Материал: U10sUZIsoo

температуре не вводились и эталон являлся инструментом для воспроизведе-

ния эмпирической «водородной шкалы».

В качестве основных точек были выбраны температуры таяния льда и кипения воды при нормальном давлении, которым приписаны числовые зна-

чения, соответственно, 0 и 100 с делением основного интервала на 100 рав-

ных частей. Числовым значением измеренных «водородных» температур приписывался знак градуса Цельсия.

Развитие отраслей техники, нуждающихся в надежных методах измере-

ния температур, выходящих далеко за пределы интервала 0…100 °С и обла-

дающих более высокой воспроизводимостью, чем газовый термометр, заставило с начала ХХ в. развернуть в разных странах исследования по изысканию практических методов построения температурной шкалы. Эти исследования завершились формулировкой на 7-й Генеральной конференции по мерам и весам в 1927 г. Положения о Международной практической температурной шкале (МПТШ). В положении об МПТШ было установлено, что единственно правильной шкалой температур является термодинамическая, в которой должны выражаться все измерения температур. Для практической реализации термодинамической шкалы вводится МПТШ, которая должна совпадать с термодинамической настолько точно, насколько это возможно. Было признано, что если с течением времени будет установлено расхождение между термодинамической шкалой и МПТШ, то в последнюю должны быть внесены необходимые коррективы. Уточненная в 1968 г. практическая шкала получила название МПТШ-68.

В МПТШ-68 используются как международные практические температуры Кельвина (символ T68), так и международные практические температуры Цель-

сия (символ t68). Соотношение между T68 и t68 такое же, как между T и t, т. е.

T68, К = t68, °С + 273,15.

Единицей T68, как и единицей термодинамической температуры, являет-

ся кельвин (К). Числовые значения температур в абсолютной шкале T68 вы-

ражаются в кельвинах, а в шкале, отсчитываемой в кельвинах от точки плавления льда, считаются выраженными в градусах Цельсия, т. е. так же, как термодинамические температуры T и t.

Обозначения T68 и t68 применяются тогда, когда хотят особо подчерк-

нуть отличие этих температур от термодинамических. Достигнутое практи-

11

ческое совпадение шкал МПТШ-68 и термодинамической позволяет в научной и технической литературе применять только обозначения T и t.

Разности температур T1 - T2 или t1 - t2, как и погрешности DT или Dt,

выражаются либо в кельвинах, либо в градусах Цельсия (предпочтительнее в кельвинах). В единицах измерения производных величин используется толь-

ко единица температуры – кельвин, например [c] = Дж/(кг × К).

МПТШ-68 с учетом рекомендаций Консультативного комитета по термометрии 1984 г. основывается:

1)на группе из 12 воспроизводимых температур фазовых переходов (реперных точек), числовые значения которых были получены как наиболее достоверные по результатам газотермических измерений. Эти значения охватывают диапазон от 13,81 до 1337,58 К;

2)приборах, предназначенных для интерполирования значений температур между реперными точками. В интервале температур от 13,81 до 903,89 К

(630,74 °С) таким прибором является платиновый термометр сопротивления.

В интервале температур от 630,74 до 1064,43 °С интерполяционным прибором является платинородий (10 %) – платиновая термопара. Выше 1064,43 °С – температуры затвердевания золота – температура экстраполируется с помощью монохроматического яркостного пирометра;

3)интерполяционных формулах, значения коэффициентов в которых по поддиапазонам определяются эталонированием каждого прибора в соответствующих реперных точках, охватывающих данный поддиапазон, и из условия равенства производных градуировочных кривых на границах соседних участков;

4)рекомендациях по осуществлению отдельных реперных точек, обеспечивающих высокую их воспроизводимость, и требованиях к выбору интерполяционных приборов.

Для дальнейшего сближения МПТШ и термодинамической температурной шкалы Консультативный комитет по термометрии в 1989 г. внес некоторые изменения в рекомендуемые методы воспроизведения МПТШ. Положение о воспроизведении шкалы получило название Международной температурной шкалы – 90 ( МТШ-90).

Среди зарубежных приборов встречаются такие, у которых шкалы от-

градуированы в градусах Фаренгейта (°F). Точно так же в зарубежной технической литературе нередко приводятся результаты измерений или расчетов температур, выраженные в градусах Фаренгейта. В современной шкале Фа-

12

ренгейта от первоначальной шкалы жидкостно-стеклянного термометра сохранились только числовые значения реперных точек: точке таяния льда приписано значение 32 °F, а точке кипения воды – значение 212 °F. В промежутке между этими температурами шкала наносится способом, предусмотренным МПТШ, и она утратила свойства, присущие первоначальной эмпирической шкале. Интервал температур между точками кипения воды и таяния льда делится на 180 равных частей.

Для перевода числовых значений температур, выраженных в градусах Фаренгейта, в градусы Цельсия применяется следующее соотношение: t, °С = 5/9(°F - 32).

Взарубежной литературе можно также встретить выражение температур

вградусах Ренкина (°R), для перехода от которых к кельвинам применяется соотношение T, К = 5/9 °R. Так, для температуры таяния льда в градусах Рен-

кина будем иметь: 273,15 × 9/5 = 491,67 °R.

1.4.Вопросы для самопроверки

1.Что такое температура?

2.Что определяет кинетическая энергия движения атомов и молекул тела?

3.Что понимается под равновесной температурой? Неравновесной температурой? Какая из них называется термодинамической температурой?

4.Когда понятие температуры не имеет смысла?

5.Каков верхний предел температуры, встречающийся в природе? Нижний предел температуры?

6.Приведите примеры «интенсивных» и «экстенсивных» физических величин.

7.Что понимают под термином «температурная шкала»?

8.В чем недостаток эмпирической температурной шкалы?

9.Как называется температура, входящая в выражение для КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно? Почему она так называется?

10.Какая шкала называется абсолютной температурной шкалой?

11.Каково соотношение между числовыми значениями температур, выраженных в кельвинах и градусах Цельсия?

12.Совпадают ли абсолютные температуры, определяющие состояние идеального газа, с абсолютными термодинамическими температурами?

13.Для чего введена МПТШ? На чем она основывается?

13

2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ

2.1. Классификация методов измерения температур

Температура как мера внутренней энергии тела не поддается непосредственному измерению. Однако различные формы проявления внутренней энергии тела можно использовать для измерения температуры. Для этого применяются как косвенные, так и прямые методы. Косвенным принято называть такое измерение некоторой физической величины, при котором искомое ее значение находят расчетом на основании известной функциональной связи между этой физической величиной и другими, непосредственно измеряемыми. Примерами косвенного измерения температуры, и именно термодинамической температуры, являются результаты расчета ее значений по измеренному давлению идеального газа при постоянном объеме по формуле Клайперона (1.1), по измеренной мощности теплового шума по уравнению Найквиста (1.2) и др.

Определение с требуемой точностью температур объектов такими косвенными измерениями в большинстве случаев заставляет выполнять с высокой точностью абсолютные измерения связанных с температурой других физических величин. При этом стремятся создать такие условия измерений, по возможности близкие к идеальным, для которых справедливы используемые теоретические соотношения. Это приводит к тому, что косвенные измерения (абсолютные) температур применяются только в эталонных работах или научных исследованиях с использованием наиболее совершенных средств измерительной техники, следовательно, распространенность их довольно ограничена.

Измерения температур в различных отраслях науки и техники осуществляются преобразованием температуры в какую-либо другую физическую величину, подвергающуюся непосредственному измерению с помощью соответствующих средств. При этом средства измерений с помощью образцовых приборов градуируются; их отсчет или выходной сигнал выражается по МПТШ. Тем самым осуществляется прямое измерение температуры либо в кельвинах, либо в градусах Цельсия.

Необходимость преобразования температуры в другую физическую величину нашла свое отражение в названии приемного блока средства измере-

ний: первичный преобразователь.

В зависимости от характера контактирования первичного преобразователя с объектом, температуру которого измеряют, методы измерений температур разделяются на две основные группы: контактные и бесконтактные.

14

Контактными методами называют такие, применение которых требует наличие механического контакта первичного преобразователя с объектом измерения, а теплообмен между ними определяется теплопередачей теплопроводностью и (или) конвекцией.

Большинство контактных методов измерений требует наличия линий связи первичного преобразователя со средствами измерения его выходного сигнала. Однако некоторые из них конструируются без линий связи, а отсчет температуры осуществляется наблюдателем по визуально фиксируемой реакции преобразователя. Наиболее распространенные контактные методы измерений температур приведены в табл. 2.1.

15