О различных температурных шкалах
История
Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества — теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково — градусами.
Из того, что температура — это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (т.е. в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах — градусах.
Шкала Кельвина
В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один кельвин равен 1/273.16 расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояния, при котором лёд, вода и водяной пар находятся в равновесии). Для пересчета кельвинов в энергетические единицы служит постоянная Больцмана. Используются также производные единицы: килокельвин, мегакельвин, милликельвин и т.д.
Шкала Цельсия
В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за −273,15 °C. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия — особая точка для метеорологии , поскольку замерзание атмосферной воды существенно всё меняет.
Шкала Фаренгейта
В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. В этой шкале на 100 градусов раздёлен интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела. Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.
В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F — 32), то есть изменение температуры на 1 °F соответствует изменению на 5/9 °С. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724.
Шкала Реомюра
Предложенна в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.
Единица — градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками — температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)
В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.
Пересчёт температуры между основными шкалами
Источник
Реомюр и другие единицы измерения температуры
С ранней юности смотря голливудские фильмы, я никак не мог привыкнуть к тому, что они по-иному измеряют температуру. Опять-таки, читая Рей Брэдбери вспоминаешь Фаренгейты. Но став чуть старше я узнал, что все еще сложнее и единиц измерения не 3, а целых 12.
Давайте разберемся с ними. Возможно,вам будет интересно.
Самая распространенная единица температуры — это Градус Цельсия (обозначение: °C).Именно она применяется в Международной системе единиц (СИ) наряду с кельвином. Используется всеми странами, кроме США, Багамских Островов, Белиза, Каймановых Островов и Либерии.
Градус Цельсия назван в честь шведского учёного Андерса Цельсия, предложившего в 1742 году новую шкалу для измерения температуры.
Шкала Цельсия линейна в интервале от 0 до 100 °C и также линейно продолжается в области ниже 0 °C и выше 100 °C.
Первоначальное определение градуса Цельсия зависело от определения стандартного атмосферного давления, потому что и температура кипения воды (100), и температура таяния льда (0) зависят от этого параметра. Это не очень удобно для стандартизации единицы.
Согласно современному определению, один градус Цельсия равен одному кельвину (K), а ноль шкалы Цельсия установлен таким образом, что температура тройной точки воды равна 0,01 °C.
Раз мы с вами заговорили о Кельвине (русское обозначение: К; международное: K), или градусе Кельвина, как эта единица называлась до начала 70-х годов 20 века, то надо обозначить, что это единица термодинамической температуры в Международной системе единиц (СИ), одна из семи основных единиц СИ. Предложена в 1848 году. Определяется через значение постоянной Больцмана: 1,380649 × 10-23 Дж / К. Начало шкалы (0 К) совпадает с абсолютным нулём.
Единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона, которому было пожаловано звание лорд Кельвин Ларгский из Айршира. В свою очередь, это звание пошло от реки Кельвин, протекающей через территорию университета Глазго.
Шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15 единиц.
Распространенный в США и еще нескольких государствах Градус Фаренгейта (обозначение: °F) назван в честь немецкого учёного Габриеля Фаренгейта, предложившего в 1724 году шкалу для измерения температуры.
На шкале Фаренгейта температура таяния льда равна +32 °F, а температура кипения воды +212 °F (при нормальном атмосферном давлении). При этом один градус Фаренгейта равен 1/180 разности этих температур. Диапазон 0…+100 °F по шкале Фаренгейта примерно соответствует диапазону -17,8…+37,8 °C по шкале Цельсия. То есть нормальная температура человеческого тела по шкале Цельсия равна +36,6 °C, а по шкале Фаренгейта — +97,9 °F. Шкалы Цельсия и Фаренгейта пересекаются в точке -40 единиц, где указывают на одинаковую температуру. Абсолютному нулю на шкале Фаренгейта соответствует значение -459,67 °F
Близка к градусу Фаренгейта была такая единица, как Градус Рёмера (°Rø).
Эта температурная шкала была создана в 1701 году датским астрономом Оле Кристенсеном Рёмером и по сути стала прообразом шкалы Фаренгейта, который посещал Рёмера в 1708 году. Она 60 градусная.
За нуль градусов берётся температура замерзания солёной воды. Вторая точка — температура человеческого тела (30 градусов по измерениям Рёмера, то есть 42 °C). Тогда температура замерзания пресной воды получается как 7,5 градусов (1/8 шкалы), а температура кипения воды — 60 градусов. Ныне не используется.
Но и это далеко не последняя система. Градус Реомюра (обозначение: °R) — единица измерения температуры, в которой температуры замерзания и кипения воды приняты за 0 и 80 градусов. Хотя практически вышла из употребления. Предложена в 1730 году французским естествоиспытателем, натуралистом, энтомологом, физиком и математиком Р. А. Реомюром на основе. спирта 🙂
По ожиданиям Реомюра спирт расширяется приблизительно на 8 % (на 8,4 % по расчёту: коэффициент расширения спирта 0,00108 К−1) при нагреве от температуры таяния льда до температуры кипения (≈78 градусов Цельсия). Поэтому эту температуру Реомюр установил как 80 градусов на своей шкале, на которой одному градусу соответствовало расширение спирта на 1 тысячную, а ноль шкалы был выбран как температура замерзания воды. Однако из-за того, что в качестве жидкости в те времена использовался не только спирт, но и различные его водные растворы, то многими изготовителями и пользователями термометров ошибочно считалось, что 80 градусов Реомюра — это температура кипения воды. Из равенства 100 градусов Цельсия = 80 градусов Реомюра получается 1 °C = 0,8 °R (соответственно 1 °R = 1,25 °C). Хотя на самом деле на оригинальной шкале Реомюра должно быть 1 °R = 0,925 °C. В 1772 году во Франции в качестве стандартной была принята температура кипения воды, равная 110 градусам Реомюра.
У нас в России в свое время был широко распространен Градус Делиля (обозначение: °Д или °D). Эта шкала была изобретена французским астрономом Жозефом Николя Делилем,который работал в России и схожа с температурной шкалой Реомюра. Использовалась в России вплоть до XVIII века.
В 1732 году Делиль в Санкт-Петербурге создал термометр, использующий ртуть в качестве рабочей жидкости. В качестве нуля была выбрана температура кипения воды. За один градус было принято такое изменение температуры, которое приводило к уменьшению объёма ртути на одну стотысячную.
Таким образом, температура таяния льда составила 2400 градусов. Однако позже столь дробная шкала показалась избыточной, и уже зимой 1738 года коллега Делиля по петербургской академии, медик Иосия Вейтбрехт, уменьшил число ступеней от температуры кипения до температуры замерзания воды до 150 (у некоторых термометров 120) градусов.
Именно этой шкалой пользовались многие российские академики, в том числе Михаил Ломоносов, который, однако «перевернул» её, расположив ноль в точке замерзания, а 150 градусов — в точке кипения воды.
Первой температурной шкалой с фиксированым нулем был Градус Гука (°H).
Прообразом для созданной великим Робертом Гуком шкалы стал попавший к нему в 1661 термометр из Флоренции. В изданной через год «Микрографии» Гука встречается описание разработанной им шкалы. Гук определил один градус как изменение объёма спирта на 1/500, т. е. один градус Гука равен примерно 2,4 °C.
В 1663 году члены Королевского общества согласились использовать термометр Гука в качестве стандартного и сравнивать с ним показания других термометров. Голландский физик Христиан Гюйгенс в 1665 г. вместе с Гуком предложил использовать температуры таяния льда и кипения воды для создания шкалы температур. Это была первая шкала с фиксированным нулём и отрицательными значениями.
Первые внятные метеорологические рекорды были записаны с использованием шкалы Гука–Гюйгенса. Так наибольшую летнюю жару Гук описал как 13 градусов (31 °C), наибольший холод зимой как −7 градусов (−17 °C)
Не отставил и другой великий англичанин. Была и такая шкала как Градус Ньютона (обозначение: °N)
Температурная шкала Ньютона была разработана Исааком Ньютоном в 1701 году для проведения теплофизических исследований и стала, вероятно, прообразом шкалы Цельсия.
В качестве термометрической жидкости Ньютон использовал льняное масло. За ноль градусов Ньютон взял температуру замерзания пресной воды, а температуру человеческого тела он обозначил как 12 градусов. Таким образом, температура кипения воды стала равна 33 градусам.
Еще одна историческая единица температуры — это Градус Дальтона (обозначение: °Dа) Он не имеет определённого значения, поскольку шкала Дальтона — логарифмическая.
Шкала Дальтона была разработана Джоном Дальтоном для проведения измерений при высоких температурах, поскольку обычные термометры с равномерной шкалой давали ошибку из-за неравномерного расширения термометрической жидкости.
Нуль шкалы Дальтона соответствует нулю Цельсия. Отличительной чертой шкалы Дальтона является то, что в ней абсолютный нуль равен −∞ °Da, то есть он является недостижимой величиной
Лейденский градус (обозначение °L или ÐL) — историческая единица температуры, использовавшаяся в начале XX века для измерения криогенных температур ниже −183 °C.
Эта шкала происходит из Лейдена, где с 1897 года находилась лаборатория Камерлинг-Оннеса. В 1957 году Х. ван Дийк и М. Дюро ввели эту шкалу. За ноль градусов бралась температура кипения стандартного жидкого водорода (−253 °C), состоящего на 75 % из ортоводорода и на 25 % из параводорода. Вторая реперная точка — температура кипения жидкого кислорода (−193 °C).
Еще есть Шкала Ранкина (измеряется в градусах Ранкина — °Ra) — абсолютная температурная шкала, названа по имени шотландского физика Уильяма Ранкина. Используется в англоязычных странах для инженерных термодинамических расчётов.
Шкала Ранкина начинается при температуре абсолютного нуля, точка замерзания воды соответствует 491,67 °Ra, точка кипения воды 671,67 °Ra. Число градусов между точками замерзания и кипения воды по шкале Фаренгейта и Ранкина одинаково и равно 180.
Соотношение между кельвином и градусом Ранкина: 1 K = 1,8 °Ra, градусы Фаренгейта переводятся в градусы Ранкина по формуле °Ra = °F + 459,67.
Ну и наконец, Планковская температура — единица температуры в планковской системе единиц; названа в честь немецкого учёного-физика Макса Планка.
В планковской системе в качестве основных единиц выбраны следующие фундаментальные физические постоянные: скорость света, гравитационная постоянная, постоянная Дирака (постоянная Планка, делённая на 2π) и постоянная Больцмана.
Планковская температура — одна из планковских единиц, представляющих собой фундаментальный предел в квантовой механике. Современная физическая теория не способна описать что-либо с более высокой температурой из-за отсутствия в ней разработанной квантовой теории гравитации. Выше планковской температуры энергия частиц становится настолько большой, что гравитационные силы между ними становятся сравнимы с остальными фундаментальными взаимодействиями. В соответствии с текущими представлениями космологии, это температура Вселенной в первый момент (планковское время) Большого взрыва.
Источник
