Эталон единицы силы электрического тока

Серьезные задачи стоят перед метрологами в области совершен­ствования эталонов электрических единиц. Измерения электричес­ких величин начались с изучения статического электричества и по­строения электростатических генераторов. Электростатический принцип (притяжение между разноименно заряженными электро­дами) лежит в основе ряда приборов, измеряющих большие значе­ния постоянных напряжений. Например, электростатический гене­ратор Ван-де-Граафа служил для придания электронам или прото­нам энергий в несколько миллионов электрон-вольт.

Электромагнитные явления наука открыла лишь к концу XVIII в. (закон Кулона — 1785 г.; гальваническая батарея Вольта («вольтов столб») — 1799 г.; закон Ампера — 1820 г.; закон Ома — 1826 г.; за­кон электромагнитной индукции Фарадея — 1831 г.). Первые еди­ницы электрических величин появились в 30—40-х годах XIX столе­тия. Многие ученые пользовались своими собственными единица­ми. Например, в 1848 г. Б.С. Якоби изготовил в качестве эталона единицы сопротивления медную проволоку длиной 25 футов и ве­сом 345 гран (около 0,635 Ом). Для измерения напряжения приме­няли даниель и бунзен — единицы, равные электродвижущей силе (ЭДС) соответствующих гальванических элементов. В 1860 г. немец­кий электротехник и предприниматель Вернер Сименс впервые в мире создал высокостабильный ртутный эталон единицы электри­ческого сопротивления — стеклянную трубку определенной длины и сечения, заполненную ртутью. Появилась еще одна единица — си­менс.

В 1861 г. Британская ассоциация развития науки назначила спе­циальную комиссию по электрическим единицам, в состав которой вошли видные ученые мира — У. Томсон (лорд Кельвин), Д. Макс­велл, В. Сименс и др. В основу своей деятельности комиссия поло­жила абсолютную систему (СГСМ), но поскольку ее единицы ока­зались слишком велики или слишком малы для практики, она (ко­миссия) установила практические единицы, образованные путем умножения единиц СГСМ на 10 в соответствующей положительной или отрицательной степени. В 1863 г. комиссия приняла практичес­кие единицы — ом (10⁹ единиц СГСМ) и вольт (10⁸ единиц СГСМ), а в 1867 г. - фарад (Ю^-9 единиц СГСМ). С этого времени электри­ки всего мира обрели общий язык. Официальное принятие этих практических единиц многими странами, в том числе и Россией, связано с I Международным конгрессом электриков 1881 г. На кон­грессе было принято решение об организации Комиссии единиц, в которую вошли А.Г. Столетов (от России), Г. Гельмгольц, В. Том- сон, Дж.У. Рэлей, Г.Р. Кирхгоф, К. Клазиус, Р. Беккерель и др. По предложению А. Г. Столетова было принято постановление о элек­трических единицах (названных абсолютными практическими), где для электрических измерений принимаются основные единицы СГС — сантиметр, грамм-масса, секунда.

В 1884 г. Международная конференция электриков (МКЭ) при­няла новое решение, установив, что ампер равен 0,1 единицы

СГСМ, и приняв его в качестве основной единицы наряду с омом. При изготовлении эталонов для абсолютных практических электри­ческих единиц возникли многочисленные трудности, поэтому в 1893 г. МКЭ ввела новые практические электрические единицы, которые получили название международных и просуществовали до 1948 г. В 1908 г. на лондонской Международной конференции по электри­ческим единицам и эталонам за ампер был принят ток, при прохож­дении которого через раствор азотнокислого серебра выделяется 0,00118 г серебра за 1 с. Омом принято считать сопротивление столба ртути высотой 106,3 см и массой 14,4521 г. Это были первые опре­деления ампера и ома, которые, по существу, давали и способы их воспроизведения. Особенность этих единиц состояла в том, что они не вытекали из законов электричества и магнетизма и не были свя­заны с механическими единицами, поэтому ватт механический и ватт электрический различались на 0,02%. Повышение точности из­мерений требовало ликвидации этого расхождения. Проблема была решена при введении Международной системы единиц. В этой си­стеме ампер воспроизводится в устройстве, называемом токовыми весами, а ом — набором эталонных катушек сопротивления.

На IX Генеральной конференции по мерам и веса было приня­то следующее определение ампера: «Ампер — сила неизменяющего­ся тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого круглого се­чения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакуу­ме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2 • Ю^-7 Н на каждый метр длины» (рис. 7.10).

В основу определения ампера положен закон Ампера (1820) о взаимодействии токов. Для воспроизведения этой единицы наи­большее распространение получило устройство, называемое токо­выми весами. Весами это устройство названо в силу того, что взаи­модействие двух проводников (в виде соленоидов) уравновешивает­ся гирями.

Установка состоит из весьма точных и чувствительных равно­плечих весов (рис. 7.11). К серьгам коромысла весов подвешены два одинаковых соленоида. Один из них — рабочий, другой служит для создания симметричной нагрузки на коромысло. Рабочий солено­ид помещается внутри неподвижного соленоида. Через эти два со-

2-.10 Н

 

 

ssaealrfflg

«Н^^ЯИИВДЗнИИьйЗ:

Рис. 7.10. К определению ампера как единицы силы тока

А

 

 

 

,. Г'- - — О^г*

Рис. 7.11. Схема устройства токовых весов

леноида пропускается один и тот же ток. В результате взаимодей­ствия соленоидов на подвижный соленоид действует сила, пропор­циональная квадрату силы тока. Эта сила уравновешивается силой тяжести гирь. Сила тока определяется по формуле

/² = mg/F,

где т — масса гирь, уравновешивающих силу взаимодействия; g — ус­корение свободного падения; F— постоянная токовых весов, зави­сящая от геометрических размеров соленоидов, числа витков, шага намотки и других параметров, поддающихся расчету. Относительная погрешность данного метода не превышает б • Ю^-6.

Единицу тока можно определить и с помощью момента силы, действующей на катушку с током. Данная установка имеет прото­тип — так называемые весы Гельмгольца. Как видно из рис. 7.12, ис­пользуется фиксированная катушка 7 длиной около 100 см, диаметром 28 см, в которой монтируются передвижные весы с измерительной катушкой 2. Ось измерительной катушки направлена перпендику­лярно к оси фиксированной катушки. Диаметр измерительной ка­тушки составляет 11,6 см при длине 25 см. В принципе ток, прохо­дящий через фиксированную катушку 1, создает направленное по горизонтали магнитное поле Н₀, в то время как у измерительной катушки имеется магнитный момент. Это вызывает появление мо­мента силы D = М- Н₀, который и подлежит измерению.

Момент силы можно также рассчитать исходя из взаимной ин­дукции. Для этого добиваются того, чтобы токи, текущие через ка­тушки 7 и 2, были равны и постоянны во времени, а при изменении

Рис. 7.12. Установка для «взвешивания» тока

 

направления одного из них на обратное одновременно перемещают разновесы. В этом случае момент силы выражается как

D = _[i₀N_]N₂I²f(d_vd₂,L),

где L — длина катушки 7; d_x — ее диаметр; d₂ — диаметр измеритель­ной катушки (ее длина в выражение для момента силы не входит); N\ = 1000, N₂ = 140 — число витков; р₀ — магнитная проницаемость вакуума.

Относительная погрешность метода не превосходит 8-Ю^-6, что, конечно, несравнимо с точностью измерения времени и длины. Более того, ампер-весы — это уже технический анахронизм, а зна­чение ампера определяется так, как это предложил А. Г. Столетов еще в 1881 г. Поэтому есть определенные надежды, что эталон ам­пера будет усовершенствован.

Эталон единицы температуры

Понятие «температура» возникло из ощущения теплого и холод­ного состояния тела. В основе ощущения этого состояния лежал тот факт, что два соприкасающихся тела по прошествии некоторого времени становятся одинаково теплыми, т. е. принимают одинако­вую температуру.

Слово «температура» в переводе с латинского означает «смесь». 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.

Следует отметить, что прошел довольно длительный период прежде чем на смену субъективным впечатлениям при определении температуры не пришли точные и единые методы измерений. Раз­витие методов измерения температуры стало возможным лишь тог­да, когда были установлены такие свойства тел, которые зависят от температуры (длина, объем и т. д.) и которые можно было измерить объективно.

а) б) Рис. 7.13. Термоскоп Герона Александрийского (а) и термоскоп Галилея (б)

Попытки наглядного представления температурных изменений (охлаждения и нагревания) известны еще с древности. Филон Ви­зантийский (300 г.) и Герон Александрийский (130 г.) использова­ли для этой цели термическое расширение воздуха. На рис. 7.13,(7 изображен эскиз термоскопа Герона. Шаровой сосуд, заполненный водой и воздухом, выставляется под лучи солнца. Воздух расширя­ется и вытесняет воду из сосуда, которая попадает в резервуар и пос­ле охлаждения вновь поднимается по вертикальной трубке в сосуд. Таким образом, вытеснение воды означает нагревание. В 1592 г. Га­лилей вновь использовал этот принцип: в его термоскопе (рис. 7.13,6) по высоте водяного столба можно судить о том, является темпера­тура высокой или низкой. О применении такого прибора для изме­рения температуры воды упомянуто в 1611 г. Несмотря на простоту прибор был очень чувствительным, хотя и реагировал кроме темпе­
ратуры на давление воздуха. Считается, что понятие «температура» ввел Галилей.

В 1636 г. впервые появилось слово «термометр». Так назывался прибор голландца К. Дреббеля — «дреббелев инструмент» — для из­мерения температуры, имевший восемь делений. На основании теп­лового расширения жидкостей в 1657 г. во Флоренции был создан термометр, наполненный спиртом. При этом было замечено, что можно пренебречь малыми температурными изменениями матери­ала термометра, так как газы обладают наибольшим тепловым ко­эффициентом расширения.

Ранее при использовании эмпирических методов понятие «тем­пература» оставалось неясным. Лишь с развитием учения о теплоте в начале ХУГИ в. потребовалось определение этого понятия. В 1662 г. Р. Бойль и в 1676 г. Э. Мариотт независимо друг от друга установи­ли взаимосвязь между давлением и объемом газа при постоянной температуре (закон Бойля—Мариотта: pV= const при Т= const). За­тем французский физик Г. Амонтон обнаружил, что в Париже при наибольшей летней жаре и наибольшем зимнем холоде величины давления газа соотносятся как 6:5. Он предложил определить тем­пературу на основании давления газа внутри заданного объема. Тем самым он пришел к идее абсолютного нуля, т.е. температуры, при которой давление оказывается нулевым (1702).

И. Ньютон в работе «О шкале степеней тепла и холода» (1701) описал 12-градусную шкалу, в которой 0° соответствовал темпера­туре замерзания воды, а 12° — температуре тела здорового человека. Все эти и многие другие термометры были газовыми — при нагре­вании в них расширялся воздух.

Однако идея определения температуры путем измерения давле­ния газа не получила в то время распространения. Вместо газовых стали использоваться жидкостные термометры и подходящие для них температурные шкалы. Было установлено, что определенные процессы в одних и тех же условиях всегда протекают при одинако­вых температурах, например таяние льда или кипение воды при постоянном давлении. Такие состояния вещества, в которых разные фазы при постоянной температуре находятся в равновесии, прини­маются в качестве опорных точек. Их удобно использовать как ка­либровочные точки для температурной шкалы. Температурная шка­ла жидкостного термометра задается следующим образом: отмеча­ется высота столба жидкости в двух опорных точках и полученный промежуток делится определенным образом. Разность между двумя соседними отметками обозначается «град» (или

Первый жидкостный термометр, похожий на современный гра­дусник, был сделан немецким физиком Г. Фаренгейтом. Констру­ируя спиртовые и ртутные термометры более 15 лет, он понял, как добиться их идентичности и большей точности показаний: нужно взять несколько точек с известной температурой, нанести их значе­ния на шкалы и разделить расстояния между ними.

В 1714 г. Фаренгейт ввел для сконструированного им спиртового термометра шкалу, в которой он, следуя идее Реомюра, в качестве опорных точек выбрал температуру таяния льда и температуру че­ловеческой крови. Этот температурный интервал был разделен на 64 части, а нулевая точка помещалась ниже точки таяния льда на рас­стоянии, равном половине этого интервала; в то время это была наиболее низкая из известных (суровая зима 1709 г.) температур, она получалась путем смешивания нашатыря и смеси вода + лед.

Таким образом, температура таяния льда имела значение 32 °F, а температура человеческой крови — значение 96 "F. В дальнейшем Фаренгейт перешел к ртутному термометру и выбрал в качестве верх­ней опорной точки точку кипения воды, для которой, сохраняя пер­воначальную шкалу, было установлено значение 212 °F.

В начале XVIII в. в России были распространены, но продержа­лись недолго термометры петербургского академика Ж. Делиля со 150°-ной шкалой. Их вытеснила температурная шкала, пришедшая из Франции. Во Франции и России употреблялась шкала Реомюра, созданная в 1730 г. Французский натуралист, ученый с широким кругозором, Р.Реомюр построил ее в соответствии с тепловым рас­ширением жидкости. Обнаружив, что при нагревании смесь воды со спиртом между температурами замерзания и кипения воды расши­ряется на 80 тысячных своего объема (современное значение - 0,008), Реомюр разделил этот интервал на 80 градусов. То есть в ка­честве опорных точек им были выбраны точки таяния льда и кипе­ния воды. Точка таяния льда получила значение 0 °R. Свой термо­метр Реомюр наполнил смесью спирт + вода, которая между двумя опорными точками расширяется на 8%. За 1 °R была принята тем­пература, соответствующая расширению жидкости на 1 %о (%о — промилле — тысячная доля). Поэтому температура кипения воды получила значение 80 °R.

Термометры Реомюра использовались без малого два века и только к середине XX в. окончательно уступили место термометрам Цельсия с современной 100°-ной шкалой. Хотя справедливости ради надо сказать, что 100°-ная шкала была предложена за полвека до него. Около 1738 г. К. Линней, создатель научной системы класси­фикации живых организмов, решил отметить температуру замерза­ния воды 0°, а температуру кипения воды — 100°. Термометр с такой шкалой был изображен на титульном листе книги Линнея, издан­ной в 1738 г. Цельсий предложил свою шкалу в 1742 г., т. е. четырь­мя годами позже, причем его шкала была «обратной»: точка кипе­ния воды была принята за 0°, а точка замерзания — за 100°. Исполь­зуемая сегодня шкала Цельсия «перевернута» и введена позднее Штремером.

Принцип работы жидкостных термометров сохранился по сей день: в качестве рабочего вещества используется ртуть или этиловый спирт, а при низких температурах — пентан. Их коэффициент объемного расширения значительно больше, чем у материала, из которого сделан термометр (стекло) (табл. 7.4).

Таблица 7.4 Коэффициент расширения а различных веществ для термометров при 20 °С Вещество а, К"^1 Вещество а, К"^1 Этиловый спирт Пентан ІДО-ІО"^31,58-Ю"^3 Ртуть Стекло 1,82-Ю"^4-4-Ю-^6

 

Незначительное расширение жидкостей между 0 и 100 °С ста­новится заметным, если наблюдать движение столбика жидкости в капилляре, из которого откачали воздух и соединили с (большим) резервуаром, содержащим рабочую жидкость. Поэтому условием высокой точности термометра является неизменный диаметр ка­пилляра. Источником погрешностей служат термические свойства стекла.

К существенным недостаткам жидкостных термометров отно­сится зависимость показаний от рабочего вещества. У термометров с различными жидкостями, прокалиброванных в опорных точках, высота поднятия столбиков жидкостей в капиллярах при одинако­вых температурах различна вследствие разных зависимостей коэф­фициентов расширения от температуры (нелинейность термическо­го расширения). Так, в спиртовом термометре по сравнению с ртут­ным интервал между 0 и 100 °С необходимо делить неравномерно. По этой причине жидкостные термометры не годятся для определе­ния понятия температуры, так как бессмысленно базисную величи­ну делать зависимой от свойств определенного вещества. Количе­ственные методы измерения температуры начали развиваться в XVII столетии; первые попытки унифицировать эти измерения от­носятся к 1887 г., т. е. начались приблизительно через столетие после введения метра в качестве единого эталона длины.

Наряду с этим развивалось само понятие температуры: от субъективных впечатлений (тепло и холодно) до современного по­нимания термодинамической температуры, которая как интегриру­ющий множитель, ведущий к энтропии, играет основополагающую роль. Для нужд термодинамики необходимо было ввести понятие еще одной базисной величины — температуры. Развитие термоди­намики в середине XIX столетия позволило дать новое, не завися­щее от вещества определение температуры.

Карно в 1824 г. теоретически разработал идеальную тепловую машину, которая позволяла преобразовывать тепло, получаемое в процессе обратимых (циклических) изменений состояния рабочего вещества, в механическую работу. Изменение состояния называет­ся циклическим (обратимым), если тепловой процесс может быть пройден в обратном направлении через ту же последовательность состояний системы, причем система по возвращении из конечного состояния в начальное и окружающая среда остаются без изменений.

К концу XVIII в. число различных температурных шкал прибли­зилось к двум десяткам, что было и неудобно, и не нужно. Кроме того, вскоре выяснилось, что даже тщательно проградуированные приборы с разными жидкостями показывают разную температуру. При 50 °С по ртутному термометру спиртовой показывал 43 °С, тер­мометр с оливковым маслом — 49 °С, с чистой водой — 25,6 °С, а с соленой — 45,4 °С. Выход нашел известный английский физик У. Томсон. В 1848 г. он предложил измерять не температуру, а ко­личество тепла, которое в определенном процессе, называемом цик­лом Карно, передается от горячего тела к холодному: оно определя­ется только их температурами и совершенно не зависит от нагрева­емого вещества. В термодинамической, или абсолютной, шкале температур, основанной на этом принципе, единица температуры называется кельвин в честь автора — физика У. Томсона (лорда Кель­вина).

Термодинамическая температурная шкала была предложена Кельвином на основании следствия, вытекающего из второго зако­на термодинамики. Согласно этому следствию отношение количе­ства теплоты Q,, получаемой от нагревателя любым телом, к коли­честву теплоты Q₂, отдаваемому им холодильнику при обратимом цикле, равно отношению температур Т_х и Т₂ нагревателя и холо­дильника:

q₂ Т₂

Кельвин (Томсон), исходя из пропорциональности газотермо­метрической и термодинамической температур, которая существу­ет всегда, предложил, чтобы разность термодинамических темпера­тур между точками замерзания и кипения воды составляла 100 °С. Однако определение температуры с помощью этих двух опорных то­чек имеет недостаток - точность абсолютной газотермометрической и соответственно термодинамической температур зависит от экспе­риментально найденного коэффициента расширения.

Хотя на основании предыдущего соотношения следовало бы, как это уже предлагалось Амонтоном, определять значение темпе­ратуры одной опорной точки (вторая — точка абсолютного нуля). Такое определение температуры было введено лишь почти через 100 лет. На X Генеральной конференции по мерам и весам в 1954 г. было принято, что термодинамическая температура тройной точки воды содержит точно 273,16 Кельвина (К). Тройная точка воды — это та­кая точка на диаграмме состояния, в которой жидкое, твердое и га­зообразное агрегатные состояния вещества одновременно находят­ся в равновесии друг с другом.

На рис. 7.14 представлена диаграмма трех агрегатных состояний (или фаз) воды. Согласно правилу фаз Гиббса /= с — р + 2, где /— число степеней свободы системы (число независимо выбираемых переменных); р — число фаз; с — число компонент. Для чистой воды (с — 1) число степеней свободы /= 3 — р. При наличии одной фазы можно свободно выбрать две переменные, например давление и тем­пературу. Если в равновесии находятся две фазы (р = 2), то / = 1, т. е. для произвольно выбранной температуры существует лишь одно определенное значение давления, при котором система находится в равновесии.

	Критическая
Твердое состояние	Жидкое / состояние /	точка
		'Газообразное состояние
, /	Г	f f f	[ г, К
200 273,15		400 600 373,15
	273,16

Рис. 7.14. Диаграмма состояний воды (масштаб не соблюден)

 

Этот случай иллюстрируется кривыми на диаграмме состояния, которые делят всю область на твердую, жидкую и газообразную фазы (кривые давления пара, сублимации, таяния). В точке пересечения трех кривых сосуществуют все три фазы (р= 3), так что система не имеет больше степеней свободы {f = 0). При изменении перемен­ной нарушается равновесие системы. Три фазы могут одновремен­но существовать только при совершенно определенных значениях давления и температур. Для воды р = 611 Па и Т = 273,16 К (по оп­ределению). В то же время при одновременном существовании трех агрегатных состояний мы всегда имеем одну и ту же температуру. В противоположность этому при задании, например, температуры кипения или плавления нам всегда необходимо задавать соответ­ствующее давление. Воспроизводимые состояния равновесия меж­ду фазами чистых веществ принимаются в качестве опорных точек. Тройная точка воды выбрана из тех соображений, что ее можно лег­ко получить и воспроизвести в температурном интервале меньше миллиградуса.

Точка замерзания воды при нормальном давлении (р= 101 325 Па = = 1 атм) расположена ниже тройной точки воды примерно на 0,00993°. В пределах экспериментальной точности она не отклоня­ется от использовавшегося ранее значения температуры точки за­мерзания; по этой причине нулевая точка шкалы Цельсия составля­ет Г₀ = 273,15 К. Определяемая с такой же точностью точка кипе­ния воды при нормальном давлении составляет 373,15 К, хотя при более точных измерениях она может несколько отклониться от этого значения.

Таким образом, если одной температуре придать какое-либо значение, например температуре Т₂ — значение тройной точки воды, и если будет известно отношение количества теплоты Qj /Q₂, to можно определить температуру Т_х.

На рис. 7.15 приведена схема сосуда, применяемого для опре­деления тройной точки воды.

Термодинамическая температура может быть выражена и в гра­дусах Цельсия (°С) с помощью соотношения

t= Т— 273,15 К,

где t — температура Цельсия; Т- температура Кельвина; 273,15 К - температура точки таяния льда по шкале Кельвина. Установление

1 — слой воды; 2 — пар; 3 — место запайки сосуда; 4 — колба термометра; 5 — лед; 6 — вода

 

температуры 7₀ позволяет дать новое термодинамическое определе­ние температуры Цельсия. Ввиду того, что t=T—T_Q, температура Цельсия является производной величиной.

Графические соотношения различных температурных шкал приведены на рис. 7.16.

В 1967 г. на XIII Генеральной конференции по мерам и весам впервые было дано определение температурной шкалы и принята в качестве единицы температуры 1/273,16 часть тройной точки воды.

Воспроизведение термодинамической шкалы представляет большие трудности, поэтому VII Генеральная конференция по ме­рам и весам (1927) приняла, а IX Генеральная конференция (1948) утвердила международную практическую температурную шкалу, воспроизводимую по определенным постоянным реперным точкам. Она представляла собой шкалу Цельсия, единица которой (1 °С) определялась с помощью интервала между точкой таяния льда (t = О °С) и точкой кипения воды (t= 100 °С). В области температур

і....... і........ t і і t I і. -250 -200 -150 .-юс -50       50 1 100 150   -200 -160 -120 -so і -40 I _JL_   г   80 120 I |     -360 1 -270 і ~!В0 і -90 і     90 1   180 270 і 1 360 1 „           250 „1   зоо   350 400   а) Рис. 7.16. Температурные шкалы: Цельсия (°С), Реомюра (°Re), Фаренгейта (°F), Кельвина (К) (а); комнатный термометр начала XX в. со шкалами Цельсия и Реомюра (б)

 

от —183° до 1063 °С эта шкала была реализована посредством четырех других опорных точек: точек кипения кислорода (—183 °С) и серы (445 °С), то­чек плавления серебра (962 °С) и золота (1063 °С). Для измерения температур использовались три прибора: в области температур от — 183 до 660 °С — термометр сопротивления, от 660 до 1063 °С — термоэлемент, выше 1063 °С — пирометр.

Термодинамическая шкала была хороша всем, кроме одного: в повседневной практике теп­ловые измерения с последующими расчетами крайне неудобны, да и сам цикл Карно, прекрас­но изученный теоретически, трудно воспроизвес­ти не в специализированной метрологической ла­боратории.

С XVIII в. развитие термометрии шло по ли­нии разработки, наряду с термодинамической, практических температурных шкал. Именно практические шкалы и воспроизводятся современными нацио­нальными эталонами.

В связи с тем, что на X ГКМВ (1954) в качестве базисной вели­чины Международной системы единиц была установлена темпера­тура точки воды 273,16 К, в 1960 г. на XI ГКМВ Международную температурную шкалу-1948 переименовали в Международную прак­
тическую температурную шкалу-1948 (МПТШ-48). Добавление «практическая» указывает на то, что эта температурная шкала в це­лом не совпадает с термодинамической. Точки таяния льда были заменены тройной точкой воды (t = 0,01 °С), а точка кипения серы - точкой плавления цинка (/ = 420 °С). Кроме того, возникла необхо­димость продолжить температурную область до более низких тем­ператур. Поэтому Консультативный комитет по термометрии (ККТ) создал новую, усовершенствованную шкалу, которая была объявле­на обязательной на XIII ГКМВ под названием «Международная практическая температурная шкала-1968» (МПТПІ-68). Температу­ры МПТШ-68 снабжаются индексом (Т₆₈ или /₆₈). С помощью пяти опорных точек температурная шкала была продолжена ниже — 83 °С до тройной точки водорода при T_6S = 13,81 К. Верхней точкой стала температура затвердевания золота (1337,58 К).

В табл. 7.5 приведены опорные точки МПТШ-68, а также оце­ночные погрешности, с которыми эти точки устанавливались. Тем­пературы опорных точек даны для нормального давления р =

Таблица 7.5 Определяющие опорные точки МПТШ-68 Опорная точка ЧшК 485 С Оценочная погрешность, К Тройная точка равновесного водорода 13,81 -259,34 0,01 Точка кипения равновесного водорода 17,042 -256,108 0,01 при давлении 3330,6 Па       Точка кипения равновесного водорода 20,28 -252,87 0,01 Точка кипения неона 27,102 -246,048 0,01 Тройная точка кислорода 54,361 -218,789 0,01 Точка кипения кислорода 90,188 -182,962 0,01 Тройная точка воды 273,16 0,01 0,0002 Точка кипения воды 373,15   0,005 Точка затвердевания цинка 692,73 419,58 0,03 Точка затвердевания серебра 1235,08 961,93 0,2 Точка затвердевания золота 1337,58 1064,43 0,2

 

= 101 325 Па (1 атм), за исключением тройных точек и точки кипе­ния водорода. Альтернативой точке кипения воды является точка затвердевания олова (ґ₆₈ = 231,9681 °С с оценочной погрешностью 0,915 К).

Интерполяция между температурами постоянных точек произ­водится по формулам, устанавливающим связи между показания­ми специфицированных аттестованных интерполяционных прибо­ров и значениями международной практической температуры.

В качестве постоянных точек используются равновесия между двумя фазами чистых веществ: жидкой и газообразной (точки кипе­ния) или твердой и жидкой (точки затвердевания). В трех случаях используются так называемые тройные точки, характеризуемые рав­новесием между твердой, жидкой и парообразной фазами водоро­да, кислорода и воды. Точность воспроизведения Кельвина и градуса Цельсия различна в разных интервалах температур. Наибольшая точность воспроизведения достигается в тройной точке воды.

Международные температурные шкалы неоднократно изменя­лись за последние 100 лет в соответствии с растущими требования­ми к точности и диапазонам измерений:

• 1889 г.: МКМВ-1887 - эталонная водородная температурная шкала 1887 г., температурный диапазон от —50 до 100 °С;

1927 г.: МТШ-27 — международная температурная шкала 1927 г., температуры выше — 190°С;

1948 г.: МПТШ-48 — международная температурная шкала 1948 г., температуры выше — 182,97°С;

1960 г.: МТПШ-48 — международная практическая температур­ная шкала 1948 г. (улучшенное издание 1960 г.), температурный диапазон как у МТПШ-48;

1968 г.: МПТШ-68 — международная практическая температур­ная шкала 1968 г., температуры выше 13,81 К;

1975 г.: МПТШ-68 (75) — международная практическая темпе­ратурная шкала 1968 г. (улучшенное издание 1975 г.), температур­ный диапазон как у МПТШ-68;

1978 г.: ПТШ-76 — временная температурная шкала 1976 г. в температурном диапазоне 0,5-30 К;

1984 г.: температурная шкала в диапазоне 14—273,16 К (замкну­тые ячейки тройной точки) (МПТШ-68);

с 1989 г. по настоящее время: температурная шкала в диапазоне 0,5—10 К (устройства для реперных точек на сверхпроводниках) (МТШ-90). Здесь буква «П» («практическая») опущена, поскольку разница между практической и теоретической (термодинамической) температурами ничтожно мала. Тем самым область определения МТШ-90 увеличена на разность Т_{мтш 90} — 7_МТШ68.

Единица термодинамической температуры в МТШ-90 не изме­нилась (кельвин, или К). Без изменений также осталась связь тем­пературы Кельвина с температурой Цельсия t, осуществляемая изве­стным соотношением t= Т— 273,15 К. Существующие значительные расхождения между значениями 7^,_{мтш 90} и 7_{M|1T|IJ 68} учитываются при анализе результатов измерений температуры с помощью средств измерений, проградуированных по разным шкалам.

Можно выделить четыре основные группы различий шкал МТШ-90 и МПТШ-68, касающихся:

> области определения шкал;

> средств воспроизведения единицы температуры;

> специальных требований;

> интерполяционных зависимостей.

Государственные первичные эталоны России воспроизводят МТШ-90 в двух поддиапазонах: 0,8-273,16 К и 273,16-2773 К.

В состав первого эталона в качестве основной его части входят две группы железородиевых и платиновых термометров сопротив­ления. Каждая группа содержит два платиновых и два железороди­евых термометра, постоянно находящихся в блоке сравнения — мас­сивном цилиндре с четырьмя продольными каналами для термомет­ров. Передача шкалы термометрам, вторичным и рабочим эталонам, осуществляется приведением их в тепловой контакт с эталонным блоком сравнения и сличением в криостате. Среднеквадратическая погрешность эталона лежит в пределах 0,3—1 мК, а неисключенная систематическая погрешность — в пределах 0,4—1,5 мК для любого значения температуры поддиапазона. Наименьшие значения соот­ветствуют точке 0,8 К.

В состав второго эталона входят платиновые термометры сопро­тивления, температурные лампы, аппаратура воспроизведения ре­перных точек в диапазоне 271,16-1355,77 К. Среднеквадратическая погрешность этого эталона лежит в пределах 5-Ю^-5—I IO7²; неиск- люченная систематическая погрешность — МО"⁴-5-Ю^-3 (в относи­тельных значениях).

В английской и американской научной литературе иногда встре­чается абсолютная термодинамическая шкала шотландца У. Ранки- на (R), одного из создателей технической термодинамики. Ее нуле­вая точка совпадает с О К, а градус Ранкина (°R) по величине равен градусу Фаренгейта. Точка таяния льда 491,67°R, кипения воды 671,67°R. Перевод в температуру Кельвина выполняется по уравне­нию Т_к = 5/9/_R.

До нашего времени из всего множества температурных шкал дошли всего четыре, хотя и это явно многовато. В науке температу­ру выражают в Кельвинах, а в жизни мы используем градусы Цель­сия и изредка встречаем шкалы Реомюра и Фаренгейта. Выражения для взаимного перевода интервальных практических шкал Фарен­гейта, Реомюра и Цельсия, включая и термодинамическую, можно представить в следующем виде:

> шкала Цельсия: °С = 1 К; Т= + 273,15, где Т— температу­ра Кельвина; /_ц — температура Цельсия;

> шкала Реомюра: l°Re = 1,25 °С; = 1,25/^, где t_Re — темпе­ратура Реомюра; Т— 1,25/_Ке + 273,15;

> шкала Фаренгейта: 1°F = 5/9 °С = 5/9 К; /_ц = 5/Щ - 32), где /_F — температура Фаренгейта; Т= 5/9(/_р — 32) + 273,15.

Соотношения между шкалами приведены в табл. 7.6.

Следует иметь в виду, что, нагревая изолированное тело, мож­но суммировать приращение его термодинамической температуры. Например, тело было нагрето до 100 К, нагрели еще на 50 К, в ито­ге получили 150 К. Если температура кипения одной жидкости 100 К, а другой — 50 К, то справедливо утверждать, что первое зна­чение в 2 раза больше второго. Но суммировать термодинамические температуры различных тел нельзя, это бессмысленно и равносиль­но известной шутке о средней температуре в больнице.