Идеально-газовая температурная шкала

Температура в идеально-газовой шкале измеряется с использованием газового термометра постоянного объема. Данный термометр представляет собой контейнер с жесткими стенками, наполненный газом (обычно это Не или Н9) при низком давлении (рис. 1.12).

Действие термометра основано на том экспериментальном факте, что при низких давлениях температура газа пропорциональна давлению, если объем системы не изменяется, Т = а + Ьр. Иными словами, температура измеряется манометром. Параметры а и b определяются экспериментально.

Если а и b известны, то значение температуры можно вычислить, зная величину давления в контейнере, которое устанавливается после того, как термометр и исследуемый объект приведены в соприкосновение. Величины а и b можно найти, если выбраны две реперные точки, в качестве которых часто используются температура плавления льда и температура кипения воды при давлении 1 атм.

Экспериментальная зависимость р (Т) для различных газов выглядит примерно так, как изображено на рис. 1.13.

Рис. 1.13. Зависимость давления газов от температуры.

Значение параметра b зависит от сорта газа, величина а одинакова для всех газов. Если используется шкала Цельсия, то а = -273,15 К. Это наименьшая температура, которую можно измерить газовым термометром.

Таким образом, задаваясь значением а = 0, мы получаем абсолютную газовую температурную шкалу. В этом случае Т = b • р, (b = v / /?), и для того чтобы получить значение b, достаточно задать произвольную температуру только в одной точке.

Следует подчеркнуть, что абсолютная газовая температурная шкала — это не термодинамическая температурная шкала! Газовый термометр нельзя использовать при очень низких температурах (поскольку возможна конденсация газа) и при очень высоких температурах (поскольку возможны диссоциация и ионизация газа). Однако в той области температур, в которой газовый термометр использовать можно, абсолютная газовая температура идентична термодинамической. Это обстоятельство дает возможность рассматривать термодинамическую температурную шкалу как абсолютную газовую температурную шкалу, предполагая, что в качестве рабочего тела в термометре используется идеализированный (воображаемый) газ, который не конденсируется в области низких температур, не подвергается диссоциации и ионизации в области высоких температур. Если бы такой газовый термометр существовал, то при давлении, равном нулю, он показывал бы температуру -273,15 °С или О К.

Шкала Кельвина связана со шкалой Цельсия:

Связь шкалы Ренкина со шкалой Кельвина определяется соотношением.

В свою очередь, шкала Ренкина связана со шкалой Фаренгейта:

В качестве фиксированной температуры на 10-й Международной конференции мер и весов в Париже в 1954 г. была выбрана температура тройной точки воды — 71, = 273,16 К — температура, при которой сосуществуют вода, лед и пар.

В принципе, зависимость 7'= const • А не является единственно возможной, допустимы и другие варианты зависимости, например, Т = аЛ + Ь или ТаА² +ЬА + с. Иными словами, существует некоторая произвольность при выборе температурной шкалы (этим и объясняется существование нескольких температурных шкал). Позже после рассмотрения второго закона термодинамики мы вернемся к вопросу о выборе шкалы температур.

Используемая в настоящее время шкала температур называется термодинамической, а значения температуры в этой шкале считаются абсолютными.

Установление температуры тройной точки 273,16 К имеет историческую причину. В свое время шведский ученый Цельсий (1701 — 1744) в 1742 г. предложил использовать эмпирическую температурную шкалу, для создания которой были использованы температуры плавления льда и кипения воды при давлении 1,1 325 бар, а промежуток между ними был разделен на 100 интервалов, равных 1 °C. Это условие было сохранено при переходе к новой температурной шкале: Т_х-Т₀ = 100 К (7 = Г₀+ 100).

Из условия Т = const • А следует, что откуда

Полученные из опыта значения А, и Л₀ позволяют найти значение 7'₀ = = 273,15 К — температуру плавления льда при давлении 1,10 325 бар.

Шкала Фаренгейта предложена в 1724 г. В качестве реперных использованы две точки:

• 1) температура смеси вода, лед, нашатырь (NH₄C1 — хлорид аммония) принята за ОТ;
• 2) температура смеси лед и вода принята равной 32°F (температура кипения воды 212Т).