Skale temperaturowe

Co to jest temperatura?

Temperatura jest to skalarna wielkość fizyczna, charakteryzująca stan równowagi termodynamicznej układu makroskopowego. Zgodnie z zerową zasadą termodynamiki, każdemu stanowi równowagi układu fizycznego można przyporządkować pewną wielkość o takiej własności, że dwa ciała znajdują się w stanie równowagi termicznej wtedy i tylko wtedy, gdy ich temperatury są sobie równe.

Temperatura - skalarna wielkość fizyczna, jeden z parametrów określających stan układu termodynamicznego; jest miarą średniej energii kinetycznej chaotycznego ruchu cząsteczek (atomów) danego układu (ciała); jednostką temperatury w układzie SI jest kelvin (1K)

Skale temperaturowe

Skale temperatur są to zbiory wartości temperatur uporządkowanych w taki sposób, że każdej temperaturze (pojętej jako określony stan cieplny) przyporządkowana jest określona wartość wyrażona iloczynem wartości liczbowej i jednostki temperatury przyjętej w danej skali.

Zdefiniowanie skali temperatur wymaga:
1) Przyjęcia co najmniej jednej temperatury jako punktu podstawowego skali i przyporządkowanie tej temperaturze określonej wartości;
2) Określenia przyjętej jednostki temperaturowej;

Za punkty podstawowe skali temperatur przyjmuje się najczęściej temperatury równowagi międzyfazowej układów jednoskładnikowych (np. temperatury wrzenia, krzepnięcia, topnienia lub punktów potrójnych substancji czystych). Najczęściej wybiera się punkty i substancje odznaczające się dużą odtwarzalnością i niezmiennością. Na przykład temperatura punktu potrójnego wody (273,16 K = 0 C) czy temperatura wrzenia wody (100 C) pod ciśnieniem 101325 N/m3 (1 atmosfery fiz.)

Ponieważ temperatura należy do wartości, które mierzymy metodą pośrednią - mierząc inne wielkości zależne od temperatury, określenie jednostki temperaturowej wynika z przyjętej zależności pomiędzy wybraną własnością określonego ciała i temperaturą. Ciało takie nazywamy ciałem termometrycznym, a własność - własnością termometryczną. Tą ostatnią może być na przykład objętość określonej masy rtęci, ciśnienie określonej masy rzeczywistego gazu przy stałej objętości, opór elektryczny czujnika platynowego itd. W najprostszym ujęciu zależność pomiędzy temperaturą a wartością termometryczną przedstawia się liniowo. Teoretycznie możliwe jest istnienie nieskończonej ilości skal temperatur ze względu na dowolność w wyborze substancji termometrycznych i przyjmowanych punktów podstawowych skali. Do najważniejszych skal temperatur stosowanych obecnie należą: skala Kelvina, Celsjusza, Fahrenheita oraz mniej znane lub nie stosowane już skale: Rankine'a, Raumura oraz Międzynarodowa Praktyczna Skala Temperatur.

Skala Kelvina

Jest podstawową jednostką temperatury układu SI, powstała przez przyporządkowanie punktowi potrójnemu wody wartości równej 273,16 K. Za wartość zerową tej skali przyjęto temperaturę zera absolutnego. Jednostką temperatury w tej skali jest kelwin (1K). Wartość T dobrano w taki sposób aby między wartością temperatury Tk w skali Kelvina a wartością temperatury tc w skali Celcjusza zachodził związek.

Tc = Tk - 273,15 Tk = Tc + 273,15

Skala Celsjusza

Jest oparta na dwóch punktach stałych: 0C - temperaturze topnienia lodu przy ciśnieniu normalnym i 100C - temperaturze wrzenia wody przy ciśnieniu j.w. Jednostką temperatury w tej skali jest jeden stopień Celsjusza (1C). Początkowo skala Celsjusza była określana na podstawie cieplnych zmian objętości rtęci, następnie po wielu udoskonaleniach przekształcono ją w Międzynarodową Praktyczną Skalę Temperatur.

Skala Fahrenheita

Była początkowo oparta na dwóch punktach stałych: 0F - temperatura topnienia mieszaniny śniegu i salmiaku) i 100F, będącej naturalną temperaturą ciała ludzkiego. Obecnie skalę Fahrenheita definiuje się przez przyporządkowanie 0C wartości 32F oraz 100C - 212F. Jednostką temperatury w tej skali jest jeden stopień Fahrenheita. Związek pomiędzy temperaturą w skali Celsjusza i Fahrenheita ma postać:

Tf = 32 + Tc Tc = (Tf - 32)

Skala Raumura

Powstała przez przyporządkowanie temperaturze 0C wartości 0R,
a temperaturze 100C wartości 80R. Jednostką w tej skali jest jeden stopień Reumera. Skala ta nie jest obecnie stosowana.

Tr = Tc Tc = Tr

Skala Rankine'a

Powstała przez przyporządkowanie punktowi potrójnemu wody wartości 491,688 Rank. Jednostką temperatury w tej skali jest jeden stopień Rankine'a. Pomiędzy wartością w skali Rankine'a a wartością w skali Fahrenheita zachodzi związek:

Trank = Tf + 459,67

Międzynarodowa Praktyczna Skala Temperatur

Zamiennie skala Kelvina i Celsjusza.