Содержание страницы
- 1. Исторический экскурс: от теплорода к современной термометрии
- 2. Основные температурные шкалы: стандарты и применение
- 3. Метрологическое обеспечение и международные стандарты
- 4. Калькулятор и формулы для конвертации температур
- 5. Таблица перевода шкал температуры между градусами Цельсия, градусами Фаренгейта и кельвинами
- 6. Принципы и методы измерения температуры (Термометрия)
- 7. Погрешность и неопределенность в термометрии
- 8. Расширенные концепции температуры
- 9. Значение температуры в науке и технологиях
- 10. Экстремальные температуры, достигнутые человеком
- Заключение
Введение в понятие температуры открывает двери в глубины термодинамики и физической химии. Температура (от лат. temperatura — надлежащее смешение, правильное соотношение) – это фундаментальная скалярная физическая величина, которая является ключевым показателем термодинамической системы. В состоянии теплового равновесия она количественно определяет степень нагретости тела и служит индикатором направления самопроизвольного теплообмена. Проще говоря, сведения о температурах двух тел позволяют нам однозначно предсказать направление перехода тепловой энергии – она всегда будет передаваться от более нагретого тела к менее нагретому до тех пор, пока их температуры не выровняются.
В основе современного понимания температуры лежит молекулярно-кинетическая теория, согласно которой температура прямо пропорциональна средней кинетической энергии хаотического поступательного движения частиц вещества (атомов, молекул). Чем выше скорость движения этих частиц, тем выше температура тела.
1. Исторический экскурс: от теплорода к современной термометрии
Понятие «температура» возникло в эпоху, когда доминировала теория теплорода — гипотетической невесомой жидкости, якобы содержащейся в телах и определяющей их нагретость. Считалось, что в более горячих телах концентрация теплорода выше. Соответственно, температура воспринималась как «крепость» или «концентрация» смеси материального вещества тела и этого самого теплорода. Этот исторический контекст объясняет любопытный лингвистический факт: единицы измерения крепости спиртных напитков (например, в англоязычных странах) и температуры исторически называются одинаково – градусами.
Крах теории теплорода начался с работ графа Румфорда и Гемфри Дэви в конце XVIII века, которые показали, что теплоту можно получать в неограниченных количествах за счет механической работы (трения), что противоречило идее сохранения теплорода. Окончательно этот подход был опровергнут в середине XIX века благодаря работам Джеймса Джоуля, установившего механический эквивалент теплоты и заложившего основы закона сохранения энергии.
2. Основные температурные шкалы: стандарты и применение
Для количественного измерения температуры были разработаны различные шкалы, основанные на реперных точках — воспроизводимых физических явлениях, таких как замерзание и кипение воды. Наибольшее распространение в мире получили три основные шкалы.
Рис. 1. Визуальное сравнение ключевых температурных шкал.
2.1. Температурная шкала Цельсия (Anders Celsius)
Обозначение: °C.
Предложена шведским ученым Андерсом Цельсием в 1742 году. Эта шкала является основной в большинстве стран мира для бытовых, медицинских и метеорологических измерений. Изначально за 0° была принята точка кипения воды, а за 100° — точка замерзания. Позже Карл Линней «перевернул» шкалу до привычного нам вида. Согласно действующему в Российской Федерации ГОСТ 8.417-2002 «Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин», градус Цельсия (°C) является производной единицей СИ, и его значение строго привязано к термодинамической шкале Кельвина.
2.2. Температурная шкала Фаренгейта (Daniel Gabriel Fahrenheit)
Обозначение: °F.
Предложена немецким физиком Даниелем Габриелем Фаренгейтом в 1724 году. Эта шкала исторически была популярна в англоязычных странах и до сих пор является основной для бытовых измерений в США. За 0°F Фаренгейт принял температуру замерзания смеси воды, льда и нашатыря, а за 96°F — нормальную температуру человеческого тела. В этой шкале температура замерзания воды составляет 32°F, а кипения — 212°F.
2.3. Термодинамическая шкала Кельвина (1st Baron Kelvin)
Обозначение: K.
Предложена Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) в 1848 году. Это абсолютная термодинамическая шкала, используемая в научных исследованиях по всему миру. Её отправной точкой является абсолютный ноль (0 К) — минимально возможный предел температуры, при котором тепловое движение молекул прекращается (согласно классической физике). Важно отметить, что согласно тому же ГОСТ 8.417-2002, именно кельвин (К) является основной единицей измерения термодинамической температуры в Международной системе единиц (СИ). До 1968 года единица называлась «градус Кельвина (°K)», но затем Генеральная конференция по мерам и весам постановила называть её просто «кельвин» (К).
3. Метрологическое обеспечение и международные стандарты
Трудно переоценить значение такого параметра состояния системы, как температура, в химии, физической химии и химической технологии. Температурные измерения проводятся повсеместно, как практически во всех технологических процессах, так и в лабораторной практике. При этом всё большую роль играет повышение точности таких измерений, что диктует важность их метрологического обеспечения.
Всё это обусловило возникновение и развитие термометрии, как единого комплекса средств измерения температуры и их поверочных схем, основанных на международных температурных шкалах. Эти шкалы прошли долгий, более чем полуторастолетний, путь развития. После принятия первой полноценной шкалы в 1927 году (МТШ-27), она ещё трижды кардинально менялась (МПТШ-48, МПТШ-68). На сегодняшний день действует Международная температурная шкала 1990 года (МТШ-90).
Каждый раз это сопровождалось большой предварительной научной работой теоретического и экспериментального характера и кропотливой организационной работой международного уровня. В Российской Федерации единство и точность измерений температуры регулируется ГОСТ Р 8.558-2009 «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений температуры». Этот стандарт устанавливает эталоны и процедуры поверки, гарантируя, что показания термометра на заводе в Калининграде будут сопоставимы с показаниями прибора в научной лаборатории во Владивостоке.
4. Калькулятор и формулы для конвертации температур
️ Конвертер Температур
Для пересчета значений между основными шкалами используются следующие математические формулы.
4.1. Перевод из градусов Цельсия (°C)
- В градусы Фаренгейта (°F): °F = (°C × 9/5) + 32
- В кельвины (K): K = °C + 273,15
4.2. Перевод из градусов Фаренгейта (°F)
- В градусы Цельсия (°C): °C = (°F — 32) × 5/9
- В кельвины (K): K = (°F — 32) × 5/9 + 273,15
4.3. Перевод из кельвинов (K)
- В градусы Цельсия (°C): °C = K — 273,15
- В градусы Фаренгейта (°F): °F = (K — 273,15) × 9/5 + 32
5. Таблица перевода шкал температуры между градусами Цельсия, градусами Фаренгейта и кельвинами
| °C | °F | K | °C | °F | K | °C | °F | K |
| –273,15 | –459,67 | 0,00 | 380 | 716 | 653,15 | 910 | 1670 | 1183,15 |
| –270 | –454 | 3,15 | 390 | 734 | 663,15 | 920 | 1688 | 1193,15 |
| –200 | –328 | 73,15 | 400 | 752 | 673,15 | 930 | 1706 | 1203,15 |
| –150 | –238 | 123,15 | 410 | 770 | 683,15 | 940 | 1724 | 1213,15 |
| –100 | –148 | 173,15 | 420 | 788 | 693,15 | 950 | 1742 | 1223,15 |
| –90 | –130 | 183,15 | 430 | 806 | 703,15 | 960 | 1760 | 1233,15 |
| –80 | –112 | 193,15 | 440 | 824 | 713,15 | 970 | 1778 | 1243,15 |
| –70 | –94 | 203,15 | 450 | 842 | 723,15 | 980 | 1796 | 1253,15 |
| –60 | –76 | 213,15 | 460 | 860 | 733,15 | 990 | 1814 | 1263,15 |
| –50 | –58 | 223,15 | 470 | 878 | 743,15 | 1000 | 1832 | 1273,15 |
| –40 | –40 | 233,15 | 480 | 896 | 753,15 | 1010 | 1850 | 1283,15 |
| –30 | –22 | 243,15 | 490 | 914 | 763,15 | 1020 | 1868 | 1293,15 |
| –20 | –4 | 253,15 | 500 | 932 | 773,15 | 1030 | 1886 | 1303,15 |
| –17,78 | 0 | 255,37 | 510 | 950 | 783,15 | 1040 | 1904 | 1313,15 |
| –10 | 14 | 263,15 | 520 | 968 | 793,15 | 1050 | 1922 | 1323,15 |
| 0 | 32 | 273,15 | 530 | 986 | 803,15 | 1060 | 1940 | 1333,15 |
| 10 | 50 | 283,15 | 540 | 1004 | 813,15 | 1070 | 1958 | 1343,15 |
| 20 | 68 | 293,15 | 550 | 1022 | 823,15 | 1080 | 1976 | 1353,15 |
| 30 | 86 | 303,15 | 560 | 1040 | 833,15 | 1090 | 1994 | 1363,15 |
| 40 | 104 | 313,15 | 570 | 1058 | 843,15 | 1100 | 2012 | 1373,15 |
| 50 | 122 | 323,15 | 580 | 1076 | 853,15 | 1110 | 2030 | 1383,15 |
| 60 | 140 | 333,15 | 590 | 1094 | 863,15 | 1120 | 2048 | 1393,15 |
| 70 | 158 | 343,15 | 600 | 1112 | 873,15 | 1130 | 2066 | 1403,15 |
| 80 | 176 | 353,15 | 610 | 1130 | 883,15 | 1140 | 2084 | 1413,15 |
| 90 | 194 | 363,15 | 620 | 1148 | 893,15 | 1150 | 2102 | 1423,15 |
| 100 | 212 | 373,15 | 630 | 1166 | 903,15 | 1160 | 2120 | 1433,15 |
| 110 | 230 | 383,15 | 640 | 1184 | 913,15 | 1170 | 2138 | 1443,15 |
| 120 | 248 | 393,15 | 650 | 1202 | 923,15 | 1180 | 2156 | 1453,15 |
| 130 | 266 | 403,15 | 660 | 1220 | 933,15 | 1190 | 2174 | 1463,15 |
| 140 | 284 | 413,15 | 670 | 1238 | 943,15 | 1200 | 2192 | 1473,15 |
| 150 | 302 | 423,15 | 680 | 1256 | 953,15 | 1210 | 2210 | 1483,15 |
| 160 | 320 | 433,15 | 690 | 1274 | 963,15 | 1220 | 2228 | 1493,15 |
| 170 | 338 | 443,15 | 700 | 1292 | 973,15 | 1230 | 2246 | 1503,15 |
| 180 | 356 | 453,15 | 710 | 1310 | 983,15 | 1240 | 2264 | 1513,15 |
| 190 | 374 | 463,15 | 720 | 1328 | 993,15 | 1250 | 2282 | 1523,15 |
| 200 | 392 | 473,15 | 730 | 1346 | 1003,15 | 1260 | 2300 | 1533,15 |
| 210 | 410 | 483,15 | 740 | 1364 | 1013,15 | 1270 | 2318 | 1543,15 |
| 220 | 428 | 493,15 | 750 | 1382 | 1023,15 | 1280 | 2336 | 1553,15 |
| 230 | 446 | 503,15 | 760 | 1400 | 1033,15 | 1290 | 2354 | 1563,15 |
| 240 | 464 | 513,15 | 770 | 1418 | 1043,15 | 1300 | 2372 | 1573,15 |
| 250 | 482 | 523,15 | 780 | 1436 | 1053,15 | 1310 | 2390 | 1583,15 |
| 260 | 500 | 533,15 | 790 | 1454 | 1063,15 | 1320 | 2408 | 1593,15 |
| 270 | 518 | 543,15 | 800 | 1472 | 1073,15 | 1330 | 2426 | 1603,15 |
| 280 | 536 | 553,15 | 810 | 1490 | 1083,15 | 1340 | 2444 | 1613,15 |
| 290 | 554 | 563,15 | 820 | 1508 | 1093,15 | 1350 | 2462 | 1623,15 |
| 300 | 572 | 573,15 | 830 | 1526 | 1103,15 | 1360 | 2480 | 1633,15 |
| 310 | 590 | 583,15 | 840 | 1544 | 1113,15 | 1370 | 2498 | 1643,15 |
| 320 | 608 | 593,15 | 850 | 1562 | 1123,15 | 1380 | 2516 | 1653,15 |
| 330 | 626 | 603,15 | 860 | 1580 | 1133,15 | 1390 | 2234 | 1663,15 |
| 340 | 644 | 613,15 | 870 | 1598 | 1143,15 | 1400 | 2552 | 1673,15 |
| 350 | 662 | 623,15 | 880 | 1616 | 1153,15 | 1500 | 2732 | 1773,15 |
| 360 | 680 | 633,15 | 890 | 1634 | 1163,15 | 2000 | 3632 | 2273,15 |
| 370 | 698 | 643,15 | 900 | 1652 | 1173,15 | 2500 | 4532 | 2773,15 |
6. Принципы и методы измерения температуры (Термометрия)
Выбор метода измерения температуры зависит от диапазона, требуемой точности, условий эксплуатации и самого объекта измерения. Все методы можно разделить на две большие группы.
6.1. Контактные методы
Эти методы требуют непосредственного физического контакта датчика с измеряемой средой.
- Термометры расширения: Самый известный тип — жидкостные (спиртовые, ртутные) и биметаллические термометры. Их принцип действия основан на свойстве материалов равномерно расширяться при нагревании.
- Термоэлектрические термометры (термопары): Основаны на эффекте Зеебека — возникновении ЭДС в замкнутой цепи из двух разнородных проводников, контакты которых находятся при разных температурах. Это наиболее распространённые датчики в промышленности для температур от –200 °C до +2500 °C.
- Термометры сопротивления (RTD): Используют свойство металлов (чаще всего платины) изменять своё электрическое сопротивление в зависимости от температуры. Платиновые термометры, такие как Pt100, являются международным стандартом точности в диапазоне от –260 °C до +962 °C благодаря своей высокой стабильности.
- Полупроводниковые термометры (термисторы): Обладают очень высокой чувствительностью, но работают в более узком диапазоне температур. Широко применяются в электронике и бытовой технике.
6.2. Бесконтактные методы
Используются для измерения температуры без прямого контакта, что необходимо для раскаленных, движущихся или агрессивных объектов.
- Пирометры (инфракрасные термометры): Регистрируют мощность теплового (инфракрасного) излучения объекта. Их работа основана на законах Планка и Стефана-Больцмана. Современные пирометры позволяют мгновенно измерять температуру на расстоянии.
7. Погрешность и неопределенность в термометрии
В экспертной практике важно понимать, что любое измерение не является абсолютным. Ключевыми понятиями здесь выступают погрешность и неопределенность.
- Погрешность — это разница между измеренным и истинным (или эталонным) значением величины.
- Неопределенность — это параметр, характеризующий диапазон значений, в котором, с определённой вероятностью, находится истинное значение.
Источниками отклонений могут быть как сам прибор (инструментальная погрешность), так и метод измерения или внешние условия. Для минимизации этих факторов и обеспечения достоверности результатов все средства измерений должны проходить регулярную калибровку (сравнение с более точным эталоном) и поверку (официальное подтверждение соответствия метрологическим нормам). Эти процедуры строго регламентированы государственными стандартами, в первую очередь — ГОСТ Р 8.558-2009 «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений температуры».
8. Расширенные концепции температуры
Помимо классического определения, в современной физике существуют и более сложные, специфические трактовки температуры.
- Отрицательная абсолютная температура: Этот парадоксальный на первый взгляд термин из квантовой механики описывает состояние системы (например, спинов в кристалле), в которой большинство частиц находится на верхних, а не на нижних энергетических уровнях. Такая система не холоднее абсолютного нуля, а, наоборот, «бесконечно горячая», так как при контакте она всегда отдает энергию любой системе с положительной температурой.
- Цветовая температура: Характеристика интенсивности излучения источника света, измеряемая в кельвинах. Она описывает цвет света, который излучает абсолютно черное тело, нагретое до данной температуры. Так, «теплый» желтоватый свет свечи имеет низкую цветовую температуру (~1900 K), а «холодный» голубоватый дневной свет — высокую (~6500 K). Понятие ключевое для фотографии, дизайна и полиграфии.
- Эффективная температура: Используется в астрофизике для характеристики звезды. Это температура абсолютно черного тела, которое имело бы такие же размеры и излучало бы столько же энергии, сколько данная звезда.
9. Значение температуры в науке и технологиях
Под температурой в современной науке понимается введенная произвольно физическая величина, определяющая множество процессов и состояний:
- Законы идеального газа: Давление, объем и температура идеального газа связаны простыми соотношениями (законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля), которые объединяются в уравнение состояния идеального газа.
- Термодинамика: Температура является ключевым параметром в определении коэффициента полезного действия (КПД) тепловых двигателей, например, в идеальном термодинамическом цикле Карно.
- Статистическая физика: Температура определяет среднюю кинетическую энергию хаотического (теплового) движения молекул, что позволяет связать макроскопические свойства системы с поведением её микроскопических составляющих.
- Квантовая физика и астрофизика: Мощность и спектр излучения абсолютно черного тела (законы Стефана-Больцмана и Планка) напрямую зависят от его температуры. Это позволяет, например, определять температуру далеких звезд.
- Атомная физика: Температура определяет распределение атомов по уровням энергии (распределение Больцмана), что критически важно для лазерной техники и спектроскопии.
В химии и химической технологии влияние температуры тотально. Она воздействует на подавляющее большинство свойств систем: концентрацию насыщенных растворов, вязкость жидкостей, давление газов, плотность, растворимость, тепловые эффекты реакций, теплоёмкости, термодинамические функции, электропроводность электролитов, электродные потенциалы и многое другое. Наиболее яркий пример — экспоненциальная зависимость скорости химических реакций от температуры, описываемая уравнением Аррениуса. Именно поэтому управление температурным режимом — основа большинства химических производств.
Температура также определяет фазовые и химические равновесия, фазовые переходы (плавление, кипение, конденсация), что используется повсеместно в металлургии, биологии, медицине, сельском хозяйстве, пищевой промышленности и других отраслях.
10. Экстремальные температуры, достигнутые человеком
Научные исследования постоянно раздвигают границы температурного диапазона:
- Самая высокая температура: Рекорд был установлен в 2010 году на Большом адронном коллайдере. При столкновении ионов свинца, ускоренных до околосветовых скоростей, была достигнута температура ~10 триллионов кельвинов. Это состояние, известное как кварк-глюонная плазма, имитирует условия Вселенной в первые микросекунды её существования.
- Самая низкая температура: В 1995 году Эрик Корнелл и Карл Виман из США, охлаждая атомы рубидия с помощью лазеров и магнитного поля, получили температуру всего 5.9·10-12 K (5,9 пикокельвина). При таких сверхнизких температурах вещество переходит в экзотическое состояние, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна, где квантовые эффекты проявляются на макроскопическом уровне.
Заключение
Температура — это строгая научная величина, лежащая в основе нашего понимания энергии, материи и процессов, происходящих во Вселенной. От управления скоростью химических реакций на производстве до анализа света далеких звезд, точное измерение и контроль температуры являются краеугольным камнем современной науки и технологий. Стандартизация шкал (МТШ-90) и наличие государственных систем обеспечения единства измерений (ГОСТ) позволяют инженерам и ученым по всему миру говорить на одном языке, обеспечивая сопоставимость результатов и технологический прогресс.
Регулярно публикую материалы о передовых методах обработки и сварки материалов, а также освещаю новинки в сфере производства,материаловедения, строительства и др.