Шкалы температуры
| English | Русский |
|---|---|
| thermometer/θɜːˈmɒmɪtə/ | термометр |
| thermocouple/ˈθɜːməkʌpl/ | термопара |
| thermodynamic/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪk/ | термодинамическое |
| kelvin/ˈkelvɪn/ | кельвины |
| absolute zero/ˈæbsəluːt ˈzɪərəʊ/ | абсолютный ноль |
| Celsius/ˈselsɪəs/ | Цельсий |
How a thermometer 温度计 works
- A thermometer needs something that changes with temperature.
- A liquid expands, a metal's resistance rises, a gas swells.
- Read that change and you read the temperature.
Лабораторная работа по шкалам температуры
Индекс Кельвина = индекс Цельсия + 2.73
Переместите шкалу Цельсия и посмотрите, как смещается шкала Кельвина на 273.
Kinds of thermometer
- Anything that changes repeatably with temperature works:
- expansion of a liquid, resistance of a metal, e.m.f. of a thermocouple 热电偶, volume of a gas.
A thermometer measures temperature on a defined scale
Выберите все свойства, которые можно использовать для измерения температуры.
Любое свойство, которое изменяется повторяемо вместе с температурой, подходит. Фиксированный цвет корпуса не подходит.
The absolute scale
- The thermodynamic 热力学 (absolute) scale uses the kelvin 开尔文 (K) and depends on no single substance.
- Absolute zero 绝对零度 ($0\ \text{K}$) is the lowest possible temperature — least internal energy. Nothing is colder.
Абсолютный ноль (0 K) — это:
При 0 K система имеет наименьшую возможную внутреннюю энергию; ничего нельзя сделать холоднее.
Kelvin and Celsius 摄氏度
- $T/\text{K} = \theta/°\text{C} + 273.15$. So $0\ °\text{C} = 273\ \text{K}$.
- A kelvin and a Celsius degree are the same size, so a change of $1\ \text{K} = 1\ °\text{C}$.
- Always use kelvin in gas-law calculations.
Extrapolating the pressure-temperature line back to zero pressure gives absolute zero, about -273 degC
Чему равно $27\ °\text{C}$ в кельвинах?
$T/\text{K} = \theta/°\text{C} + 273 = 27 + 273 = 300\ \text{K}$.
Поднятие температуры на 1 K эквивалентно подъёму на 1 °C.
Обе шкалы имеют одинаковый размер градуса — различаются лишь их нулевые точки (на величину 273.15).
При расчетах по газовым законам температура должна быть выражена в:
Газовые законы используют абсолютную температуру — кельвины. Использование °C дает неверные результаты.
Температура составляет 27 градусов Цельсия. Чему она равна в кельвинах?
T = 27 + 273 = 300 K. Однако разница температур остается одинаковой в обеих шкалах: повышение на 27 °C равно повышению на 27 K.
Why the thermodynamic scale is special
- It does not depend on the property of any particular substance — it is defined from the behaviour of an ideal gas, with absolute zero and the triple point of water as its fixed points.
- A liquid-in-glass thermometer assumes its liquid expands uniformly with temperature. That is only approximately true, so it agrees with the thermodynamic scale exactly only at the points where it was calibrated.
- That is the exam's "explain why a liquid-in-glass thermometer does not measure thermodynamic temperature".
Что делает термодинамическую шкалу особенной? Выберите все подходящие варианты.
Единица измерения является следствием, а не определяющей характеристикой. Шкала ртутного термометра зависит от того, как именно расширяется ртуть; эта шкала ни от чего такого не зависит.
Choosing a thermometer
- Platinum resistance: resistance varies linearly and repeatably with temperature over a wide range — very accurate. But it has a large thermal capacity, so it is slow and cannot follow a rapidly changing temperature.
- Thermocouple: two metal junctions give an e.m.f.; tiny, fast, wide range, measures at a point — ideal for a changing temperature.
- Liquid in glass: cheap and simple; limited range, slow, and reads only where the bulb is.
Соотнесите каждый термометр с его ключевой особенностью.
Большая теплоемкость делает термометр сопротивления точным, но медленным; крошечная точка термопары реагирует быстро; абсолютная шкала определяется на основе поведения идеального газа, а не материала.
Соотнесите каждый термометр со свойством, которое он использует.
У термопары малая теплоемкость и быстрая реакция, поэтому ее выбирают для измерений при быстро меняющейся температуре.
Worked example: finding absolute zero, then converting
A fixed volume of gas has pressure $100\ \text{kPa}$ at $0\ °\text{C}$ and $136.6\ \text{kPa}$ at $100\ °\text{C}$. Then: a gas is heated from $27\ °\text{C}$ to $742\ °\text{C}$.
- Gradient: $\dfrac{136.6 - 100}{100} = 0.366\ \dfrac{\text{kPa}}{°\text{C}}$; pressure is a straight line in temperature.
- Extrapolate to zero pressure: $\theta = -\dfrac{100}{0.366} = -273\ °\text{C}$ — absolute zero.
- Convert: $27\ °\text{C} = 300\ \text{K}$; $742\ °\text{C} = 1015\ \text{K}$.
- Temperature change: $742 - 27 = 715\ °\text{C} = 715\ \text{K}$ — a difference is the same number on both scales.
- Check: absolute zero is where the pressure of an ideal gas would fall to zero; the gas would liquefy long before, which is why the point is found by extrapolation, not by cooling.
Газ нагревается от $20\ °\text{C}$ до $95\ °\text{C}$. Каково изменение температуры в К?
Изменение численно одинаково в обеих шкалах: $95 - 20 = 75\ °\text{C} = 75\ \text{K}$. Добавление 273 здесь было бы ошибкой.
Add $273$ to convert a Celsius temperature to kelvin, but a temperature difference is the same number on both scales — do not add $273$ to a $\Delta T$. A kelvin temperature can never be negative. And absolute zero is the temperature of minimum internal energy, not zero energy — "the molecules stop moving" is not an accepted answer.
Абсолютный ноль — это температура, при которой вещество имеет ____ внутреннюю энергию.
Не нулевую энергию — минимально возможную. Именно поэтому утверждение «молекулы перестают двигаться» не принимается.
You've got it
- a thermometer uses any property that changes repeatably with temperature; the thermodynamic scale depends on no substance
- absolute zero $= 0\ \text{K} = -273.15\ °\text{C}$, the lowest possible temperature (minimum internal energy)
- $T/\text{K} = \theta/°\text{C} + 273$; a difference is the same in K and °C; use kelvin in gas laws