Рівняння стану ідеального газу
дозволяє в якості термометрической величини взяти або p. або V. які можуть вимірюватися з великою точністю.
Як показує експеримент, досить розріджені гази дуже близькі до ідеального. Тому їх можна безпосередньо взяти в якості термометрического тіла.
Таким шляхом приходять до ідеально-газової шкалою температур. Ідеально-газова температура - це температура, яка відлічується з газового термометру, наповненому розрідженим газом. Перевага ідеально-газової шкали температур перед усіма іншими емпіричними температурними шкалами полягає в тому, що, як показує досвід, температура Т. певна по формулі (4), дуже слабо залежить від хімічної природи газу, яким наповнений резервуар газового термометра. Показання різних газових термометрів при вимірюванні температури одного і того ж тіла дуже мало відрізняються один від одного.
На практиці газовий термометр зазвичай реалізують наступним чином: обсяг газу V підтримується постійним, тоді індикатором температури служить вимірюється тиск p.
Закон Шарля для реперних точок в цьому випадку буде мати вигляд:
де p1 - тиск деякої маси газу, близького до ідеального, при температурі танення льоду Т1; р2 - тиск при температурі кипіння води Т2.
Градус температури, за визначенням, можна вибрати таким, щоб різниця між зазначеними температурами дорівнювала 100, тобто
Дослідним шляхом встановлено, що тиск р2 в 1,3661 рази більше, ніж р1. Отже, для обчислення Т2 і Т1 маємо два рівняння: До і. Рішення їх дає Т1 = 273,15 К; Т2 = 373,15 К.
Для визначення температури будь-якого тіла його приводять в контакт з газовим термометром і після встановлення теплової рівноваги вимірюють тиск р газу в термометрі. При цьому температура тіла визначиться за формулою
Звідси випливає, що при Т = 0 р = 0. Температуру, що відповідає нульовому тиску ідеального газу, назвали абсолютним нулем, а температуру, відлічувану від абсолютного нуля, - абсолютною температурою. Тут поняття абсолютного нуля температури введено на основі екстраполяції. У реальності в міру наближення до абсолютного нуля спостерігаються все більш і більш помітні відступи від законів ідеальних газів, гази починають конденсуватися. Суворе доказ існування абсолютного нуля температури засноване на другому початку термодинаміки.
(Абсолютна термодинамічна шкала температур)
В СІ домовилися шкалу температур визначати по одній реперною точці, в якості якої взята потрійна точка води. У так званої абсолютної термодинамічної шкалою температур або шкалою Кельвіна приймається за визначенням, що температура цієї точки дорівнює точно 273,16 К.
Такий вибір чисельного значення зроблений для того, щоб проміжок між нормальними точками плавлення льоду і кипіння води з максимально можливою точністю становив 100 К, якщо користуватися газовим термометром з ідеальним газом. Тим самим встановлюється спадкоємність шкали Кельвіна з раніше призначеними шкалою з двома крапками реперів. Вимірювання показали, що температури нормальних точок плавлення льоду і кипіння води в описаній шкалою рівні приблизно 273,15 і 373,15 К відповідно.
Певна таким чином шкала температур не залежить від індивідуальних властивостей термометрического речовини.
Абсолютна термодинамічна температура Т. відлічується по цій шкалі, є міра інтенсивності хаотичного руху молекул і є монотонною функцією внутрішньої енергії. Для ідеального газу безпосередньо пов'язана з внутрішньою енергією ().
Назва «термодинамічна» вона отримала тому, що абсолютно незалежно може бути виведена з чисто термодинамічних розрахунків на основі другого закону термодинаміки.
Абсолютна термодинамічна шкала є основною температурною шкалою у фізиці. В області температур, де придатний газовий термометр, ця шкала практично не відрізняється від ідеально-газової шкали температур.
Температура за шкалою Цельсія (t.) Пов'язана з Т (в К) рівністю
Температура не може бути виміряна безпосередньо. Тому дія термометрів засноване на різних фізичних явищах, що залежать від температури: на тепловому розширенні рідин, газів і твердих тіл, зміні з температурою тиску газу або насичених парів, електричного опору, термо-е.р.с. магнітної сприйнятливості та ін.
Основними вузлами всіх приладів для вимірювання температури є чутливий елемент, де реалізується термометрична властивість, і пов'язаний з ним вимірювальний прилад (манометр, потенціометр, вимірювальний міст, мілівольтметр і т.д.).
Еталоном сучасної термометрії є газовий термометр постійного об'єму (термометрической величиною є тиск). За допомогою газових термометрів температуру вимірюють в широкому інтервалі: від 4 до 1000 К. Газові термометри використовуються зазвичай як первинні прилади, за якими градуируют вторинні термометри, які застосовуються безпосередньо в експериментах.
З вторинних термометрів найбільшого поширення набули рідинні термометри, термометри опору і термоелементи (термопари).
У рідинних термометрах термометричною тілом, як правило, є ртуть або етиловий спирт. Зазвичай рідинні термометри застосовуються в діапазоні температур від 125 до 900 К. Нижня межа вимірюваних температур визначається властивостями рідини, верхня - властивостями скла капіляра.
У термометрах опору термометричною тілом є метал або напівпровідник, опір якого змінюється з температурою. Зміна опору з температурою вимірюють за допомогою мостових схем (див. Рис.). Термометри опору з металів застосовуються в інтервалі температур від 70 до 1300 К, з напівпровідників (термістори) - в інтервалі від 150 до 400 К, а вуглецеві - до температур рідкого гелію.
Широке поширення в температурних вимірюваннях отримали термометри на основі термопар. Термометричною тілом тут служать два спаяний різнорідних металів. Якщо два провідника з'єднати за схемою (див. Рис.), То вольтметр в ланцюзі буде реєструвати напругу, значен
ня якого пропорційно різниці температур спаїв 1 і 2. Якщо температуру одного з спаїв підтримувати постійною, то показання вольтметра будуть залежати тільки від температури другого спаю. Такі термометри особливо зручно застосовувати в області високих температур - близько 700-2300 К.
При дуже високій температурі матеріали плавляться і описані види термометрів незастосовні. У цьому випадку в якості термометрического тіла береться саме тіло, температуру якого необхідно виміряти, а в якості термометрической величини - випромінюється тілом електромагнітна енергія. За відомим законам випромінювання роблять висновок про температуру тіла. Міжнародний комітет мір і ваг встановив термодинамічну шкалу при температурі вище +1064 саме на основі законів випромінювання. Прилади, за допомогою яких вимірюється енергія випромінювання, називаються пірометрами.
При дуже низькій температурі ( "1К) також не вдається застосовувати звичайні методи вимірювання температур, оскільки вирівнювання температур при контакті відбувається дуже повільно і, крім того, звичайні термометричні величини стають непридатними (наприклад, тиск газу стає дуже малим, опір практично не залежить від температури ). У цих умовах також в якості термометрического тіла береться саме тіло, а в якості термометрической величини - характеристики його властивостей, наприклад, магнітних.