Международная температурная шкала

История и необходимость шкалы

Международная температурная шкала (International Temperature Scale, ITS) является фундаментальным инструментом точной калибровки и измерения температуры в научных и промышленных приложениях. Необходимость в унифицированной шкале возникла из-за того, что разные методы измерения температуры, такие как термометры на основе жидкости, сопротивления металлов или термопары, давали неодинаковые результаты при одинаковых условиях. Стандартизация позволяет согласовывать результаты измерений в разных лабораториях, что особенно важно в высокоточной криофизике и метрологии.

Основные принципы построения шкалы

Международная температурная шкала строится на основе определённых термометрических точек, которые соответствуют фазовым переходам чистых веществ. Эти точки используются как реперы для калибровки термометров. Ключевыми принципами являются:

1. Фиксированные точки – температуры плавления и кипения чистых веществ при нормальном давлении. Например, точки таяния цезия, индия, алюминия, золота.
2. Использование высокоточных термометров – резистивные термометры и термопары, позволяющие интерполировать температуру между фиксированными точками.
3. Согласованность и воспроизводимость – шкала обеспечивает точность измерений в диапазоне от нескольких миллиградусов до тысяч градусов Кельвина.

Международные версии шкалы

На сегодняшний день основными версиями международной температурной шкалы являются:

• ITS-27 – первая попытка стандартизации, принятая в 1927 году.
• ITS-48, ITS-68 – обновления, учитывающие новые термометрические точки и улучшенные методы измерения.
• ITS-90 – современная версия, принятая в 1990 году и используемая до настоящего времени.

ITS-90 охватывает диапазон от 0,65 К до 1357,77 К и включает в себя как низкотемпературные криометрические точки (например, кипение гелия), так и высокотемпературные точки плавления металлов.

Фиксированные термометрические точки

Ключевые фиксированные точки, используемые в ITS-90, включают:

• Низкотемпературный диапазон (0,65–24,5561 К): точки таяния гелия-3 и гелия-4, с использованием радиационного и газового термометров для точного определения температуры.
• Промежуточный диапазон (24,5561–273,16 К): точка таяния водяного льда (273,16 К) как основная реперная точка.
• Высокотемпературный диапазон (273,16–1357,77 К): точки плавления чистых металлов, таких как индий, алюминий, серебро и золото.

Эти точки позволяют формировать непрерывную шкалу путем интерполяции с использованием стандартных термометров сопротивления и термопар.

Методы интерполяции

Для температур между фиксированными точками применяются следующие методы:

1. Резистивные термометры – основаны на температурной зависимости электрического сопротивления металлов или полупроводников. В криофизике широко используются платиновые термометры, обеспечивающие высокую точность в диапазоне 13,8–961,78 К.
2. Термопары – соединения двух различных металлов, при которых возникает термо-ЭДС. Используются в высокотемпературной калибровке (например, Pt–Rh термопары).
3. Газовые термометры и радиационные методы – применяются для экстремально низких температур и для высоких температур, где прямое использование контактных термометров затруднено.

Погрешности и точность шкалы

ITS-90 обеспечивает воспроизводимость измерений с погрешностью:

• ±1 мК в диапазоне 13,8–273,16 К
• ±5 мК в диапазоне 273–961,78 К
• ±0,5 К для высокотемпературного интервала до 1357,77 К

Важным аспектом является различие между истинной термодинамической температурой и температурой ITS-90. ITS-90 является практической реализацией, и её значения могут отличаться от термодинамических на несколько миллиградусов, что учитывается в высокоточной криофизике.

Применение шкалы в криофизике

Криофизика требует точного измерения низких температур, особенно в исследованиях сверхпроводимости, квантовых эффектов и криогенной инженерии. ITS-90 предоставляет стандартизированный набор точек и методов, что позволяет:

• Калибровать криостатные системы.
• Определять фазовые переходы веществ при экстремально низких температурах.
• Согласовывать результаты экспериментов в разных лабораториях по всему миру.

Развитие и перспективы

Современные исследования направлены на расширение диапазона шкалы к еще более низким температурам, в том числе на милликельвиновый диапазон с использованием аддитивного охлаждения гелия-3 и гелия-4, а также на улучшение методов интерполяции и точности измерений. Новые подходы включают использование квантовых стандартов и оптических термометров, что позволит в будущем создать более точную и универсальную температурную шкалу для криофизики и других областей науки.