ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
536.531
Развитие методов и средств измерений температуры от термоскопа до МТШ-90
C. В. МАРИНКО
Рассмотрены закономерности развития практической термометрии. Приведены примеры расчетов значений температуры по МТШ-90. Предложен минимальный и в то же время достаточно полный набор справочных данных для выполнения расчетов.
Ключевые слова: международная температурная шкала, эталон единицы температуры, термометр сопротивления.
The ways of development of practical thermometry are considered. The examples of accounts of values of temperature on ITS-90 are given. Minimal and at the same time complete enough set of the help data for performance of accounts is proposed.
Key words: international temperature scale, standard of the unit of the temperature, thermometer of the resistance.
Измерения температуры в технических системах являются составной частью процессов их разработки, испытаний, производства, эксплуатации и утилизации. Эффективность применения современной техники во многих случаях непосредственно связана с качеством используемой термометрической информации. Запуск космических аппаратов, обеспечение надежности мощных энергетических установок, поддержание обитаемости автономных объектов, функционирование охранных систем, выполнение контрольно-учетных операций — все это далеко не полный перечень использования результатов измерений температуры. При этом не существует такого свойства, такой величины, которые прямо или косвенно, в большей или меньшей степени не зависели бы от температуры.
Сталкиваясь на бытовом уровне с необходимостью «померить» температуру с помощью «градусника», не все знают, что за простой шкалой обычного термометра стоит сложная система передачи размера единицы температуры, основанная на многовековом научном опыте и охватывающая практически все области естествознания. Краткий анализ этого опыта и рассмотрение практических примеров современных методов измерений температуры — цель данной работы. В первую очередь статья ориентирована на специалистов, сталкивающихся на практике с необходимостью расчетов значений температуры в соответствии с Международной температурной шкалой МТШ-90.
Основными источниками исторических сведений о температуре являются работы И. Р. Кричевского, И. В. Петряно-ва и Т. Куинна [1].
Исторические закономерности развития практической термометрии. Развитие измерений температуры неразрывно связано с совершенствованием понятия «температура» и модели этой величины — температурной шкалы. Неоднозначный подход к измерениям температуры сохранился с начала истории термодинамики и изобретения Галилеем термоскопа в 1592 г. до наших дней.
Объективный ход развития естественных наук позволил заложить основы современной термометрии только в Ев-
ропе и только в начале XVII века. Уточнение понятия температуры шло в направлении, позволяющем установить все большее число отношений физических объектов на множестве размеров этой величины. Первоначально естественным образом удавалось определять температуру как степень нагретости тела. Измерения по шкале «более теплый», «менее теплый» были в большой степени субъективными. Насколько несовершенным термометром являются органы чувств человека, можно убедиться, попытавшись сравнить температуру деревянного и металлического предметов при комнатной температуре.
Слово «температура» в переводе с латинского означает «смесь». Именно с тех пор сохранилась традиция измерять крепость спиртных напитков «в градусах», например как «температуру воды и спирта». Начало научного определения температуры связано с первым толкованием понятия «теплота». Физическая природа теплоты определялась на основе двух гипотез. Первая из них была сформулирована в 1613 г. Галилеем. Согласно этой гипотезе теплота является веществом, для которого применим закон сохранения. Количество такого вещества в физическом объекте определяет его температуру. Термометр показывает крепость смеси теплорода (флогистона) с материей. Вторая гипотеза высказана в 1620 г. Бэконом. Согласно его теории теплота — это характеристика энергии мельчайших частей материи. Механическая теория теплоты получила подтверждение и развитие в работах М. В. Ломоносова.
Развитие классической термодинамики позволило рассматривать температуру как параметр состояния системы элементарных частиц (например молекул), обладающий свойством принимать одинаковое значение в различных системах, находящихся в тепловом равновесии. На этом основании в 1848 г. Томсон (лорд Кельвин) определил «термодинамическую температуру» на принципах цикла Кар-но. Параллельное с термодинамикой развитие кинетической теории газов позволило Максвеллу в 1859 г. и Больцма-ну в 1869 г. получить зависимости распределения энергии в системе молекул, находящихся в тепловом равновесии.
Температура получила свое новое определение в статистической механике как параметр, пропорциональный кинетической энергии невзаимодействующих частиц системы.
Во многих разделах физики может быть дано свое определение температуры с различной степенью общности. Как следствие, использование термометрических свойств объектов при измерениях основывается на свойствах их физических моделей: идеального газа в термодинамике, абсолютно черного тела в квантовой механике и др. В большинстве практических задач достаточно ограничиться применением таких моделей. В каждом конкретном случае выбор модели зависит от решаемых измерительных задач. Включение температуры в число основных физических величин отражает современный подход к рассмотрению температуры в качестве параметра макросистемы с учетом однородности этой величины. Более общее определение температуры как некоторой производной величины по другим основным величинам сталкивается с проблемой ее разнородности. Например, с отличиями «электронной» и «ионной» температуры в состоянии плазмы.
Развитие представлений о температуре и термометрия оказывали друг на друга взаимоопределяющее влияние. Необходимость измерений температуры определялась возрастающей ролью термометрической информации при управлении термодинамическими процессами. Возможность выполнения измерений с требуемой точностью зависела от числа включаемых в рассмотрение отношений свойств объекта.
Необходимость установления количественных различий размеров температуры потребовала применения измерительных приборов. Первоначально было использовано свойство жидкостей изменять свой объем в зависимости от температуры. Значения температуры определялись по шкале жидкостного термометра, наносимой первоначально в равных долях объема капилляра. Недостатком такого термометра были различия его показаний в зависимости от объема и формы капилляра. В 1664 г. Гук опубликовал «Метод нанесения шкалы термометров» при температурах, вызывающих равное приращение объема термометрической жидкости различных термометров. Это позволило не сохранять строго постоянными размеры капилляра, но потребовало установления воспроизводимых фиксированных точек,
при которых проводилась градуировка термометра. Вслед за этим появилось множество шкал, основанных на двух фиксированных точках с делением интервала между ними на удобное число градусов. Единицы температуры — градусы Цельсия, Реомюра, Фаренгейта, Ренкина, Кельвина (с 1968 г. — кельвин) и др. — отличались своими размерами, линейные соотношения между которыми представлены в табл. 1 и на рис. 1.
Последовательности размеров температуры ставилась в соответствие шкала жидкостного термометра. Свойство объекта — температура — и отражение этого свойства в виде свойств модели — шкалы жидкостного термометра — не всегда были адекватными, в первую очередь, из-за различий свойств заполняющей термометр жидкости. При этом единство измерений могло быть обеспечено применением одного и того же вида рабочего вещества, например ртути или спирта. Однако такое ограничение практической термометрии вряд ли можно считать оправданным.
Процесс совершенствования температурной шкалы подошел к такому этапу, когда нужно было «выбирать» между поиском некоторого универсального термометрического вещества или существованием в общем случае бесчисленного множества температурных шкал, основанных на свойствах различных веществ и применяемых в «своих» удобных поддиапазонах температуры. Такое состояние измерений температуры можно было бы определить не как «единство», а скорее как «многообразие измерений».
Своеобразный компромиссный подход к построению температурной шкалы использовал Кельвин. Он предложил приписать произвольным образом числовое значение некоторой температуре, в качестве которой была выбрана температура тройной точки воды. Второй точкой являлась температура, при которой свойства любого термометрического вещества будут одинаковы (предельно низкая температура). Ее значение равно -273,15 °С или 0 К и установлено с помощью газового термометра, проградуи-рованного по шкале Цельсия. Значение температуры тройной точки воды соответственно равно 0,01 °С или 273,16 К, а единица температуры — кельвин — получила определение как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Выбору этой реперной точки в качестве основной способствовало то обстоятельство, что устройство ее реализации обеспечивает наилучшее качество
Т а б л и ц а 1
Соотношения между шкалами
Шкала Цельсия, °С Кельвина, К Фаренгейта, Т Реомюра, Ренкина,
Цельсия, °С 1 Тк - 273,15 9 (тр -32) 5 Т 4 Ъ 9 Тна - 273,15
Кельвина, К Тс + 273,15 1 9 ТР + 255,37 4 Тн + 273,15 5 Т 9 'на
Фаренгейта, °F 1 Тс + 32 5 Тк - 459,67 1 4 Тр + 32 Тра - 459,67
Реомюра, °R 1 Тс 5 (Тк - 273,15) 9 (ТР - 32) 1 9 ТКа - 218,52
Ренкина, °Ra | Тс + 491,67 9 Т 5 Тк ТР + 495,67 4 Тн + 491,67 1
Г, "С 100
0 т, "С, "К Р К, ^а
к \32 Т \-17,8 \80" ^Х.юо-с \212 Т
: ----
-273,15
Рис. 1. Графические зависимости между температурными шкалами
измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях, т. е. воспроизводимость измерений. Таким образом, температура, определяемая по шкале Кельвина, естественным образом совпадает с термодинамической температурой
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.