А.Н. Матвеев - Молекулярная физика (1103596), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Градус температуры, по определению, можно выбрать таким, чтобы разница между указанными температурами была равна 100, т. е. Тз — Т, = 100. В качестве термометрической величины используется давление. В эксперименте можно измерить давление р, некоторой массы газа, близкого к идеальному при температуре кипении воды, и давление р, при температуре замерзания. Эксперимент дал для отношения этих величин значение 1,3661. Следовательно, для вычисления 7" э и Т, имеем два уравнения Тя — Т, =- 100 К и Тз(Т, = 1,3661, решение которых дает Т, =- 273,15 К; Т, = 373,15 К. Тем самым шкала температур полностью фиксирована. Однако такое введение шкалы температур не является полностью удовлетворительным. Дело в том, что температуры кипения и замерзания воды зависят от давления и его надо дополнительно фиксировать в определении. Кроме того, температуры кипения и замерзания фиксируются с недостаточной точностью.
Поэтому в СИ условились шкалу температур определять по одной реперной точке, в качестве которой взята тройная точка воды (см. ~ 47), Темпера~ура тройной точки воды принята, по определению, равной 273,16 К. Единица температуры определяется как 11273,16 температурного интервала между тройнои точкой и точкой абсолютного нуля температур, которая, однако, является не реперной точкой, а температурой на 273,16 К ниже температуры тройной точки воды. Выбрав идеальный газ в качестве термометрического тела, можно определить температуру по формуле 7= ' р, (1 1.5) Рв где р„ — давление газа при температуре тройной точки воды, р — его давление при измеряемой температуре. Объем газа У при измерении должен быть постоянным.
Определенная таким образом шкала температур называется термодинамической шкалой температур. Так как (1!.5) основано на законах идеального газа, то Т, определяемая этой формулой, совпадает с Т, которая в (8.15) была введена как обозначение. Поэтому обозначаемая в предшествующем изложении посредством Т температура является термодинамической. 6 ? 1. Температура 99 Название??термодинамнческаш? она получила потому, что совершенно независимо может быть выведена из чисто термодинамических расчетов на основе второго начала термодинамики.
Формально пока ие было оснований называть эту температуру термодинамической, поскольку еше не был проведен термодинамический анализ проблемы. Однако во избежание излишних терминов это целесообразно было сделать, отложив обоснование до более позднего момента. Термометры. Реальным термометрическим телом, наиболее близко стоящим к идеальному газу, являются разреженные газы. Построенный на основе разреженного газа термометр называется газовым. В широком интервале температур от нескольких кельвинов до температур свыше тысячи кельвинов газовый термометр позволяет осуществить термодннамическую шкалу температур.
Поэтому в этом интервале температур в Бюро стандартов пользуются газовыми термометрами как первичными стандартами. В газовых термометрах в качестве термометрической величины используется давление. Сами термометры громоздки и сложны в использовании. Поэтому они служат лишь для калибровки вторичных термометров, которые уже используются в научных исследованиях, промышленности и т. д. Из вторичных термометров наиболее распространенными являются жидкостные (например, спиртовые, ртутные),термометры сопротивления и термо элементы. Жидкостные термометры используются от — 200 до 600"С.
В частности, в термометрах на пентане область температур от — 200 до 20'С, а в ртутных термометрах от — 38,87 до 600"С. В термометрах сопротивления используется зависимость омического сопротивления проводника от температуры. Наиболее широким диапазоном доступных для измерения температур обладают платиновые термометры (от — 200 до 1100'С). Международным комитетом мер и весов платиновый термометр рекомендован в качестве эталона для воспроизводства температур в интервале от — 190 до 660 С. Термометр сопротивления из меди пригоден для работы в интервале от — 20 до 100'С. Термометры сопротивления также пригодны лля измерения низких температур (бронзовь?е и графитовые термометры).
Материалом термометров сопротивления могут быль полупроводники. У ннх с ростом температуры сопротивление не растет, а уменьшается, а скорость изменения сопротивления с температурой на порядок больше, чем у металлов. Это позволяет изготовить весьма чувствительные термометры на полупроводниках, называемые термисторами. Физические явления в термопарах рассмотрены в б 56. С их помощью определение температуры сводится к измерению разности потенциалов.
С помощью термопар удается измерять температуру в и?ироком интервале. Например, термопара из пла- 1. Какое тело выбрана в качестве тернонетрического в абсопютной термодинанической шкале температур? Каковы преинущества такого выбора> К По скольким репернын точкам опредепяется обсопютная тернодинаническая шкала температур в СИ? 3. Перечиспите опорные точки в Международной практической школе температур.
4. Какими термонетрани и методаии измеряются температуры в различных интервалах? 1Оа !. Статистический меэод типо-платинородия используется в интервале от 0 до 1700 С, а из хромель-алюмеля — от — 200 до 1350"'С. При очень высокой ~емпера~уре материалы плавятся и описанные виды термометров неприменимы. В этом случае в качестве термометрического тела берется само тело, температуру которого необходимо измерить, а в качестве термометрической величины — излучаемая телом электромагнитная энергия. Законы излучения хороню известны и изучены и позволяют по излучению тела сделать заключение о его температуре.
Международный комитет мер и весов установил термодинамическую пиалу при температуре выше 1063"С именно на основе законов излучения. Приборы, с помощью которых измеряется энергия излучения, называются пирометрами. При очень низкой температуре (- 1 К) также не удается применять обычные методы измерении температур, поскольку уравнивание температур при контакте проис- холит очень медленно и, кроме т.ого, обычные термометрические величины кне работаютя (например, давление становится весьма малым, сопротивление практически не зависит от температуры).
В этих условиях также в качестве термометрнческого тела берется само тело, а в качестве термометрической величины — характеристики его свойств, например магнитных. Задача измерения температур тесно смыкается с исследованиями изменения свойств веществ с температурой. В целом разработка термометров для различных интервалов температур и их калибровка является сложной научной и технической задачей.
При этом используются законы физики, установленные для соответствующих областей температур. Международная практическая шкала температур. Она образована таким образом, чтобы с ее помощью можно было сравнительно просто калибровать научные и технические приборы и в то же время воспроизводить с технически максимально возможной точностью термолинамическую шкалу температур. Единицами температуры являются кельвин и градус Цельсия в зависимости от начала отсчета температур. Шкала температур постоянно уточняется в соответствии с результатами научных исследований и достижениями измерительной техники.
В качестве первичнь!х реперных точек выбраны хорошо воспроизводимые точки, которым приписана определенная температура. По этим точкам градуируются стандартные термометры, наиболее подходящие по своим физическим характеристикам для измерения температур в соответствующих интервалах. Между реперными точками температурная шкала устанавливается с помощью интерполяционных формул, по которым температура вычисляется по показаниям термометров, принятых за стандартные.
В целом построенная таким образом шкала чрезвычайно ~очно согласуется с термодинамической шкалой температур в реперных точках и достаточно точно во всех остальных точках. Температура некоторых первичных опорных точек Международной температурной шкалы приведена в табл. 1. Связь термодииамической шкалы со шкалой Цельсия. Шкала Цельсия определяется условием, что температура замерзания воды при давлении 1,013. !О' Па равна 0 С, а градус Цельсия равен кельвину. В термодинамической шкале температура замерзания воды при этих условиях равна 273,15 К.
Поэтому, по определению, температура по шкале Цельсия задается равенством ! = Т вЂ” 273,15, (11.б) где ! — температура по шкале Цельсия. 1 11. Температура 101 Таблица ! Опорные температурные точки Междунаропной темжрэтурюй жкалы (прн иормальюм давлении р =. 101,325 кпэ, исключая тройвые точки) т, к згп Фиясированаые тачая Точка тройная водорода пиленая янслорода тройная воды кипения воды плавления цинка э серебра э золота Нуль кельвин. Из определения (10.6) видно, что температура не может изменять знак, поскольку существование отрицательного давления идеального газа исключается. Так как реперная температура принята по определению положительной, то термолинамнческая температура не может принимать отрицательных значений (этот вопрос рассматривается в 9 21).
Существование состояний с нулевой термодинамической температурой этими рассуждениями не исключается. Однако анализ различных процессов показывает, что нуль кельвин является недостижимым, хотя не исключается возможность приближения к нему как угодно близко. Утверждение о недостижимости нуля кельвин принимается в термодинамике как самостоятельный постулат, называемый третьим началом термодинамики. л)рз 3 Как видно из (8.18), ( — — 2 = — )сТ и, следовательно, при 0 К кинетическая 2 2 энергия должна обратиться в нуль.
В частности, тепловые колебания атомов в узлах решетки должны прекратиться. Однако это противоречит основным положениям кван~оной механики. По соотношениям Гейзенберга уменьшение импульса частиц неизбежно сопровождается увеличением неопределенносги их координаты. Поэтому предположение о том, что атомы прекратили колебания в узлах кристаллической решетки, равносильно утверждению, что решетка вообще перестала существовать. С другой стороны, прямое решение квантовомеханической задачи о колебаниях а~омов в узлах кристалли- ° Неждунороднаа практическая накала твнператур образована так, чтобы было сравнительно просто колибровать нэиерительные приборы и достаточно точно воспроизводить твриодинаннческую закалу тенпвратур.
Тврнодинаничаская тенпвратура нв ножет быть отрица- тельной. Нуль тернодинонической твнпературы недостижим, мотя не исключается возможность сколь угодна близкого прибли- эсенип к иену. ! 3,81 90,188 273,1б 373,15 б92,73 1235,08 ! 337,58 — 259,34 — 182,962 0,01 их)д 4!9,58 98 1,93 1064,43 102 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
