Содержание

Измерение температуры

В 1665 году голландский физик Христиан Гюйгенс вместе с английским физиком Робертом Гуком впервые предложили использовать в качестве отсчётных точек температурной шкалы точки таяния льда и кипения воды.

Терминология

В рамках Международной системы единиц (СИ) проводится различие между величиной «термодинамическая температура», выражаемой в кельвинах, и той величиной, которая выражается в градусах Цельсия. Основные международные и российские документы, содержащие описание единиц СИ и регламентирующие их использование, называют градус Цельсия не единицей температуры, а единицей температуры Цельсия (фр. tempйrature Celsius, англ. Celsius temperature). Этот термин используется в Брошюре СИ (фр. Brochure SI, англ. The SI Brochure), опубликованной Международным бюро мер и весов (МБМВ) и содержащей полное официальное описание СИ вместе с её толкованием. Он применяется в

ГОСТ 8.417-2002 «Единицы физических величин»

и в «Положении о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации», утверждённом Правительством РФ. В свою очередь температуру Цельсия (обозначение t) Брошюра СИ и

ГОСТ 8.417-2002

определяют выражением t = T — T0, где T — термодинамическая температура, выражаемая в кельвинах, а T0 = 273,15 К.

В соответствии со сказанным градус Цельсия относится к производным единицам СИ, имеющим специальные наименования и обозначения.

История

В 1665 году голландский физик Христиан Гюйгенс вместе с английским физиком Робертом Гуком впервые предложили использовать в качестве отсчётных точек температурной шкалы точки таяния льда и кипения воды.

Ангел, держащий термометр со старой шкалой Цельсия. Фрагмент фронтисписа книги К. Линнея Hortus Cliffortianus, 1738

В 1742 году шведский астроном, геолог и метеоролог Андерс Цельсий (1701–1744) на основе этой идеи разработал новую температурную шкалу. Первоначально в ней за ноль была принята точка кипения воды, а за 100 °C — температура замерзания воды (точка плавления льда). Позже, уже после смерти Цельсия, его современники и соотечественники ботаник Карл Линней и астроном Мортен Штремер использовали эту шкалу в перевёрнутом виде (за 0 °C стали принимать температуру таяния льда, а за 100 °C — кипения воды). В таком виде шкала и используется до нашего времени.

По одним сведениям, Цельсий сам перевернул свою шкалу по совету Штремера[10]. По другим сведениям, шкалу перевернул Карл Линней в 1745 году. А по третьим — шкалу перевернул преемник Цельсия Мортен Штремер, и в XVIII веке такой термометр был широко распространён под названием «шведский термометр», а в самой Швеции — под именем Штремера, но известнейший шведский химик Йёнс Якоб Берце́лиус в своём труде «Руководство по химии» назвал шкалу «Цельсиевой» и с тех пор стоградусная шкала стала носить имя Андерса Цельсия[8]. Однако чаще шкалу именовали просто

стоградусной шкалой (англ. и фр. centigrade). Официально наименование градус Цельсия принято на IX Генеральной конференции по мерам и весам в 1948 году.
Цельсий в своей работе «Наблюдения двух фиксированных положений на термометре» (швед. Observationer om twдnne bestдndiga grader pе en thermometer) рассказал о своих экспериментах, показывающих, что температура таяния льда (0 °C) не зависит от давления. Он также определил с удивительной точностью, как температура кипения воды варьировалась в зависимости от атмосферного давления. Он предположил, что отметку 100 °C (точку кипения воды) можно откалибровать, зная, на каком уровне относительно поверхности моря находится термометр.
Шкала Цельсия линейна в интервале от 0 до 100 °C и также линейно продолжается в области ниже 0 °C и выше 100 °C. Линейность является основной проблемой при точных измерениях температуры. Достаточно упомянуть, что классический термометр, заполненный водой, невозможно разметить для температур ниже 4 °C, так как в этом диапазоне вода начинает снова расширяться при охлаждении.

Температура

Температу́ра (от лат. temperatura — надлежащее смешение, нормальное состояние) — скалярная физическая величина, характеризующая термодинамическую систему и количественно выражающая интуитивное понятие о различной степени нагретости тел.

Живые существа способны воспринимать ощущения тепла и холода непосредственно, с помощью органов чувств. Однако точное определение температуры требует, чтобы температура измерялась объективно, с помощью приборов. Такие приборы называются термометрами и измеряют так называемую эмпирическую температуру. В эмпирической шкале температур устанавливаются одни реперные точки и число делений между ними — так были введены используемые ныне шкалы Цельсия, Фаренгейта и другие. Измеряемая в кельвинах абсолютная температура вводится по одной реперной точке[1] с учётом того, что в природе существует минимальное предельное значение температуры — абсолютный нуль. Верхнее значение температуры ограничено планковской температурой.

Если система находится в тепловом равновесии, то температура всех её частей одинакова. В противном случае в системе происходит передача энергии от более нагретых частей системы к менее нагретым, приводящая к выравниванию температур в системе, и говорят о распределении температуры в системе или скалярном поле температур. В термодинамике температура — интенсивная термодинамическая величина.

Наряду с термодинамическим, в других разделах физики могут вводиться и другие определения температуры. В молекулярно-кинетической теории показывается, что температура пропорциональна средней кинетической энергии частиц системы. Температура определяет распределение частиц системы по уровням энергии (Статистика Максвелла — Больцмана), распределение частиц по скоростям (Распределение Максвелла), степень ионизации вещества (Уравнение Саха), спектральную плотность излучения (Формула Планка), полную объёмную плотность излучения (Закон Стефана — Больцмана) и т. д. Температуру, входящую в качестве параметра в распределение Больцмана, часто называют температурой возбуждения, в распределение Максвелла — кинетической температурой, в формулу Саха — ионизационной температурой, в закон Стефана — Больцмана — радиационной температурой. Для системы, находящейся в термодинамическом равновесии, все эти параметры равны друг другу, и их называют просто температурой системы.
В Международной системе величин (англ. International System of Quantities, ISQ) термодинамическая температура выбрана в качестве одной из семи основных физических величин системы. В Международной системе единиц (СИ), основанной на Международной системе величин, единица этой температуры — кельвин — является одной из семи основных единиц СИ. В системе СИ и на практике используется также температура Цельсия, её единицей является градус Цельсия (°С), по размеру равный кельвину. Это удобно, так как большинство климатических процессов на Земле и процессов в живой природе связаны с диапазоном от −50 до +50 °С.

Некоторые основные температуры

На практике для измерения температуры также используют

Самым точным практическим термометром является платиновый термометр сопротивления. Разработаны новейшие методы измерения температуры, основанные на измерении параметров лазерного излучения.