Материал: Эталоны основных физических величин

Введению понятия «градус температуры» мы обязаны античным медикам. Идея использования свойства воздуха расширяться при нагревании пришла Герону Александрийскому, а впоследствии Галилею в 1592 году для создания прибора, измеряющего температуру тела. В книге «Математический чудотворец» Каспара Эне, вышедшей в 1636 году, описана одна из первых температурных шкал, т. е. система сопоставимых тепловых значений температуры. Температуру непосредственно измерить нельзя, а о её изменении можно судить по изменению других физических свойств (объёма, давления, активного электрического сопротивления и т.д.) с использованием определенных линейных закономерностей.

Первые термометры в качестве рабочего термометрического тела использовали воздух, жидкость (спирт, ртуть), используя свойство расширяться при нагревании и уменьшать объем при охлаждении. Реперные (от слова reper - по-французски - метка) точки выбирались по-разному. В 1665 году Гюйгенс предложил реперные точки связать с водой, с её способностью менять фазу (замерзать и кипеть). В разное время появились шкалы Д. Фаренгейта (1724г.), А. Цельсия (1742г.), Ранкена, Реомюра (1730г.). В шкале Цельсия за начало отсчета (0 0С) принята температура таяния льда (затвердевания воды), а за (100 0С) температура кипения воды (хотя сначала было наоборот). 10С равен одной сотой () части этого интервала между кипением и затвердеванием воды. (10С=0,80R Реомюра; 10С=1,80 F по Фаренгейту). Приведем соотношения для перевода температуры из одной шкалы в другую n0C=0,8n 0R=(1,8n+32) 0F.

Трудности использования температурных шкал на основе конкретных термометрических тел начинали проявляться при измерении низких температур (ртуть также замерзает). Поэтому возникли мысли о создании температурной шкалы, не зависящей от конкретного термометрического тела, а на основе молекулярно - кинетической природы тепла (поскольку кинетическая энергия всегда положительна, то и температура всегда положительна). Поэтому такая температура называлась «абсолютной температурой». Недостатки всех предшествующих температурных шкал отсутствуют у термометра, основанного на математической записи второго начала термодинамики для идеального цикла Карно

,

Где  - количество теплоты, полученной от нагревателя при температуре Т1,  - количество теплоты, отданной холодильнику при температуре Т2. Здесь отношения  и  не зависят от свойств термометрического вещества. Температурная шкала такого типа носит название термодинамической температурной шкалы.

Как предсказывали У. Кельвин и независимо от него Д.И. Менделеев эту температурную шкалу можно построить на основании одной реперной точки. Такой реперной точкой взята тройная точка воды, температура которой принята 273,16 К (точно), что соответствует 0,01 0С. До 1968 года температура измерялась в градусах Кельвина . Единица термодинамической температуры «кельвин» выбрана таким образом, чтобы использовать единицу стоградусной шкалы Цельсия, т.е. чтобы 1 кельвин, как температурный интервал был равен такому интервалу, выраженную в градусах Цельсия . Хотя это приблизительно, т.к. , а .

В качестве второй реперной точки выбрана точка абсолютного нуля. Соотношение между температурами шкалами Цельсия и термодинамической определяется:

Т К= t 0C+273,160С; nK=n 0C.

nK=1,8 n 0Ra - температурная шкала Ранкина.

Здесь точка таяния льда соответствует 491, 67 0Ra, а точка кипения воды - 671,67 0Ra.

10 Генеральная конференция по мерам            и весам в 1954 году утвердила следующее определение кельвина: «Термодинамическая температура тройной точки воды содержит точно 273,16 кельвин (К)»

В октябре 1967 года 13 Генеральной конференцией мер и весов дано определение, которое действует и поныне. Итак: «кельвин - единица термодинамической температуры, равная  термодинамической температуры тройной точки воды».

Определение термодинамической температуры на основе цикла Карно является довольно затруднительным. Первой термодинамической шкалой воспроизводилась шкала с помощью водородного термометра. Но проводимые исследования водородных термометров показали их недостатки: 1) ниже -200 0С ими пользоваться нельзя, т. к. водород приближается к своей точке кипения (tk=-252,87 0C) и не подчиняется законам идеальных газов; 2) выше температуры + 100 0С водород либо вступает в реакцию со стеклом и кварцем, либо диффундирует через стенки стеклянного, кварцевого или платиновых сосудов. Поэтому в 1927 году 7 Международная конференция по мерам и весам приняла Международную практическую температурную шкалу, которая уточнялась в 1968 году (МПТШ-68), как наибольшее приближение к термодинамической температуре Т. Термодинамическая температура определяется по этой шкале и обозначается с индексом «68», т.е. Т68(t68). Данная температурная шкала в качестве реперных точек использует 12 первичных воспроизводимых температурных точек. Им соответствуют эталонные приборы, градуированные при этих температурах.

Приведем таблицу реперных точек МПТШ-68:

Примечание:

Понятие «равновесный водород» следует понимать, что водород, имеющий молекулярные модификации ортоводород и параводород, при данной температуре обладает равновесной концентрацией этих модификаций

Эталонными приборами приняты: а) платиновый термометр сопротивления для диапазона температур 13,81 К - 903,89 К (-259,34 0С- 630,74 0С);

б) термопара (термоэлектрический термометр) с электродами платинородий (10% родия Rh, 90%- платина Pt) в диапазоне температур 903,89 К - 1337,58 К (630,74 0С - 1064,43 0С).

Для областей, превышающих температуры 1337,58 К по МПТШ-68, температуру определяют с помощью закона излучения Планка, используя пирометры.

В 1972 году утверждены эталоны (0,3 - 5,2) К по упругости паров жидкого гелия He и изотопа гелия He. Для еще более низких температур - термометры сопротивления (угольные, германиевые, из сверхпроводящих сплавов), а также магнитными методами охлаждения. Для получения температур порядка 1мК= 10-3 К широко используют метод растворения жидкого  He в жидком  He.

) кандела (от латинского candela - свеча) - очередная шестая основная единица в Международной системе единиц - единица силы света. Русское сокращенное обозначение - кд, международное - cd. Символ: J. До 1970 года в русской литературе сила света называлась «свеча».

Название «свеча» берет начало с 19 века из Англии, где за единицу силы света бралась свеча из спермацета, если при длине пламени в 45мм за час сгорало 7,76г. Это был первый эталон силы света. Потом были лампы Карселя - лампы с заданными характеристиками сгорания масла. С 1881 года по предложению Виолля 1 Международный конгресс электриков принял в качестве единицы света излучение 1 см2 (17730С) поверхности платины при температуре ее затвердевания, которую в 1889 году решили назвать «абсолютным эталоном света», а  его часть - практической единицей силы света. В качестве эталонов силы света в разное время использовали лампу Гефнера - Альтенека, где использовался чистый ацетилен, электрическая лампочка специальной конструкции с постоянным током.

Трудности изготовления и воспроизведения предыдущих эталонов привели к необходимости использования законов теплового излучения. В 1956 году было введено такое определение: «Свеча - единица силы света, значение которой принимается таким, чтобы яркость полного излучателя при температуре затвердения платины была равна 60св на 1 см2».

Примечание:

Полный излучатель - излучатель, изготовленный из материала, обладающего свойствами абсолютно черного тела (платина, сажа, бархат).

В 1967 году Генеральной конференцией по мерам и весам единице силы света дано следующее определение: «Кандела - сила света, испускаемого с площади  сечения полного излучателя в перпендикулярном направлении при температуре излучателя, равного температуре затвердевания платины (2042 К) при давлении 101325 Па».

Измерения на основе излучения абсолютно черного тела не позволяют значительно повысить точность воспроизведения канделы. Поэтому 16 Генеральной конференцией по мерам и весам в октябре 1979 года дано новое определение, связывающее световые единицы с энергетическими.

Кандела - единица силы света, равная силе света в данном направлении от источника, испускающего монохроматическое излучение частоты 540*1012Гц (540 ТГц), сила, излучения которого в этом направлении составляет .

На основе этого определения в СССР в 1983 году создан новый эталон канделы.

7) моль - единица количества вещества, определяемая количеством структурных элементов (атомов, молекул, ионов), содержащихся в физической системе. Обозначается: русское - моль, международное - mol. Символ - N.

Начиная с 1905 года после опубликования А. Эйнштейном специальной теории относительности, отношение к массе вещества как мере инерции и гравитации, стало меняться. Масса покоящихся и движущихся тел оказалась разной, а именно: масса тела увеличивается по мере приближения скорости тела к скорости света (с=3*108), стремясь к бесконечности. Масса тела увеличивается, а количество вещества системы, имеющей определенное количество частиц, не меняется. Поэтому решением 14 Генеральной конференцией по мерам и весам в 1971 году была введена 7 основная единица измерения количества вещества.

«Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде - 12 массой 0,012 килограмм».

Введение очередной 7 основной единицы - моля - позволило расширить область применения Международной системы единиц на другие бурно развивающиеся разделы физики, как физическая химия, молекулярная физика, ядерная физика.

Дополнительные единицы системы единиц

11 Генеральная конференция по мерам и весам (1960 год) в качестве дополнительных единиц утвердили математические величины радиан - плоский угол и стерадиан - пространственный угол.

Радиан (от латинского radius - луч, радиус) - величина плоского угла между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу. Обозначается: по-русски - рад; международное обозначение - rad.

Плоский угол определяется как отношение длины дуги к радиусу окружности .

Размерность плоского угла , то есть является безразмерной величиной.

Единица плоского угла . Этой безразмерной единице присвоено наименование радиан (1рад=57017'44”,8). В полном круге содержится радиан.

Стерадиан (от греческого stereos - телесный, объемный, пространственный) математическая единица измерения телесного угла с вершиной в центре сферы. Обозначение: русское - ср., международное - sr.

Телесный угол W - пространственный угол конуса с вершиной в центре, опирающейся на часть площади сферы .

Размерность и единицы телесного угла

.

Телесный угол, как и плоский, является безразмерной величиной, но разрешается называть стерадиан.

«Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы».

Полная сфера, имеющая площадь S, имеет телесный угол ср.

Основные, дополнительные и производные физические величины в Международной системе единиц CИ (SI-Sistem International d`Unites) и СГС и связь между ними

(СИ - принята 11 Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году. Постановлением Государственного Комитета СССР по стандартам с 1 января 1982 года введен в действие ГОСТ-8.417-81 ”Единицы физических величин”, согласно которому подлежат обязательному применению единицы международной системы единиц)