Для чего нужны температурные шкалы

Шкалы температур

Материал данной статьи дает представление о таком важном понятии как температура. Дадим определение, рассмотрим принцип изменения температуры и схему построения температурных шкал.

Что такое температура

Температура – это скалярная физическая величина, описывающая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы тел.

Понятие температуры также применяют в качестве физической величины, определяющей степень нагретости тела, однако лишь такой трактовки для понимания смысла термина недостаточно. Все физические понятия находятся в связи с определенными фундаментальными законами и наделяются смыслом только в соответствии с этими законами. В данном случае термин температура связан с понятием теплового равновесия и с законом макроскопической необратимости.

Изменение температуры

Явление термодинамического равновесия тел, составляющих систему, говорит о наличии одинаковой температуры этих тел. Произвести замер температуры можно лишь косвенно, взяв за основу зависимость от температуры таких физических свойств тел, которые можно измерить непосредственно.

Вещества или тела, применяемые для получения значения температуры, называют термометрическими.

Также отметим, что тепловое равновесие тел подчинено закону транзитивности.

Закон транзитивности: когда два тела находятся в равновесии с третьим, то и между собой они пребывают в тепловом равновесии.

Важной чертой указанного определения температуры является его неоднозначность. Выбрав по-разному величины, отвечающие установленным требованиям (что отразится на способах измерения температуры), возможно получить несовпадающие шкалы температур.

Температурная шкала – это способ деления на части интервала температуры.

И еще один способ измерить температуру: используя термопару – электрическую цепь с гальванометром и двумя спаями разнородных металлов (рисунок 1 ).

Один спай находится в среде с фиксированной температурой (в нашем примере это тающий лед), другой – в среде, температуру которой необходимо определить. Здесь признаком температуры является ЭДС термопары.

Указанные способы измерения температуры не дадут одинаковых результатов. И для перехода одной температуры к другой следует построить градуировочную кривую, которая установит зависимость ЭДС термопары от длины ртутного столбика. В этом случае равномерная шкала ртутного термометра преобразуется в неравномерную шкалу термопары (или наоборот). Равномерные шкалы измерения температур ртутного термометра и термопары создают две абсолютно различные температурные шкалы, на которых тело в одном и том же состоянии будет иметь различные температуры. Также возможно рассмотреть одинаковые по устройству термометры, но имеющие разные «термические тела» (к примеру, ртуть и спирт): мы не будем наблюдать совпадения температурных шкал и в этом случае. График зависимости длины ртутного столбика от длины спиртового столбика не будет линейным.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что понятие температуры, базирующееся на законах теплового равновесия, неоднозначно. Подобная температура является эмпирической, зависит от способа измерения. За «нуль» шкалы эмпирической температуры принимается произвольная точка. Согласно определению эмпирической температуры, физический смысл несет лишь разность температур или ее изменение. Любая эмпирическая температурная шкала приводится в вид термодинамической температурной шкалы при использовании поправок, которые учтут характер связи термометрического свойства с термодинамической температурой.

Температурные шкалы

Для того, чтобы построить температурную шкалу для измерения, двум числовым значениям температуры присваивают две фиксированные реперные точки. После этого разность числовых значений, присвоенных реперным точкам, делится на выбранное произвольным образом необходимое количество частей, получая в результате единицу измерения температуры.

Разница температур, выраженных в градусах по шкале Цельсия и шкале Фаренгейта, нивелируется согласно следующему выражению:

Значения температур по шкале Цельсия и по шкале Кельвина связаны между собой согласно следующему выражению:

Температуры, выраженные в градусах Цельсия и градусах по Реомюру, связаны так:

Температуры по Кельвину и Ранкину связаны выражением:

Градусы по Фаренгейту возможно перевести в градусы по Ранкину согласно формуле:

Наиболее применима в быту и технических устройствах шкала Цельсия (единица шкалы – градус Цельсия, обозначаемый как ° C ).

Произведем расчет нижней и верхней границ температуры комфорта по термодинамической шкале:

Необходимо определить, при какой температуре показания термометров по шкале Цельсия и по шкале Фаренгейта будут одинаковы.

По условию задачи температур равны, тогда возможно составить следующее выражение:

Определим из полученной записи переменную x :

Источник

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.

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

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.

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

Температура

Долгое время в качестве инструмента для измерения температуры человек использовал лишь собственный палец. Думаю, многие из вас и сейчас время от времени измеряют ее, доверяя своим тактильным ощущениям. (Очень холодно, холодно, тепло, горячо, ожог.)

Но на сколько объективны такие измерения? Приведу простой пример. Плюшевый медведь и чугунная гиря, находясь в одной комнате длительное время, имеют одинаковую температуру. Но на ощупь гиря скорее всего покажется нам более холодной.

Чтобы понять, что такое температура, как ее точно измерить, а также помочь всем тем, кто страдает бессонницей, давайте обратимся к скучной теории.

Макроскопические и микроскопические тела.

Мы живем в макромире, и все предметы, которые нас окружают принято называть макроскопическими телами.

Да может быть ваша любимая кружка в масштабах вселенной кажется не такой уж и большой, чтоб носить приставку макро. Но относительно огромного числа атомов и молекул, из которых она состоит, это название вполне заслуженно.

Сами же атомы и молекулы, а также электроны, протоны, нейтроны принято называть микроскопическими телами или микроскопическими частицами.

Совокупности макроскопических тел или иногда отдельные макроскопические тела называют термодинамическими системами.

Так как эти системы состоят из огромного числа подвижных микроскопических частиц, они способны обмениваться веществом и энергией, как внутри самой системы, так и с окружающей средой.

Только представьте какие процессы происходят в Вашей кружке пока она остывает, дожидаясь Вас на кухне.

И здесь интересный момент. Для описания термодинамической системы не обязательно рассматривать поведение каждой отдельной ее молекулы. Это в принципе невозможно.

Состояние термодинамической системы прекрасно характеризуется набором макроскопических параметров, которые описывают систему в целом. Одним из таких параметров и является температура.

Температура и нулевое начало термодинамики

Я говорил в самом начале, что гиря и плюшевый медведь, находясь длительное время в комнате будут иметь примерно одинаковую температуру.

В основе этого утверждения лежит фундаментальный постулат или нулевое начало термодинамики, которое фактически дает определение температуры.

В каком бы состоянии не находились тела в изолированной термодинамической системе, со временем эта система придет в состояние теплового (термодинамического) равновесия, и все части этой системы будут иметь одинаковую температуру.

Конечно, комната не совсем изолированная термодинамическая система. Но в физике главное что? Правильно! Умение пренебрегать.

Пока тела имеют разную температуру между ними может происходить теплообмен. Горячие тела будут остывать, холодные нагреваться. Но как только температура тел сравняется, теплообмен между ними прекратится.

По этому поводу Рудольф Клаузиус в 1865 году выдвинул даже гипотезу о тепловой смерти вселенной. Согласно этой гипотезе вселенная рано или поздно должна прийти к термодинамическому равновесию и умереть.

Рудольф Клаузиус (1822 — 1888 г.).

Но вернемся к температуре. Мы разобрались что фактически температура является величиной, характеризующей способность тел или термодинамических систем вступать в тепловое взаимодействие друг с другом. Давайте теперь подумаем, как можно ее измерять, не прибегая к помощи пальца.

Измерение температуры

Думаю, не для кого не секрет, что прибор для измерения температуры называется термометром. На сегодняшний день их существует большое количество, отличающихся друг от друга формами, размерами, областями применения и конечно принципами работы.

И хотя 2020 год внес свои коррективы и пирометром, позволяющим измерять температуру на расстоянии, уже никого не удивишь. Все же самыми распространёнными термометрами являются жидкостные.

Забавно, но первые термометры появились еще до того, как человек понял, что он ими измеряет. Поэтому сейчас очень трудно сказать кто именно изобрел это устройство. Да, здесь часто называют имя Галилео Галилея. Но его термоскоп даже не имел шкалы, чтоб измерять что либо, поэтому термометром его можно назвать с большой натяжкой.

Но вот то, что жидкостные термометры приобрели современный, знакомый нам с детства вид в этом определенно заслуга Габриэля Фаренгейта.

Термометры Фаренгейта отличались особой точностью. Причем показания любых двух его экземпляров всегда соответствовали друг другу. Не удивительно что они в свое время завоевали большую популярность.

Особенность температуры заключается в том, что мы не можем измерять ее напрямую, а можем лишь судить о ней по изменению других макропараметров. В основе жидкостных термометров лежит тепловое расширение жидкости. То есть о изменении температуры мы судим по изменению ее объема.

В своих первых термометрах, начиная с 1709 года, Фаренгейт использовал подкрашенный спирт. Но позже, в 1714 году, он перешел на тяжелый металл. То есть на ртуть.

Как придумать свою температурную шкалу?

Если нам необходимо измерить температуру. Ну скажем температуру воды в кастрюле. Помещаем термометр в воду. Его температура быстро уравняется с температурой воды. Вспоминаем нулевое начало термодинамики. В свою очередь спирт займет соответствующий этой температуре объем, и столбик термометра укажет нам температуру.

Но хорошо если за окнами 21 век, и мы купили термометр в ближайшем сетевом супермаркете. А если нет? Если на дворе начало 18 века, и термометр мы изготовили сами, буквально на коленке?

Необходимо придумать свою температурную шкалу, что позволит сопоставлять показания термометра с температурами физических явлений, взятыми за эталон.

Измеряем температуру соседского кота и берем ее за ноль. Это будет наша первая реперная точка. За вторую точку можно взять температуру борща, кипящего на плите. Измеряем ее, и принимаем за 100. Теперь столбик термометра от первой до второй точки делим на 100 равных частей (градусов) и наша шкала готова.

Все очень просто, поэтому не мудрено что к концу 18 века общее количество известных шкал достигало девятнадцати. А если прикинуть что могли существовать и неизвестные, вроде нашей… Благо до сегодняшнего дня дожили не все. Давайте рассмотрим самые живучие.

Шкала Фаренгейта

В своей шкале Фаренгейт использовал не две, а три основные реперные точки. За ноль была принята температура замерзания смеси льда, воды и нашатыря, которая, по одной из версий, соответствовала температуре самого холодного дня зимы 1709 года.

Вторая точка — это температура замерзания воды. Она заняла отметку в 32 градуса.

И третьей точкой, в 100 градусов, должна была стать температура здорового человека. Но толи 300 лет назад люди были более горячие, толи Фаренгейт что-то намерил неправильно.

В общем 100 F это температура не здорового человека, а самого что ни на есть больного. Существует версия, согласно которой за эталон температуры здорового человека, фаренгейт взял температуру своей жены. Но на тот момент она приболела и получилось, то, что получилось.

Давайте воспользуемся формулой для перевода градусов Фаренгейта в привычные нам цельсии, и узнаем какая же температура была у жены ученого.

Чтобы определить какой же будет нормальная температура человека по шкале Фаренгейта, воспользуемся обратной формулой:

То есть нормальная температура человека соответствует примерно 98 °F.

Шкала Фаренгейта использовалась в англоязычных странах вплоть до 1960 года, пока не была введена международная система единиц (СИ), с ее кельвинами и цельсиями. Как известно США не приняла систему СИ. Так что, если ваша температура 98 градусов, и вы при этом не испытываете никаких беспокойств, то скорее всего вы живете в США. Ну или в Либерии, Белизе, Палау, на Каймановых островах, или на Багамах. В общем в тех уголках нашей планеты, где еще сохранился Фаренгейт. А мы переходим к Цельсию.

Шкала Цельсия

Со шкалой Цельсия тоже не все так просто. Мы привыкли что при нуле градусов тает лед, а при ста кипит вода. Но если бы вы сказали об этом шведскому астроному, геологу и метеорологу Андерсу Цельсию, чье собственно имя и носит эта шкала, то скорее всего он был бы крайне удивлен.

Цельсия смущали отрицательные температуры, поэтому ноль в своей шкале он определил как температуру кипения воды, а сто градусов как температуру плавления льда. То есть современная шкала является перевернутой шкалой Цельсия. Ну а придал ей привычный нам всем вид, соотечественник Цельсия Мартин (Мортен) Штремер. После смерти самого Цельсия.

Так что фактически, то, что называется шкалой Цельсия правильней было бы назвать шкалой Штремера. И вроде как по началу в Швеции она так и называлась, пока Йонс Якоб Берцелиус не назвал ее по ошибке шкалой Цельсия в своем учебнике химии. Учебник издавался не только в Швеции, но и за ее пределами…

Опять же это одна из версий. Существуют и другие. Так по одной из них шкалу перевернул Линей, Шведский ботаник, а по другой сам Цельсий. По совету, опять же, Мартина Штремера.

Абсолютный ноль, и шкала Кельвина.

Шкала фаренгейта, шкала цельсия, да и наша собственная шкала имеют один существенный недостаток. Они относительные. Вода, в зависимости от давления, может кипеть при разных температурах, температура жены тоже вещь не постоянная, как, собственно, и температура кота.

Да, для того чтобы понять, что одеть, пальто или пуховик, термометра со шкалой цельсия за окном будет вполне достаточно. Но для науки все эти заморочки с давлением, зимой 1709 года, и борщом на плите будут вносить определенные неудобства. Необходима абсолютная шкала, которая уже не зависит от всяких глупостей.

Такую шкалу предложил лорд Кельвин он же Томпсон.

Точкой отсчета в этой шкале был взят абсолютный ноль — температура, при которой останавливаются все процессы внутри вещества. То есть атомы и молекулы перестают двигаться.

Понятно, что для такой шкалы не существует отрицательных температур.

Причем за ее основу Кельвин взял уже существующую шкалу Цельсия, просто опустив ее вниз на 273,15 градуса. Все это очень удобно для перехода между шкалами.

Нужно цельсии перевести в кельвины прибавляем 273. Если наоборот кельвины в цельсии отнимаем 273.

Зная, это легко определить абсолютный ноль по шкале Кельвина. От нуля отнимаем 273 и получаем — 273 градуса Цельсия. −273,15° С если быть точнее. Просто часто для расчетов используют округленное до целых значение.

Все. На этом на сегодня остановимся. Для разминки можете перевести в цельсии температуру холодной зимы 1709 года, выразить в кельвинах температуру вашего кота, и конечно определить температуру кипения борща в США. Результаты пишите в комментариях. Всем тепла!

Источник

Разница в градусах по Фаренгейту и шкале Цельсия, как перевести

Для измерения температурных показателей используется 4 разных шкалы. Самыми известными из них являются градусы Цельсия и Фаренгейта. Согласитесь, вы не раз задумывались о том, почему между значениями, полученными при использовании той или иной шкалы, такой большой разрыв. Это на самом деле не просто интересно, но необходимо знать, и если вы думаете, что такая информация нужна только физикам – вы заблуждаетесь. Так, в чем же разница между Фаренгейтом и Цельсием?

Температурная шкала: виды и различия

Температурная шкала известна человеку с незапамятных времен. Создателем первого термометра считается Галилео Галилей. Точнее, именному ему приписывают совершение невиданного на то время открытия. Конечно, точных температурных значений изобретение ученого не показывает, но указать степень прогрева или охлаждения воздуха оно вполне способно.

Со временем дело Галилея продолжили его последователи. Постепенно начали появляться шкалы Кельвина, Цельсия, Фаренгейта. Каждая из них отличается от другой особенностями измерения температуры воздуха или жидкости, а также другими характеристиками.

Кельвин

Самая загадочная, но при этом – самая интересная температурная шкала. Кстати, температура измеряется просто в кельвинах без слова-приставки «градусы». Примечательной чертой шкалы является то, что исчисление начинается с нуля, которого невозможно достичь. Этому препятствует третье начало термодинамики.

Цельсий

Изначально данная шкала определялась показателем, при котором наблюдалось замерзание воды. Позже ее видоизменили, и за основу была взята точка таяния льда. Таким образом, с течением времени температурный показатель с учетом данной схемы подвергался изменениям и коррективам.

В сравнении с разработкой Фаренгейта, за нулевое деление по Цельсию позже была принята температура, при которой вода начинает кипеть. Создал такую шкалу шведский метеоролог Андерс Цельсий, в честь которого она и была названа.

Факт! Сегодня официально принято считать шкалу показателей градусов по Цельсию производной от шкалы, разработанной Кельвином.

Исходя из этого, ноль по Цельсию равен 273,15 К (кельвинов). Однако разницы между 1 °С и 1 °К нет. Примечательно, что отрицательных показателей по первому градуснику, созданному шведским ученым, не существовало. Сегодня мы используем так называемую обратную шкалу Цельсия, предложенную Карлом Линнеем.

Фаренгейт

Габриель Фаренгейт был первым изобретателем прибора, который напоминает современный термометр. Однако вместо ртути в качестве столбика-индикатора применялся спирт. За ноль изобретатель выставлял температуру таяния смеси воды со снегом, морской соли и нашатыря. Но есть и вторая версия, согласно которой нулем считалась самая низкая температура воздуха на улице зимой.

На заметку. Шкалу Фаренгейта принято использовать в теплых странах, где климатические условия отличаются стабильностью.

Реомюра

Градус Реомюра – еще одна единица измерения температурного показателя. Она мало известна обычному человеку, не связанному с технической промышленностью или физической наукой. Ведь для идентификации показателя прогрева воздуха или температуры тела в термометрах данный градус не используется. Данная шкала была предложена Р. А. Реомюром в 1730 году.

За основу при разработке данной градации ее изобретатель взял особенности и степень расширения спирта при определенных температурных показателях по шкале Цельсия. Так, согласно наблюдениям и утверждениям ученого, спирт расширяется примерно на 8 % при условии, когда происходит нагрев от температуры таяния льда до достижения точки кипения (это примерно 78 градусов по шкале Цельсия). Поэтому Реомюр установил этот показатель на своем термометре под число 80 градусов.

Каждым из вышеописанных методов измеряют температуру воздуха, тела, воды и других жидкостей. Но, поскольку особенности их функционирования разнятся, отличаться будут и числовые отображения градусов.

Калькулятор и формулы преобразования температуры

Перевод температурных показателей из одной шкалы в другую происходит со строгим соблюдением определенных формул. Важно использовать строгое соотношение показателей, чтобы не допустить ошибки.

Особенности формул, которые используются для преобразования температурных значений:

(Фаренгейт – 32): 1,8 = Цельсий

(°С) х 1,8+32 = Фаренгейт.

А так выглядит общая таблица сравнения самых известных и востребованных температурных шкал:

-14.22

Но это не единственный способ сравнения температурных шкал, которыми сегодня пользуются в разных отраслях и направлениях. Соотношение градусов по разным методам исчисления в порядке от 1 до 35 единиц выглядит следующим образом:

Даже из этой короткой таблицы можно увидеть, что существует закономерность в плане увеличения единиц, обозначающих температурные значения по той или иной шкале. Например, в отношении к Цельсию градусы Кельвина увеличиваются на 1 пункт, Реомюра – на 0,8 позиции, Фаренгейта – ровно на 1,8 единицы.

Какая шкала более удобная для использования

Однозначно сказать, какая единица обозначения градусов наиболее удобная в использовании, нельзя. Ведь все зависит от многих факторов. Прежде всего, от местности, где определяется температурный режим.

Так, страны СНГ и многие европейские государства привыкли к обозначению градусов по шкале Цельсия. Ею обозначают степень прогрева воздуха или воды. Кроме того, по Цельсию измеряют температуру тела, и это указывается на термометрах.

Шкала Реомюра сегодня практически вышла из употребления. Ею пользуются лишь отдельные страны Европейского Союза. В частности, она остается востребованной во Франции.

На заметку! Известно, что нормальной считается температура тела человека, которая не превышает показатель 36,6+/-0,7 °С. Но в странах, где используется шкала Фаренгейта, индикатором нормы является совсем другое значение. У здорового человека оно не превышает 98,2+/-1,3 °F.

Единиц измерения температуры существует немало. У каждой из шкал своя история, связанная с многолетними наблюдениями, сложными исчислениями и кропотливыми трудами. О многих из них некоторые даже не слышали, ведь есть такие индикаторы, которые используются строго в отдельных отраслях науки. Но самыми популярными из них были и остаются 3 шкальных разновидности – это температура по Цельсию, Фаренгейту и Кельвину.

Источник