Приглашаем на IV международную конференцию
«Современные проблемы теплофизики и энергетики«» (СПТЭ-2024)

Направления работы конференции:
• Гидродинамика и тепломассообмен,
• Физика плазмы и плазменные технологии,
• Свойства рабочих тел в энергетике,
• Повышение эффективности, надежности и безопасности работы теплоэнергетического оборудования ТЭС и АЭС, цифровизация энергетики

Срок подачи расширенных тезисов докладов - до 15 мая 2024 года.
Конференция пройдёт в октябре 2024 года в Московском Энергетическом институте
Подробная информация на официальном сайте - spte.mpei.ru

Измерения температуры и теплоты

Научные и технические задачи не могут решать только с помощью механических величин, поэтому привлекаются некоторые другие соотношения. Хотя тепловая энергия и соответствует работе, которая совершается при  передвижении массы против прикладываемой силы, а также кинетической энергии какой-либо массы по характеру, температура и теплота преимущественно рассматриваются как независимые величины. Они не относятся к механическим.  

Термодинамическая шкала температуры

Температура, которая является тройной точкой, то есть точкой, при которой вода равна льду и пару, и есть единицей термодинамической температуры Кельвина. Она равна примерно 273, 16 Кельвина. Она и составляет термодинамическую шкалу температуры. Второе начало термодинамики представляет собой основу для данной шкалы, предложенной Кельвином. Если рассмотреть 2 резервуара, имеющих постоянную температуру, а также тепловую машину, которая находится между этими резервуарами и передает тепло из одного резервуара в другой, основываясь на цикле Карно, то можно вывести равенство об отношении термодинамических температур. Это равенство будет выглядеть следующим образом Т2/Т1= -Q2Q1, причем Q2 и Q1 будут являться количествами теплоты, которые передаются для каждого резервуара. Знак мину в этом равенстве показывает, что у этих резервуаров отнимется теплота, которая передается другом резервуару.  Можно сделать вывод, что если принять температуру одного резервуара за 273.16 Кельвин, а теплоту, которая отбирается у него за величину, большую в 2 раза, то теплота второго резервуара соответственно станет 136.58 Кельвина. Второму резервуару вообще не будет дано тепло, если его температура будет составлять 0 кельвина. Это объясняется тем, что вся энергия газов преобразуется в механическую на участке цикла, который адиабатически расширяется. Такая температура будет носить название абсолютного нуля. В научных исследованиях используемая температура термодинамики будет совпадать с той температурой, которая входит в уравнение для идеального газа. Это уравнение: PV=RT. Причем Р в этом уравнении является давлением, V-объемом, а R-это газовая постоянная.  Это уравнение объясняет, что произведение давления на объем прямо пропорционально произведению газовой постоянной на температуру. Однако ни один из реальных газов не соответствует данному уравнению,  и оно в их отношении не работает. Расширение газов может помочь воспроизвести шкалу температуры термодинамики, если будут внесены поправки относительно вириальных сил.

 Международная температурная шкала. С помощью метода газовой термометрии можно определять температуру с высокой точностью, основываясь на ранее сказанное определение. Точность может составлять около 0.003 Кельвина близ тройной точки. Для этого в камеру с теплоизоляцией помещают термометр из платины и резервуар, содержащий газ. Затем камеру подвергают нагреванию и наблюдают повышение электрического сопротивления термометра, а затем увеличивается и давление в резервуаре, содержащем газ. При охлаждении мы можем наблюдать обратную картину. Градуировка термометра по давлению в газе, которое будет пропорционально температуре, производится в процессе  одновременного измерение сопротивления и давления. Затем термометр помещается в термостат, где жидкая вода поддерживается в состоянии равновесия со своим фазами: паром и льдом. Термодинамическую шкалу получают путем измерения его электрического сопротивления, и температуре точки, где вода находится в равновесии с паром и льдом дают значение 273.16 Кельвина.

Нам известно, что существуют две шкал, с помощью которых измеряют температура. Одну из них мы уже рассмотрели, а вторая была создана Цельсием. Шкала Кельвина является основной, а шкала Цельсия является как бы производной из шкалы Кельвина. При этом из нее вычитается 273.15 Кельвина.

Очень много времени и труда затрачивается на измерение температуры путем газовой термометрии. 1968 год - стал годом, когда ввели Международную практическую температурную шкалу. Ее аббревиатура – МПТШ. Благодаря этой шкале  различные виды термометров могут подвергаться градуировке, осуществляемой в лаборатории. Эта шкала была создана при использовании термопары, термометра из платины, и пирометра  на основе радиации, которые использовались между постоянными парными точками, которые являлись опорными в интервалах температуры. Также эти точки назывались температурные реперы. Выяснилось, что существуют очень значительные отклонения в международной практической температурной шкале, хотя предполагалось, что она будет с предельной точностью соответствовать термодинамической шкале. Также необходимо рассмотреть шкалу температур, созданную Фаренгейтом. Она широко применяется опять же в Британии, где используется единица Лошадиная Сила. Также использование ее лежит в основе технической системы единиц, а также во многих других странах во многих ненаучных исследованиях.  Определяется данная шкала по двум основным точкам. Первая из них – температура таяния льда, равная 32 градуса по Фаренгейту. Вторая – температура кипения воды, равная 212 фаренгейт. Эти точки определяются при нормальном атмосферном давлении. Чтобы из шкалы Фаренгейта получить шкалу температур, созданную Цельсием, то нужно отнять от температуры по Фаренгейту 32, а затем результат умножить на 5/9. 

Единицы теплоты

На международном соглашении было принято такое положение, что  теплота представляет собой одну из форм энергии, следовательно, мерой этой величины можно назначить Джоуль.

Раньше для измерения теплоты  пользовались измерением температуры определенного количества воды, и поэтому стала широко известной и распространилась единица, называемая калорией. Под калорией понимают определенное количество теплоты, которое необходимо для того, чтобы увеличить на один  градус количество воды, объемом в  один грамм. Но так как существует зависимость теплоемкости воды от температуры, поэтому стало необходимым уточнить понятие калория и ее величину. В результате появилось 2 вида калории. Это калория «паровая», равная 4.1868 Джоуль, и калория термохимическая, величина которой равна  4.1840 Джоуль. Также есть килокалория  в диетологии, но там она используется в качестве килокалории, то есть в производной величине. Однако калория не входит в международную систему единиц СИ, и ввиду своего нечастого употребления практически вышла из употребления в области техники и науки.

Следующая страница: Закон о единстве измерений