Какие существуют температурные шкалы?

Температурные шкалы - это системы сопоставимых числовых значений температуры.

Поскольку температура не является непосредственно измеряемой величиной, то её значение определяют по температурному изменению какого-либо удобного для измерения физического свойства термометрического вещества. Выбрав термометрическое вещество и свойство, необходимо задать начальную точку отсчёта и размер единицы температуры — градуса. Таким образом определяют эмпирические температурные шкалы.

В температурных шкалах обычно фиксируют две основные температуры, соответствующие точкам фазовых равновесий однокомпонентных систем (так называемые реперные или постоянные точки), расстояние между которыми называется основным температурным интервалом шкалы. В качестве реперных точек используют: тройную точку воды, точки кипения воды, водорода и кислорода, точки затвердевания серебра, золота и др. Размер единичного интервала (единицы температуры) устанавливают как определённую долю основного интервала. За начало отсчёта температурных шкал принимают одну из реперных точек.

Так можно определить эмпирическую (условную) температурную шкалу по любому термометрическому свойству х. Если принять, что связь между х и температурой t линейна, то температура t^x= n (x_t - х₀) / (x_n - x₀), где x_t, x₀ и x_n — числовые значения свойства х при температуре t  в начальной и конечной точках основного интервала, (x_n - x₀) / n — размер градуса, п — число делений основного интервала.

Температурная шкала представляет собой, таким образом, систему последовательных значений температуры, связанных линейно со значениями измеряемой физической величины (эта величина должна быть однозначной и монотонной функцией температуры).

В общем случае температурные шкалы могут различаться по термометрическому свойству (им может быть тепловое расширение тел, изменение электрического сопротивления проводников с температурой и т. п.), по термометрическому веществу (газ, жидкость, твёрдое тело), а также зависеть от реперных точек.

В простейшем случае температурные шкалы различаются числовыми значениями, принятыми для одинаковых реперных точек. Так, в шкалах Цельсия (°С), Реомюра (°R) и Фаренгейта (°F) точкам таяния льда и кипения воды при нормальном давлении приписаны разные значения температуры.

Соотношение для пересчёта температуры из одной шкалы в другую:

n °C = 0,8n°R = (1,8n+32) °F.

В температурной шкале Цельсия за начало отсчёта принята температура затвердевания воды (таяния льда), а интервал между температурами таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении (101325 паскалей или 760 мм рт. ст.) разделён на 100 равных частей (n = 100). Название данная шкала получила в честь предложившего её (в 1742) шведского учёного А. Цельсия (A. Celsius, 1701—44). Температура по шкале Цельсия выражается в градусах Цельсия (°С), при этом температура таяния льда принимается равной 0°С, кипения воды 100°С.

Практическая температурная шкала Реомюра, предложена в 1730 Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр. Единица шкалы Реомюра — градус Реомюра (°R). 1 °R равен ¹/₈₀ части температурного интервала между опорными точками: таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R), т. е. 1 °R = 1,25 °С. В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

В температурной шкале Фаренгейта опорными точками являются температура таяния смеси снега и нашатыря (0 град.F) и нормальная температура человеческого тела (100 град.F), а
величина градуса в шкале термометра определяется как сотая часть интервала между опорными точками. таким образом, температурный интервал между точками таяния льда и кипения воды (при нормальном атмосферном давлении) разделён на 180 частей – градусов Фаренгейта (°F), причём точке таяния льда присвоено значение 32° F, а точке кипения воды 212°F. Данная шкала предложена в 1724 нем. физиком Д. Г. Фаренгейтом (D. G. Fahrenheit, 1686–1736); традиционно применяется в ряде стран (в частности, в США).

Непосредственный пересчёт для температурных шкал, различающихся основными температурами, без дополнительных экспериментальных данных невозможен. Температурные шкалы, различающиеся по термометрическому свойству или веществу, существенно различны. Возможно неограниченное число не совпадающих друг с другом эмпирических температурных шкал, так как все термометрические свойства связаны с температурой нелинейно и степень нелинейности различна для разных свойств, и вещественную температуру, измеренную по эмпирической температурной шкале, называют условной ("ртутная", "платиновая" температура и т. д.), её единицу — условным градусом.

Среди эмпирических температурных шкал особое место занимают газовые шкалы, в которых термометрическим веществом служат газы ("азотная", "водородная", "гелиевая" температурные шкалы). Эти температурные шкалы меньше других зависят от применяемого газа и могут быть (введением поправок) приведены к теоретической газовой температурной шкале Авогадро, справедливой для идеального газа.

Абсолютной эмпирической температурной шкалой называют шкалу, абсолютный нуль которой соответствует температуре, при которой численное значение физического свойства х = 0 (например, в газовой температурной шкале Авогадро абсолютный нуль температуры соответствует нулевому давлению идеального газа). температуры t ^(x)(по эмпирической температурной шкале) и Т ^(Х) (по абсолютной эмпирической температурной шкале) связаны соотношением T ^(X)=t ^(x)+T₀^(x), где T₀^(x — абсолютный нуль эмпирической температурной шкалы (введение абсолютного нуля является экстраполяцией и не предполагает его реализации).

Принципиальный недостаток эмпирических температурных шкал — их зависимость от термометрического вещества — отсутствует у термодинамической температурной шкалы, основанной на втором начале термодинамики. При определении абсолютной термодинамической температурной шкалы (шкала Кельвина) исходят из цикла Карно. Если в цикле Карно тело, совершающее цикл, поглощает теплоту Q₁ при температуре T₁ и отдаёт теплоту Q₂ при температуре Т₂, то отношение T₁ / T₂ = Q₁ / Q₂ не зависит от свойств рабочего тела и позволяет по доступным для измерений величинам Q₁ и Q₂ определять абсолютную температуру. Вначале основной интервал этой шкалы был задан точками таяния льда и кипения воды при атмосферном давлении, единица абсолютной температуры соответствовала части основного интервала, за начало отсчёта была принята точка таяния льда. В 1954 Х Генеральная конференция по мерам и весам установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой — тройной точкой воды, температура которой принята 273,16 К (точно), что соответствует 0,01 °С. температура Т в абсолютной термодинамической температурной шкале измеряется в кельвинах (К). Термодинамическая температурная шкала, в которой для точки таяния льда принята температура t = 0 °С, называется стоградусной.

Единица термодинамической температуры, равная части термодинамической температуры тройной точки воды; обозначается К. Названа по имени У. Томсона (Кельвина). До 1968 именовалась градус Кельвина (° К). По размеру К. равен градусу Цельсия (°С). 

Соотношения между температурами, выраженными в шкале Цельсия и абсолютной термодинамической температурной шкалой:

TK = t °C + 273,15K, nK= n °C.

В США и некоторых других странах, где принято измерять температуру по шкале Фаренгейта, применяют также абсолютную температурную шкалу Ранкина (названа по имени шотландского физика Уильяма Ранкина (1820—1872)). Градус по этой шкале равен градусу по шкале Фаренгейта.  Шкала Ранкина начинается при температуре абсолютного нуля, точка замерзания воды соответствует 491,67°Ra, точка кипения воды 671,67°Ra.

Градусы Фаренгейта переводятся в градусы Ранкина по формуле °Ra = °F + 459,67.

Соотношение между кельвином и градусом Ранкина: nK = 1,8n °Ra.

Любая эмпирическая температурная шкала приводится к термодинамической температурной шкале введением поправок, учитывающих характер связи термометрического свойства с термодинамической температурой. Термодинамическая температурная шкала осуществляется не непосредственно (проведением цикла Карно с термометрическим веществом), а с помощью других процессов, связанных с термодинамической температурой. В широком интервале температур (примерно от точки кипения гелия до точки затвердевания золота) термодинамические температурные шкалы  совпадают с температурной шкалой Авогадро, так что термодинамическую температуру определяют по газовой, которую измеряют газовым термометром. При более низких температурах термодинамическая температурная шкала осуществляется по температурной зависимости магнитной восприимчивости парамагнетиков, при более высоких — по измерениям интенсивности излучения абсолютно чёрного тела. Осуществить термодинамическую температурную шкалу даже с помощью температурной шкалы Авогадро очень сложно, поэтому в 1927 была принята Международная практическая температурная шкала (МПТШ), которая совпадает с термодинамической температурной шкалой с той степенью точности, которая экспериментально достижима. Все приборы для измерения температуры градуированы в МПТШ.

Информация о различных температурных шкалах приведена на следующих сайтах:

- slovari.yandex.ru - здесь можно прочитать статью БЭС, посвященную температурным шкалам.

- sainfo.ru - здесь можно прочитать о различные температурных шкалах.

- ru.wikipedia.org - здесь можно ознакомиться со сравнительной таблицей температурных шкал.

- termopribor.ru - здесь можно узнать о четырёх температурных шкалах (Кельвина, Цельсия, Фаренгейта, Реомюра).

Узнать соотношение различных основных температурных шкал можно на следующем сайте:

- 2mb.ru - конвертор 8-и температурных шкал.