Специфика температурных измерений, связанная с неаддитивностью температуры, требует построе-
ния температурной шкалы, в которой единица должна быть определена фактически в каждой точке этой
шкалы (во всей области реализуемых температур). Сущность такой (термодинамической) температуры рас-
крывается при изучении обратимого цикла Карно, осуществляемого тепловой машиной, при котором по-
глощаемое количество теплоты Q1 при температуре Т1 и отдаваемое количество теплоты Q2 при температу-
ре Т2 связаны однозначно между собой:
Q1 / Q2 = T1 / T2. (1)
Это соотношение не зависит от свойств рабочего вещества, участвующего в цикле. Входящая в вы-
ражение температура Т характеризует энергию внутреннего состояния и называется термодинамической
температурой, а построенная на ее основе температурная шкала называется термодинамической темпера-
турной шкалой (ТТШ), или — шкалой Кельвина. Именно термодинамическая температура входит во все
фундаментальные физические законы.
Особенность термодинамической температуры состоит также в том, что она является неаддитивной
физической величиной. Поэтому, если для эталонов длины, массы, и других аддитивных величин можно
опираться на воспроизведение размеров установленных единиц (метр, килограмм и др.), то для температуры
воспроизведение одной эталонной точки не позволит точно установить другие эталонные точки. Таким об-
разом, измерение температуры требует осуществить точное воспроизведение многих температурных точек,
совокупность которых образует температурную шкалу. Температуры, определяемые по этой шкале, должны
максимально совпадать с термодинамической шкалой температуры Кельвина. Это требование выполняется
тем, что носителями шкалы Кельвина в основном являются термометры сопротивления, градуированные по
результатам предельно точных измерений термодинамических температур, полученных и сопоставленных в
ведущих термометрических лабораториях мира. Кроме того, указанное требование выполняется за счет воз-
можности независимого воспроизведения международной шкалы в любой стране.
Для построения температурной шкалы необходимо выбрать начало отсчета и определить размер еди-
ницы. Естественным и удобным началом отсчета в ТТШ служит абсолютный нуль температуры; хотя он
практически не реализуем, но этого и не требуется ввиду того, что существование Т= 0 следует из самого
понятия термодинамической температуры. Выбор единицы в ТТШ достигают фиксацией—273,16 К — тем-
пературного интервала между абсолютным нулем и одной из наиболее точно реализуемых опорных (репер-
ных) точек — температурой тройной точки воды.
Такой размер единицы для измерений температуры наиболее близок к размеру единицы шкалы
Цельсия. Шкала Цельсия использует реперные точки, связанные с практически хорошо реализуемыми фазо-
выми состояниями системы молекул Н2О: точку таяния льда и точку кипения воды. Цельсий предложил ин-
тервал этих температур делить на 100 частей и тем самым ввел единицу для измерений температуры — гра-
дус Цельсия. Эта же единица была узаконена первой (I) ГКМВ в 1889 г., когда впервые принималась ТТШ
для температурных измерений. Последующие точные измерения термодинамической температуры различ-
ных фазовых состояний позволили установить, что наиболее точно воспроизводится тройная точка воды,
лежащая на 0,01°С выше точки таяния льда, и имеющая температуру 273,16°К. Десятая (X) ГКМВ в 1954
году установила ТТШ с одной реперной точкой—тройной точкой воды —и приписала ей точное значение T
= 273,16 К. Поэтому связь между температурой в градусах Цельсия (t) и термодинамической температурой
(Т) определяется соотношением t = T — T0, где Т0 = 273,15 К, а градус Цельсия (°С) равен Кельвину (К).
Наиболее точно ТТШ реализуется при помощи газового термометра, в котором используют то
обстоятельство, что реальный газ в достаточно разреженном состоянии близок к идеальному и, следова-
тельно, к нему можно применять уравнение (1). Однако газовый термометр является достаточно слож-
ным устройством, а измерения на нем (в частности — передача размера единицы по всей шкале темпе-
ратур) имеют серьезные трудности, длительны и кропотливы. Поэтому еще в 1927 г. 18 ГКМВ приняла
первый вариант международной практической шкалы (МПТШ-27). В дальнейшем (в 1948, 1960 и 1968
гг.) шкалу пересматривали в связи с новыми достижениями в температурных измерениях. В настоящее
время действует Международная температурная шкала образца 1990 г. (МТШ-90) с небольшими
редакционными изменениями.
При этом основной реперной точкой шкалы является кельвин, воспроизводимый в тройной точке во-
ды. Тройная точка воды может быть воспроизведена с погрешностью не хуже 0,0001°С. Это тепловое рав-
новесие воды в твердой, жидкой и газообразных фазах и использовано для построения исходного эталона
температуры.
Место
запайки Температурная шкала МТШ – 90 поддерживается двумя государ-
Пар
сосуда ственными первичными эталонами единицы температуры. Государствен-
ный эталон единицы температуры в диапазоне 0….2500°С представляет
комплекс эталонов, включающий эталон кельвина, установку для вос-
произведения реперных точек затвердевания цинка, серебра, золота и др.,
а также интерполяционных приборов – платиновых термометров сопро-
тивления и термоэлектрических термометров. Для измерения тройной
Слой Колба
точки воды используется газовый термометр.
термометра На рисунке 5 показана схема исходного эталона единицы темпера-
туры - кельвина. Внутрь защищенной от внешних источников тепла ка-
меры помещается сосуд (ампула) для образования тройной точки воды. В
воды
ампулу загружается лед (ледяная крошка). В результате длительного воз-
действия льда и воды в той области ампулы, которая соприкасается с ле-
дяной крошкой, образуется слой льда, а на внутренней области ампулы, в
Лёд
центре которой имеется цилиндрическая полость для помещения термо-
Рисунок 5. Эталон для вос- метра, остается очень тонкий слой воды. В верхней части ампулы вода
Вода
произведения единицы термо- находится в парообразном состоянии. Таким образом, воспроизводится
динамической температуры тройная точка воды. В качестве термометра, регистрирующего состояние
тройной точки воды, применяется газовый термометр, представляющий
замкнутый объем, снабженный главным манометром и точным ртутным
манометром для измерения давления газа. Температура с помощью газового термометра в первом прибли-
жении определяется по формуле PV=RT (для идеального газа), где Р и V- давление и объем термометра с
газом, R-газовая постоянная.
Государственный первичный эталон в диапазоне температур 0,8…303 К хранится во ВНИИФТРИ.
Эталон имеет ряд измерительных установок: в диапазонах 0,8…4,2 К, 4,2…13,81 К и выше. В диапазоне из-
мерений 0,8…4,2 К эталон имеет высокие метрологические характеристики: СКО не хуже 0,0006 К, неис-
ключенная систематическая погрешность 0,001 К. В диапазоне измерений 4,2…13,81 К значение СКО ре-
зультатов наблюдений составляет 0,0005 К, неисключенная систематическая погрешность не хуже 0,003 К.
Для наилучшего приближения к термодинамической температурной шкале в указанных диапазонах измере-
ний используется газовый термометр. В эталонных установках, воспроизводящих температуру выше 13,81
К, используются платиновые термометры сопротивления.