Сличение температурных шкал

Сличение температурных шкал является одной из ключевых задач в криофизике, так как точное измерение и согласование показаний разных термометров критично для низкотемпературных исследований. Процесс сличения основан на сравнении значений температуры, полученных различными термометрическими системами, и корректировке отклонений с учётом их физических характеристик.

Физическая природа температурных шкал

Температурные шкалы можно разделить на три основные группы:

  1. Термометрические шкалы – основаны на физических свойствах вещества, чувствительных к температуре, таких как объем, сопротивление, напряжение, давление насыщенного пара. Примеры: шкала Цельсия, Кельвина, Реомюра.
  2. Эталонные (термодинамические) шкалы – построены на основе фундаментальных физических констант или фазовых переходов вещества. Основная цель – обеспечить абсолютную воспроизводимость и независимость от конкретных приборов.
  3. Практические рабочие шкалы – используются в лабораториях и промышленности. Они включают калиброванные шкалы термометров и термопар, согласованные с международными стандартами.

Ключевой задачей сличения является установление взаимной соответствия между показаниями этих шкал.

Методы сличения температурных шкал

1. Сличение через точки плавления и кристаллизации

Использование фазовых переходов чистых веществ позволяет определить точку температурного эталона. Классическими примерами служат:

  • Точка таяния чистого льда (0 °C)
  • Точка кипения воды при нормальном давлении (100 °C)
  • Плавление металлов высокой чистоты (например, ртуть, индий, золото)

Метод основан на точности воспроизводимости фазового перехода и его независимости от конкретного термометра. Для криофизических исследований особенно важны переходы жидкость–газ и жидкость–твердое тело при низких температурах, например, сублимация азота, гелий I–II.

2. Сличение с использованием сопротивления металлов

Резистивные термометры (например, платино-резистивные Pt100, медные термометры) широко применяются для криогенных температур. Основные принципы:

  • Электрическое сопротивление металла изменяется с температурой практически линейно в широком диапазоне.
  • Эталонный платиновый термометр калибруется по фиксированным точкам фазовых переходов и используется для сличения других шкал.
  • Точность метода зависит от чистоты металла, кристаллографической структуры и качества контактов.

3. Сличение с помощью термопар

Термопары используют эффект Зеебека: напряжение, возникающее между двумя различными металлами при разности температур, пропорционально ΔT. Для сличения шкал:

  • Создаются эталонные термопары, калиброванные по фиксированным температурным точкам.
  • Другие термопары сравниваются с эталоном через измерение напряжения.
  • Применяются в диапазоне от 1 K до 1000 K, что делает их универсальными для криофизики.

4. Газовые термометры

Газовые термометры (идеальные и реальных газов) позволяют сличать шкалы через закон Бойля–Мариотта и уравнение состояния идеального газа:

pV = nRT

где p — давление, V — объем, n — число молей, R — универсальная газовая постоянная, T — температура. Особенности метода:

  • В идеальном случае измерение давления газа при известном объеме и количестве вещества позволяет определить абсолютную температуру.
  • Для низких температур используют гелий, азот и водород.
  • Метод дает точные результаты при сравнении термодинамической шкалы Кельвина с практическими шкалами сопротивления или термопар.

Взаимное сличение шкал

Для обеспечения единства измерений используется цепочка калибровок:

  1. Основные фиксированные точки (например, точка тройной точки воды, точки плавления чистых металлов).
  2. Эталонные термометры (газовые, платиновые, термопары).
  3. Лабораторные рабочие термометры, используемые в исследованиях.

Сличение включает коррекцию нелинейностей и температурных зависимостей приборов, что особенно важно при криогенных температурах (<4 K), где малейшие ошибки приводят к значительным отклонениям.

Особенности сличения при низких температурах

При температурах ниже 1 K необходимо учитывать:

  • Появление сверхтекучих фаз гелия.
  • Неидеальность резистивных и термоэлектрических материалов.
  • Квантовые эффекты, влияющие на теплоёмкость и термометрические свойства криогенных жидкостей.

Для точного сличения применяют магнитные термометры, основанные на изменении магнитной восприимчивости парамагнитных солей, и газовые термометры на гелии-3, которые обеспечивают прямую связь с термодинамической шкалой.

Стандартизация и международные нормы

Международное бюро мер и весов (BIPM) определяет Международную температурную шкалу ITS-90, которая обеспечивает:

  • Единообразие показаний термометров по всему миру.
  • Использование фиксированных точек (точка тройной точки воды, плавление меди, золота, индия и других металлов).
  • Сличение шкал сопротивления, термопар и газовых термометров с эталонной шкалой Кельвина.

Ключевые моменты для криофизики

  • Сличение температурных шкал критично для экспериментов при сверхнизких температурах.
  • Основой является использование воспроизводимых физических явлений (фазовые переходы, свойства металлов, газов).
  • Лабораторная практика требует корректировки приборов по эталонам и международным стандартам.
  • При температурах ниже 1 K необходимы специализированные термометры и учет квантовых эффектов.

Систематическое сличение шкал обеспечивает высокую точность измерений, воспроизводимость экспериментов и надежность данных в криофизике.

Оглавление