Солнечное излучение. Солнечная радиация: географический словарь. Значение солнечной радиации для жизни на Земле

Измерять температуру человечество научилось примерно 400 лет назад. Но первые приборы, напоминающие нынешние термометры, появились только в Х V III веке. Изобретателем первого градусника стал ученый Габриэль Фаренгейт. Всего в мире было изобретено несколько разных температурных шкал, одни из них были более популярны и используются до сих пор, другие постепенно вышли из употребления.

Температурные шкалы - это системы температурных значений, которые возможно сопоставить между собой. Так как температура не относится к величинам, подлежащим непосредственному измерению, то значение ее связывают с изменением температурного состояния какого-либо вещества (например, воды). На всех температурных шкалах, как правило, фиксируют две точки, соответствующие температурам перехода выбранного термометрического вещества в разные фазы. Это так называемые реперные точки. Примерами может служить точка закипания воды, точка твердения золота и т. п. Одну из точек принимают за начало отсчета. Интервал между ними делят на определенное количество равных отрезков, являющихся единичными. За единицу повсеместно принят один градус.

Наиболее популярные и получившие самое широкое распространение в мире шкалы температур - шкала Цельсия и Фаренгейта. Впрочем, рассмотрим по порядку имеющиеся шкалы и попробуем сравнить их с точки зрения удобства использования и практической пользы. Наиболее известных шкал пять:

1. Шкала Фаренгейта была изобретена Фаренгейтом, немецким ученым. В один из холодных зимних дней 1709 года ртуть в термометре ученого опустилась до очень низкой температуры, которую он предложил принять за нуль по новой шкале. Другой реперной точкой стала температура человеческого тела. Температурой замерзания воды по его шкале стали +32°, а температурой кипения +212°. Шкала Фаренгейта не является особенно продуманной и удобной. Ранее она широко применялась в в настоящее время - практически только в США.

2. По шкале Реомюра, изобретенной французским ученым Рене де Реомюром в 1731 году, нижней реперной точкой служит точка замерзания воды. Шкала основана на использовании спирта, который расширяется при нагревании, за градус была принята тысячная часть объема спирта в резервуаре и трубке при нуле. Сейчас эта шкала вышла из употребления.

3. По шкале Цельсия (предложена шведом в 1742 году) за нуль принята температура смеси льда и воды (температура, при которой тает лед), другая основная точка - температура, при которой вода закипает. Интервал между ними решено было поделить на 100 частей, и одна часть принята за единицу измерения - градус Цельсия. более рациональна, чем шкала Фаренгейта и шкала Реомюра, и сейчас используется повсеместно.

4. Шкала Кельвина изобретена в 1848 году лордом Кельвином (английский ученый У. Томсон). На ней нулевая точка соответствовала самой низкой возможной температуре, при которой прекращается движение молекул вещества. Это значение было теоретически вычислено при изучении свойств газов. По шкале Цельсия это значение соответствует приблизительно - 273°С, т. е. нуль по Цельсию равняется 273 К. Единицей измерения новой шкалы стал один кельвин (первоначально именовался «градус Кельвина»).

5. (по фамилии шотландского физика У. Ранкина) имеет тот же принцип, что у шкалы Кельвина, а размерность ту же, что шкала Фаренгейта. Эта система практически не получила распространения.

Значения температур, которые дает нам шкала Фаренгейта и Цельсия, могут быть легко переведены друг в друга. При переводе «в уме» (т. е. быстро, не пользуясь специальными таблицами) значений по Фаренгейту в градусы Цельсия нужно исходную цифру уменьшить на 32 единицы и умножить на 5/9. Наоборот (из шкалы Цельсия в Фаренгейта) - умножить исходное значение на 9/5 и добавить 32. Для сравнения: температура по Цельсию - 273,15 °, по Фаренгейту- 459,67°.

Самыми известными, на данный момент, температурными шкалами являются шкалы Фаренгейта, Цельсия и Кельвина.

Температурная шкала Фаренгейта наиболее популярна в США. Измеряется температура в градусах, например, 48,2°F(сорок восемь и два градуса по Фаренгейту), символ F указывает, что используется шкала Фаренгейта.

Европейцы привыкли к температурной шкале Цельсия , которая измеряет температуру также в градусах, например, 48,2°C (сорок восемь и два градуса по Цельсию), символ С указывает, что используется шкала Цельсия.

Ученым более привычно оперировать с температурной шкалой Кельвина . До 1968 года кельвин официально именовался градусом Кельвина, потом было принято решение именовать значение температуры, измеренной по шкале Кельвина, просто в кельвинах (без градусов), например, 48,2 К (сорок восемь и два кельвина).

Даниель Габриель Фаренгейт свою шкалу изобрел в 18 веке, занимаясь изготовлением термометров в Амстердаме. За нулевую точку температуры Фаренгейт взял температуру замороженного раствора соли, который в то время использовался для получения низких температур в лабораторных условиях. Значение в 32°F немецкий физик установил для температуры плавления льда и замораживания воды (при повышении и понижении температуры соответственно). В соответствии с полученной шкалой, температура закипания воды равна 212°F.

В том же 18 веке шведский ученый Андерс Цельсий изобрел свою температурную шкалу, в основе которой лежит температура замерзания (0°C) и закипания (100°C) чистой воды при нормальном атмосферном давлении.

Шкала Кельвина была изобретена в 19 веке британским ученым Уильямом Томсоном , который впоследствии получил почетный титул барона Кельвина. В основу своей температурной шкалы Томсон положил понятие абсолютного нуля. Позднее шкала Кельвина стала основной в физике, и сейчас через нее определяются системы Фаренгейта и Цельсия.

По своей сути температура любого объекта характеризует меру движения его молекул - чем быстрее движутся молекулы, тем выше температура объекта, и наоборот. Чем ниже температура, тем молекулы движутся медленнее. При абсолютном нуле (0 К) молекулы останавливаются (чего в природе быть не может). По этой причине, достичь температуры абсолютного нуля или еще более низких температур невозможно.

Надо сказать, что градуировка шкал Кельвина и Цельсия совпадают (один градус Цельсия равен одному кельвину), а 0 К = -273,15°C.

Таким образом, связать температурные шкалы Кельвина и Цельсия очень просто:

K = C+273,15 C = K-273,15

Попробуем связать шкалы Цельсия и Фаренгейта.

Как известно, вода замерзает при 32°F и 0°C: 32°F=0°C . Закипает вода при 212°F и 100°C: 212°F=100°C .

Таким образом, на 180 градусов шкалы Фаренгейта приходится 100 градусов шкалы Цельсия (соотношение 9/5): 212°F-32°F=100°C-0°C.

Также следует учесть, что нулевая точка шкалы Цельсия соответствует 32-градусной точке шкалы Фаренгейта.

Учитывая вышеизложенные соответствия двух шкал, выводим формулу перевода температуры из одной шкалы в другую:

С = (5/9)·(F-32) F = (9/5)·C+32

Если решить данную систему уравнений, можно узнать, что -40°C = -40°F - это единственная температура, при которой значение обеих шкал совпадают.

Действуя аналогичным образом, связываем шкалы Кельвина и Фаренгейта:

F = (9/5)·(K-273,15)+32 = (9/5)K-459,67 K = (5/9)·(F+459,67)

Измерение теплоэнергетических величин

Одной из важнейших теплоэнергетических величин является температура. Температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела или его теплоэнергетический потенциал. Практически все технологические процессы и различные свойства вещества зависят от температуры.

В отличие от таких физических величин, как масса, длина и т.п., температура является не экстенсивной (параметрической), а интенсивной (активной) величиной. Если гомогенное тело разделить пополам, то его масса также делится пополам. Температура, являясь интенсивной величиной, таким свойством аддитивности не обладает, т.е. для системы, находящейся в термическом равновесии, любая часть системы имеет одинаковую температуру. Поэтому не представляется возможным создание эталона температуры, подобно тому, как создаются эталоны экстенсивных величин.

Измерить температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. Эти свойства тел называют термометрическими. К ним относятся длина, плотность, объем, термоэ.д.с., электросопротивление и т.д. Вещества, характеризующиеся термометрическими свойствами, называю термометрическими. Средство измерения температуры называют термометром. Для создания термометра необходимо иметь температурную шкалу.

Температурной шкалой называют конкретную функциональную числовую связь температуры со значениями измеряемого термометрического свойства. В этой связи представляется возможным построение температурных шкал на основе выбора любого термометрического свойства. В тоже время нет ни обного термометрического свойства, которое линейно связано с изменением температуры и не зависит от других факторов в широком интервале измерения температур.

Первые температурные шкалы появились в XVIII веке. Для построения их выбирались две опорные (реперные) точки t 1 и t 2 , представляющие собой температуры фазового равновесия чистых веществ. Разность температур t 2 - t 1 называют основным температурным интервалом. Немецкий физик Габриель Даниель Фаренгейт (1715 г.), шведский физик Андерс Цельсий (1742 г.) и французский физик Рене Антуан Реомюр (1776 г.) при построении шкал основывались на допущении линейной связи между температурой t и термометрическим свойством, в качестве которого использовали расширение объема жидкости V , т.е.

t = a + bV , (1)

где а и b – постоянные коэффициенты.

Подставив в это уравнение V = V 1 при t = t 1 и V = V 2 при t = t 2 , после преобразования получим уравнение температурной шкалы:

В шкалах Фаренгейта, Реомюра и Цельсия точке плавления льда t 1 соответствовали +32 0 , 0 0 и0 0 , а точке кипения воды t 2 – 212 0 , 80 0 и 100 0 . Основной интервал t 2 – t 1 в этих шкалах делится соответственно на N = 180, 80 и 100 равных частей, и 1/N часть каждого из интервалов называют градусом Фаренгейта – t 0 F, градусом Реомюра t 0 R и градусом Цельсия t 0 C. Таким образом, для шкал, построенных по указанному принципу, градус не является единицей измерения, а представляет собой единичный промежуток – масштаб шкалы.

Для пересчета температуры из одной шкалы в другую используют соотношение:

(3)

Позднее было выяснено, что показания термометров, имеющих разные термометрические вещества (ртуть, спирт и др.), использующих одно и тоже термометрическое свойство и равномерную градусную шкалу, совпадают лишь в реперных точках, а в других точках показания расходятся. Последнее особенно заметно при измерении температур, значения которых расположены далеко от основного интервала.

Это обстоятельство объясняется тем, что связь между температурой и термометрическим свойством на самом деле нелинейна и эта нелинейность различна для разных термометрических веществ. В частности, нелинейность между температурой и изменением объема жидкости объясняется тем, что температурный коэффициент объемного расширения жидкости сам изменяется от температуры и это изменение различно для разных капельных жидкостей.

На основе описанного принципа можно построить любое количество шкал, значительно различающихся между собой. Такие шкалы называют условными, а масштабы этих шкал - условными градусами.

Проблема создания температурной шкалы, не зависящей от термометрических свойств веществ, была решена в 1848 г. Кельвином, а предложенная им шкала названа термодинамической. В отличие от условных температурных шкал термодинамическая температурная шкала является абсолютной .

Термодинамическая шкала температур основана на использовании второго закона термодинамики. В соответствии с этим законом коэффициент полезного действия h тепловой машины, работающей по обратному циклу Карно, определяется только температурой нагревателя Т н и холодильника Т х и не зависит от свойств рабочего вещества:

(4)

где Q н и Q х – соответственно количество теплоты, полученное рабочим веществом от нагревателя и отданное холодильнику.

Кельвином было предложено для определения температуры использовать равенство

Следовательно, используя один объект в качестве нагревателя, а другой – в качестве холодильника и проведя между ними цикл Карно, можно определить отношение температур объектов путем измерения отношения теплоты, взятой от одного объекта и отданной другому. Полученная шкала температур не зависит от свойств рабочего вещества и называется абсолютной шкалой температур. Чтобы абсолютная температура имела определенное значение, было предложено принять разность термодинамических температур между точками кипения воды Т кв и таяния льда Т тл равной 100 0 . Принятие такой разности преследовало цель сохранения преемственности числового значения термодинамической температурной шкалы от стоградусной температурной шкалы Цельсия. Т.О., обозначая количество теплоты, полученной от нагревателя (кипящая вода) и отдаваемой холодильнику (тающий лед), соответственно через Q кв и Q тл, и приняв Т кв – Т тл = 100, получим:

и (6)

Для любой температуры Т нагревателя при неизменном значении Т тл холодильника и количества теплоты Q тл, отдаваемой ему рабочим веществом машины Карно, будем иметь:

(7)

Уравнение (6) является уравнением стоградусной термодинамической шкалы температур и показывает, что значение температуры Т по данной шкале линейно связано с количеством теплоты Q, полученной рабочим веществом тепловой машины при совершении ею цикла Карно, и, как следствие, не зависит от свойств термодинамического вещества. За один градус термодинамической температуры принимают такую разность между температурой тела и температурой таяния льда, при которой производимая по обратному циклу Карно работа равна 1/100 части работы, совершаемой в цикле Карно между температурой кипения воды и таяния льда (при условии, что в обоих циклах количество теплоты, отдаваемой холодильнику, одинаково).

Из определения к.п.д. следует, что при максимальном значении h=1 должна быть равна нулю Т х. Эта наименьшая температура была названа Кельвином абсолютным нулем. Температуру по термодинамической шкале обозначают «К».

Термодинамическая шкала температур, основанная на двух реперных точках, обладает недостаточной точностью измерения. Практически трудно воспроизвести температуры указанных точек, т.к. они зависят от давления, а также от содержания солей в воде. Поэтому Кельвин и Менделеев высказали соображение о целесообразности построения термодинамической шкалы температур по одной реперной точке.

Консультативный комитет по термометрии Международного комитета мер и весов в 1954 году принял рекомендацию о переходе к определению термодинамической шкалы с использованием одной реперной точки – тройной точки воды (точки равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах), которая легко воспроизводится в специальных сосудах с погрешность не более 0,0001 К. Температура этой точки принята равной 273, 16 К, т.е. выше температуры таяния льда на 0,01 К. Такое число выбрано для того, чтобы значения температур по новой шкале практически не отличались от старой шкалы Цельсия с двумя реперными точками. Второй реперной точкой является абсолютный нуль, который практически не реализуется, но имеет строго фиксированной положение.

В 1967 году XIII Генеральная ассамблея по мерам и весам уточнила определение единицы термодинамической температуры в следующей редакции: «Кельвин – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды». Термодинамическая температура может быть выражена также в градусах Цельсия:

t = T – 273,15 K (8)