ПРОБЛЕМА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭТАЛОНА ЕДИНИЦЫ ТЕМПЕРАТУРЫ Текст научной статьи по специальности «Физика»

Секция

«КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»

УДК 501

ПРОБЛЕМА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭТАЛОНА ЕДИНИЦЫ ТЕМПЕРАТУРЫ

Д. Н. Ахметов, Е. А. Жирнова

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: 3akhmetov3@mail.ru

Рассмотрено понятие «температура» и проблемы ее измерения.

Ключевые слова: температура, эталон единицы температуры. THE PROBLEM OF PERFECTION OF THE STANDARD OF TEMPERATURE UNITS

D. N. Akhmetov, E. А. Zhirnova

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: 3akhmetov3@mail.ru

The concept of "temperature" and the problem of its measurement are considered.

Keywords: temperature, temperature unit standard.

Температура - физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или вещества.

Можно сказать, что температура непосредственно не может быть измерена и узнать ее значение можно по изменения других физических свойств тел (давление, объем термоЭДС, электрического сопротивления и т. д.) Выбор метода измерения температуры зависит от диапазона измеряемых температур, требуемой точности, быстродействия и допустимой величины входного теплового сопротивления измерительного устройства, т. е. его входной теплоемкости. В диапазоне низких и средних температур используются в основном контактные методы измерения, при этом используются термометры сопротивления и термоэлектрические преобразователи (термопары). Для измерения высоких температур используют бесконтактные методы, основанные на использовании энергии излучения нагретых тел. Приборы для измерения температуры, основанные на использовании энергии нагретых тел, называют пирометрами.

В быту, промышленности и в прикладной науке не обязательно знать, что такое «температура». Достаточно понимать, что «температура - это степень нагретости тела». Фактически приборы для измерения температуры измеряют другие свойства вещества, меняющийся от степени нагретости, такие как объем, электрическое сопротивление, объем и т. д.

Что же такое температура? Если рассмотреть молекулярно-кинетическую теорию, можно сказать, что теплота - это одна из форм энергии, а именно - кинетическая энергия атомов и молекул. Однако использования джоуля неудобно, потому что энергия теплового движения частиц очень мала по сравнения с джоулем. Тепловое движения измеряется в других единицах, получаемых из джоуля, с помощью переводного коэффициента к.

Если температура T измеряется в кельвинах (К), то связь ее со средней кинетической энергией поступательного движения атомов идеального газа имеет вид

Секция «Концепции современного естествознания»

Ек = (3/2) кТ, (1)

где к - переводный коэффициент, определяющий, какая часть джоуля содержится в кельвине. Величина к называется постоянной Больцмана.

Учитывая, что давление тоже может быть выражено через среднюю энергию движения молекул:

р = (2/3)п Ек, (2)

где п = N / V, V - объем, занимаемый газом; N - полное число молекул в этом объеме.

Уравнение состояния идеального газа будет иметь вид р = пкТ.

Если полное число молекул представить в виде N = цNA, где ц - число молей газа, NA -число Авагадро, т. е. число частиц на один моль, можно легко получить известное уравнение Клапейрона-Менделеева: pV = цЯТ, где Я - молярная газовая постоянная Я = NA • к или для одного моля pV = NA ■ кТ.

Температура - это искусственно введенный в уравнение состояния параметр. С помощью уравнения состояния можно определить термодинамическую температуру Т, если все другие параметры и константы известны. Из такого определения температуры очевидно, что значения Т будут зависеть от константы Больцмана. Можем ли выбрать для этого коэффициента пропорциональности произвольное значение и затем на него опираться? Нет. Ведь мы можем таким образом получить произвольное значение для тройной точки воды, в то время как мы должны получить значение 273,16 К! Возникает вопрос - почему именно 273,16 К?

Причины тому чисто исторические, а не физические. Дело в том, что в первых температурных шкалах были приняты точные значения сразу для двух состояний воды - точки затвердевания (0 °С) и точки кипения (100 °С). Это были условные значения, выбранные для удобства. Учитывая, что градус Цельсия равен градусу Кельвина и выполняя измерения термодинамической температуры газовым термометром, градуированным в этих точках, получили для абсолютного нуля (0 °К) методом экстраполяции значение - 273,15 °С. Конечно, это значение можно считать точным только в том случае, если измерения газовым термометром были абсолютно точны. Это не так. Поэтому фиксируя значение 273,16 К для тройной точки воды, и измерив точку кипения воды более совершенным газовым термометром, можно получить слегка отличное от 100 °С значение для кипения. Например, сейчас наиболее реальным является значение 99,975 °С. И это только потому, что ранние работы с газовым термометром дали ошибочное значение для абсолютного нуля. Таким образом, мы либо фиксируем абсолютный ноль, либо интервал 100 °С между точками затвердевания и кипения воды. Если зафиксировать интервал и повторить измерения для экстраполяции к абсолютному нулю, то получим -273,22 °С.

Библиографические ссылки

1. Смородинский Я. Х. 'Температура. 3-е изд. М. : Бюро Квантум, 2007. 176 с. (Б-ка «Квант». Вып. 103).

2. Лепявко А. П. Метрологические основы теплотехнических измерений : учеб. пособие. М. : АСМС, 2015. 180 с.

3. Теоретические и практические аспекты теплофизических измерений / С. В. Пономарев и др. Тамбов : Изд-во ТГТУ, 2006.

© Ахметов Д. Н., Жирнова Е. А., 2018