя поправки, можно оценить температуру по термодина­мической шкале.

Однако,  реализация термодинамической шкалы на практике требует проведения большого числа экспериментов и  реализовать непосредственно термодинамическую шкалу температур невозможно из-за тепловых потерь в окружающую среду. Для практического использования термодинамической шкалы должна быть построена практическая температурная шкала, совпадающая с термодинамической и воспроизводящая ее во всем диапазоне измерения температур.

По мере расширения научных наблюдений и развития промышленного произ­водства возникла естественная необходимость установить какую-то единую темпе­ратурную шкалу. Первая попытка в этом направлении была предпринята в 1877 г., когда Международный комитет мер и весов принял в качестве основной темпера­турной шкалы стоградусную водородную шкалу. За нулевую отметку была при­нята точка таяния льда, а за 100°- точка кипения воды при нормальном атмо­сферном давлении 760 мм. рт. ст. Температура определялась по давлению водо­рода в постоянном объеме. Нулевая отметка соответствовала давлению 1000 мм. рт. ст. Градусы температуры по этой шкале очень близко совпадали с градусами термодинамической шкалы, однако практическое применение водородного термо­метра ограничивалось из-за небольшого интервала температур примерно от -25 до +100°

В начале XX в. широко применялись шкалы Цельсия (или Фа­ренгейта — в англо-американских странах) и Реомюра, а в научных работах — также шкалы Кельвина и водородная. При резко возрос­ших потребностях в точной оценке температуры пересчеты с одной шкалы на другую создавали большие трудности и приводили к ряду недоразумений. Поэтому после нескольких лет подготовки и пред­варительных временных решений VIII Генеральная конференция мер и весов приняла в 1933 г. решение о введении Международной температурной шкалы (МТШ).

Эта температурная шкала основана на использовании в качестве опорных (реперных) точек температуры изменения агрегатного состояния определенных веществ, которые могут быть воспроизведены, и которым присвоены точные значения температур, а также  эталонных приборов, градуированных при этих температурах. В интервалах между температурами реперных точек температура определяется по соответствующим формулам. Международная  температурная шкала является  практическим осуществлением   термодинамической  стоградусной температурной шкалы, у которой температура плавления льда и температура ки­пения воды при нормальном атмосферном давлении соответственно-обозначены через 0° и 100°.

Это решение было в законодатель­ном порядке утверждено большинством развитых стран мира.

Опыт применения Международной температурной шкалы пока­зал на необходимость внесения в нее ряда уточнений и дополнений, чтобы по возможности максимально приблизить ее к термодинами­ческой шкале.    В 1968.г. Международный комитет мер и весов при­нял новую Международную практическую шкалу 1968 г. — МПТШ-68. МПТШ-68 выбрана таким образом, чтобы температура, изме­ренная по этой шкале, была близка к термодинамической температуре, и разности между ними оставались в пределах современной точности измерений.

Единицей температуры термодинамической температурной шкалы согласно является кельвин (К), единицей температуры по практическим температурным шкалам являются также кельвин (К) и градус Цельсия (°С), связанные следующим соотношением:где t–температура, °С; T –  термодинамическая температура, К;  

Кельвин есть 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Единица, применяемая для выражения температуры Цельсия, градус Цель­сия (°С), равна кельвину. Температура тройной точки принимается равной 273,16°К.

Международная практическая температурная шкала    (МПТШ), так же как   и МТШ,  базируется на  шести постоянных  первичных точках.

В настоящее время в качестве стандарта принята уточненная в 1990 году версия  МПТШ-69 шкала  ITS-90 (МТШ-90),  построенная в диапазоне от 0,65 К до 1357 К и использующая  в качестве основных реперных точек  давление насыщенных паров гелия (в нижних пределах), тройную точку водорода, воды, точки затвердевания олова, цинка, алюминия, серебра, золота, меди.