В чем измеряется температура газа

Строй-справка.ру

Единицы измерения параметров газа
Единицы измерения параметров газа

Измерение давления газа. Газы, находящиеся в сосудах, оказывают на поверхности этих сосудов определенное давление, которое называют силой давления.

Силу, приходящуюся на единицу поверхности, принято называть давлением газа.

В системе СИ единицей измерения давления является ньютон на квадратный метр (Н/м2), т. е. давление, при котором на поверхность площадью в 1 м2 действует сила в 1 Н, причем ньютон — это единица силы, сообщающая телу массой в 1 кг ускорение 1 м/с2. Единица паскаль (Па) обозначает давление, вызываемое силой 1 ньютон, равномерно распределенной на поверхности площадью 1 м2.

Давления могут быть избыточными и абсолютными. Газопроводы находятся под действием избыточного давления, т. е. разности внутреннего и наружного давлений. Величину избыточного давления измеряют манометрами, а для получения абсолютного давления необходимо к избыточному давлению прибавить атмосферное.

Измерение температуры. Температура является мерой теплового состояния тела. С изменением температуры свойства тел изменяются. Теплота всегда самопроизвольно переходит от более нагретых тел к менее нагретым. Объясняется это тем, что в холодном теле молекулы двигаются медленнее, чем в теплом. При соприкосновении тел в нагретом теле скорость движения молекул уменьшится и температура понизится, а в теле с низкой температурой температура повысится за счет увеличения скорости движения молекул. При нагревании тела расширяются и увеличивают объем. Больше всего расширяются газообразные тела и меньше твердые.

Пример. Газопровод длиной 100 м при нагревании до 100°С увеличит свою длину только на 12 см; 100 л воды при нагревании до 100 °С увеличат свой объем на 4 л. При нагревании газа от 0 до 273°С его объем увеличивается в 2 раза.

Температура газа, транспортируемого по газопроводам, измеряется термометрами, шкала которых имеет две постоянные точки: точку таяния льда (0 °С) и точку кипения воды (100°С).

Применяется также и шкала Кельвина. На этой шкале точка 0 соответствует абсолютному нулю, т. е. такой степени охлаждения тела (температура тела), при которой прекращается всякое движение молекул любого вещества. Абсолютный нуль, принимаемый за начало отсчета температур в системе СИ, в технической системе равен 273,16 °С. Таким образом, деления 100-градусной шкалы равны делениям абсолютной шкалы, а показания абсолютной шкалы больше на 273,2°.

Пример. Если продукты сгорания газа имеют температуру по Цельсию 200°, то по абсолютной шкале Кельвина та же температура равна Г = 200+273,16 = 473,16 К. Если написано Т= = 673,16 К, то это значит, что температура по 100-градусной шкале составит t = Т—273,16 = 673,16—273,16 = 400 °С.

Для измерения температуры пользуются жидкостными термометрами, в которых используют свойство жидкостей изменять свой объем в зависимости от температуры. Диапазон измерения температур жидкостными термометрами от —200 до 1200 °С.

Наиболее точны и просты в обращении ртутные термометры. Ртуть не смачивает стекла, не загрязняет поверхности. Нижним пределом, ограничивающим применение ртути, является температура замерзания —38,9 °С. Температура кипения ртути при атмосферном давлении (357 °С) не является предельной. Для повышения верхнего предела пространство капилляра над ртутью заполняют инертным по отношению к ртути азотом.

При измерении температур до —70 °С используют спиртовые и толуоловые термометры. Применение пентана позволяет измерять температуры до —200 °С.

Вместо ртутных термометров можно использовать платиновые и медные термометры сопротивления.

Измерение количества теплоты. До последнего времени в качеcтве основной единицы измерения количества теплоты принималась калория (кал). Калория — это количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 г дистиллированной воды для повышения ее температуры с 19,5 до 20,5 °С при давлении 101,325 кПа.

В теплотехнике применялась укрупненная единица измерения — килокалория (ккал), равная 1000 кал. Килокалория (ккал)—это такое количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг дистиллированной воды для повышения ее температуры на 1°.

Теплота является одним из видов энергии, способным производить работу. В системе единиц СИ теплота выражается универсальной единицей — джоулем (Дж).

Джоуль — это работа, которую совершает сила в 1 Н на пути в 1 м. Можно применить и более крупную и удобную единицу (килоджоуль), равную 1000 Дж, 1 Дж = 0,239 кал.

Горение любого топлива, в том числе и газового, сопровождается выделением теплоты. При этом количество теплоты, выделяемое при сжигании различных видов топлива, неодинаково. Поэтому введено понятие удельной теплоты сгорания.

Удельной теплотой сгорания газового топлива называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 нм3 или 1 кг газа. Теплоту сгорания газообразного топлива измеряют в килокалориях на кубический метр (при температуре 0 или 20 °С и давлении 760 мм рт. ст.). Теплота сгорания определяется с помощью специальных приборов — калориметров — или расчетным путем, если известен химический состав газового топлива.

Высшая теплота сгорания газового топлива соответствует условию, при котором водяные пары продуктов сгорания доводятся до жидкого состояния. В реальных условиях сжигания газа водяные пары не конденсируются, а находятся в парообразном состоянии. Понятие низшей теплоты сгорания относится только к тем газам, которые при сгорании выделяют водяные пары. Разница между QB и QH составляет около 600 ккал на каждый килограмм водяных паров, т. е.

6 ккал на каждый процент влаги, содержащейся в топливе или образующейся при сгорании водорода, входящего в состав горючего газа.

ния обозначают низшие и высшие теплоты сгорания метана, этана и т. д., пересчитанные на 1% горючего компонента.

Для удобства сравнения различных видов топлива введено понятие условного топлива, теплота сгорания которого принимается равной 7000 ккал/кг, или 29 288 кДж/кг.

Чтобы привести любое топливо к условному, необходимо значение его низшей теплоты сгорания разделить на эту величину.

Величина, показывающая, во сколько раз теплота сгорания данного топлива больше теплоты сгорания условного топлива, называется тепловым эквивалентом.

Измерение объема и плотности газов. Объем газа измеряется в кубических метрах (м3). В связи с тем что объем газов значительно изменяется при нагревании, охлаждении и сжатии, для сравнения объемных количеств газа их приводят к нормальным и стандартным условиям.

Нормальными условиями принято считать температуру 0 °С (273,2 К) и давление 101,325 кПа. На практике за единицу измерения количества газа принимают 1 м3 газа, взятого при давлении 101,325 кПа, температуре 20 °С и влажности, равной 0. Эти условия принято считать стандартными.

Чтобы показать, на сколько 1 м3 данного газа легче или тяжелее 1 м3 воздуха, определяют относительную плотность. Для этого необходимо плотность газа разделить на плотность воздуха при нормальных условиях.

Навигация:
Главная → Все категории → Основы газового хозяйства

Измерение температуры газа

Определение фактической температуры газа с разумной степенью точности является весьма существенным при выборе соответствующего механизма очистки и очищающей среды.

Когда подвергающиеся очистке газы находятся в какой — либо емкости или проходят по газоходу, температура стен которого отличается от температуры газа, то измерение температуры газа должно учитывать эффект теплового излучения, присущий системе. Так, если газы холоднее окружающей их стены, то стены будут, излучать тепло в направлении теплоизмерительного элемента, и зарегистрированная температура будет выше фактической температуры газа и наоборот, для газов, более горячих, чем газоход термоизмерительный элемент будет излучать тепло в направлении окружающих стен и таким образом не достигнет реальной температуры газа. Перенос тепла излучением приводит к большой разнице температур и очень быстро растет при увеличении температуры; так, при температуре порядка 1500С разница достигает 200 — 300С. В емкости или газопроводе с теплоизоляцией, где температура внутренней стенки близка к температуре газов, температура, измеренная термочувствительным элементом, практически равна температуре газа.

Термочувствительные элементы. К ним относятся термометры и термопары. Обычные стеклянные ртутные термометры используются при температурах ниже 0°С и до 350С. Стеклянный спиртовой термометр позволяет отодвинуть нижний предел измеряемых температур до — 80С. Платиновые термометры сопротивления отличаются высокой точностью и могут применяться в пределах от — 200 до + 600С, а иногда и выше.

Термопары медь — константан используются в пределах от — 200 до + 400 С, тогда как верхний предел для других основных металлических термопар, из которых наиболее распространенной является хромель — алюмелевая, достигает 1200 С. Термопары из благородных металлов в настоящее время могут использоваться при непрерывном измерение температуры газадо температуры 2400 или при периодическом — до 2800С (например, термопара рений — вольфрам). Характеристика термопар приведена на рис. II-4.

Ниже приведены наиболее распространенные термопары, по которым проводят измерение температуры газа до 2800°С (в скобках — экстремальная температура).

При применении термопары в агрессивных средах она должна быть защищена чехлом. Для температур ниже 1000С достаточно металлического чехла, тогда как при несколько более высоких температурах можно использовать кварцевые чехлы; однако эти чехлы сами являются коррозионноопасными для термопар из благородных металлов. Чехлы из модифицированного (перекристаллизованного) оксида алюминия могут применяться вплоть до 1850 С. При более высоких температурах можно использовать оксид бериллия.

Калибрование термочувствительного элемента. Основными (первичными) реперными точками являются температура плавления льда (0С), температура кипения воды (100,0С), температура кипения серы (444,60 С) и температуры плавления серебра (960,5 С и золота (1063С). Вторичной реперной точкой служит температура плавления палладия (1552С), хотя ею может быть и температура плавления никеля (1452С).

Платина плавится при 1769 С. Для дальнейшего расширения шкалы можно использовать температуры плавления некоторых других металлов (родий — 1960С, иридий — 2443;С и т. д.). Лохман использовал эталонный оптический микропирометр для калибрования термопар из благородных металлов до 2200 С в высокотемпературной лабораторной печи. Несколько позже Цик и Тонсхоф привели детальное описание конструкции печи (до 2400 С) с вольфрамовыми стенками (рис. II-5). Были приняты специальные меры предосторожности для того, чтобы избежать эмиссионных коррекций; для этого термопару помещали внутри черного тела — молибденового цилиндра с покрытием из ВеО.

Радиационные потери от термочувствительного элемента могут быть уменьшены различными путями.

Термопары различных размеров. Радиационные потери тепла пропорциональны площади поверхности головки, образованной спаем двух проволок. В этом случае, чем меньше термопара, тем меньше потери тепла. Тогда, используя ряд термопар различных размеров и нанося на график зависимость измеренной температуры от площади поверхности термопары, можно получить кривую (которая обычно имеет вид практически прямой линии) и экстраполировать ее до температуры, соответствующей нулевой площади поверхности.

Рис. II-5. Высокотемпературная калибрационная печь для термопар:

1 — термопара; 2 — сальник; 3 — верхний электрод; 4 — изоляция; 5 — нагревательный элемент; 6 — радиационные щиты; 7 — оболочка с водяным охлаждением; 8 — температурный шов; 9 — черное тело; 10 — смотровой люк; 11 — электродный зажим; 12 — нижний электрод.

Эта величина представляет собой измеренную фактическую температуру газа. Метод особенно пригоден для замкнутых систем или для тех случаев, когда отбор больших объемов газа, необходимых для отсасывающих и пневматических пирометров, в значительной степени влияет на температуру газа.

Отсасывающие пирометры. Другим способом, по которым производят измерение температуры газа является экранирование термочувствительного элемента от излучающих стен; для этого элемент окружают так называемыми радиационными экранами и, газы при высокой скорости просасывают через термочувствительный элемент (обычно термопару), при этом увеличивается конвекционный перенос тепла к элементу. Число требуемых экранов зависит от температуры газа, а выбор конструкционных материалов — как от химических свойств газов, так и от температуры.

Так, например, инконель (75 — 80% Ni, 15 — 20% хрома, остальное — железо) может применяться при температурах до 1100 — 1200°С при условии, что в газах присутствует лишь незначительное количество оксида серы (IV).

Рис. II-6. Устройство отсасывающего пирометра (а) с внутренним (б), оребренным стальным (в) и радиационным (г) жаропрочными экранами:

1 — экран термопары (тип 4m); 2 — термопара Pt-Pt-Pd; 3 — защелкивающаяся шпилька для крепления экрана; 4 — фланец; 5 — металлический сильфон; 6 — отводы (6,35 мм) для воды; 7 — трубка на всасе (31,7 мм); 8 — катушка с запасным приводом термопары; 9, 13 — держатели; 10 — металлический экран термопары; 11 — жаропрочный экран; 12 — переход.

Таблица II-1 Эффективность термопар, экранизированных радиационными экранами из стали.

Для газов с высоким содержанием SО₂ предпочтительнее использовать нержавеющую сталь с высоким содержанием хрома; она может применяться в этом же интервале температур. Для работы при более высоких температурах экраны изготовляют из огнеупорной керамики (муллит, алунд).

Термопару обычно помещают в чехол для предотвращения ее окисления газами. Все устройства — термопара, чехол и радиационные экраны — монтируется на конце пробоотборника из нержавеющей стали, который должен охлаждаться водой, если измеряемая температура более 900 С. Типичный отсасывающий пирометр представлен на рис. II-6, где показаны три типа радиационных экранов.

Газовый поток просасывают через термопару с помощью эжектора, расход определяют с помощью измерительной диафрагмы.

Поскольку огнеупорные многослойные экраны очень хрупки, их конструкция видоизменена так, чтобы они могли быть смонтированы в кожухе отсасывающего пирометра (см. рис. II-6). Экспериментально было показано, что для отсасывающего пирометра такого типа наилучшие результаты были получены тогда, когда термопару помещали на расстоянии 35 мм от конца экранов. Если термопару передвинуть ближе к входу, возможно влияние излучения стенок через входное отверстие; если ее отодвинуть вглубь, оказывают влияние водоохлаждаемые стенки.

Точное измерение температуры газа с помощью отсасывающего пирометра зависит от фактической температуры газа, температуры окружающей среды и скорости просасывания газа через термопару. Если газ не проходит через термопару, показания температуры содержат некоторую ошибку, при увеличении скорости газового потока ошибка снижается. Степень уменьшения ошибки называется эффективностью пирометра. Эффективность отсасывающего пирометра, работавшего при скорости потока 150 м/с, была найдена для температур до 1600 °С и числа экранов свыше Ю (табл. II-1).

Эффективность пирометра при скоростях просасывания газа, отличающихся от 150 м/с, можно получить путем умножения действительного числа радиационных экранов на коэффициент, приведенный ниже:

Таблица II-2. Массоперенос воздуха.

Поскольку плотность газов при высоких температурах ниже чем при температуре окружающей среды, а массоперенос измеряется после того, как газы охладились при проходе через пробоотборник с водяным охлаждением, то при измерении скорости газового потока с помощью измерительной диафрагмы необходимо ввести поправку на плотность. Значения массопереноса воздуха приведенные в табл. II-2, позволяют оценить скорость газа у термопары с использованием данных, полученных на измерительной диафрагме.

Металлические радиационные экраны в процессе эксплуатации быстро темнеют и ведут себя как абсолютно черное тело (коэффициент излучения равен 1), тогда как экраны из огнеупорной керамики светятся при высокой температуре, и их коэффициент эмиссии меньше единицы.

Эквивалентное число других экранов может быть вычислено с помощью коэффициента f — функции отношения толщины отражающей трубки w и ее теплопроводности х (табл. II-3):

f = 4aT 3 w/x (II-2)

где w — толщина трубки, мм; х — теплопроводность трубки, кал/(мм*с*°С); Т — температура,°С; а — константа.

Таблица II-3. Значения f для различных w/x .

Таблица II-4. Число простых металлических экранов, эквивалентных жаропрочному экрану.

Для известного значения коэффициента излучения огнеупорного материала и значения f из табл. II-4 можно найти эффективное число металлических экранов, эквивалентное одному экрану из огнеупорного материала.

Для огнеупорных экранов следует сделать необходимый допуск на шероховатость поверхности, равный √2, таким образом эквивалентное число экранов следует умножить на 1,41. Если огнеупорные экраны изготовлены из набитой трубы (тип Шака), то коэффициент допуска равен 2,5. Пример, иллюстрирующий это положение, приведен в Приложении.

Для расчета эффективности всасывающего пирометра можно также использовать более быстрый метод, позволяющий получить оценочное значение реальной температуры газа. Метод основан на том, что эффективность прибора резко возрастает (от нуля) с начала ускорения газа и растет медленнее при дальнейшем увеличении скорости газа. Поэтому форма кривой скорость — температура от нулевой до реальной скорости газового потока может быть использована для определения эффективности пирометра при любой скорости потока. Для определения формы кривой необходим еще один фактор, характеризующийся температурой Т1/4, показанной прибором при скорости потока, равной одной четвертой максимальной скорости. Коэффициент формы k равен

(II.3)

где Т₀ и Т_max температура, показанная прибором соответственно при нулевой и максимальной скорости потока.

Инерционность отсасывающих пирометров относительно невелика и зависит от материала головки. Так, для металлических готовок равновесная температура достигается в течение 2 мин, тогда как для циркониевых головок это время в два раза больше.

Если плотность газов мала (т. е. ниже плотности атмосферного воздуха), коэффициент теплопереноса от газа к термопаре мал, и при 30 кПа ошибка для обычного отсасывающего пирометра ставит около 5%. Эта ошибка может быть устранена, если спай термопары поместить в поток газа, движущийся вдоль него со скоростью звука, непосредственно за горловиной суживающегося сопла, смонтированного в конце внутреннего радиационного экрана.

Пневматический пирометр. В тех случаях, когда газ просасывается через сужение в трубе, падение давления в этом сужен является функцией его геометрии, расхода и плотности газа. Плотность, в свою очередь, зависит от абсолютного давления газа, с абсолютной температуры и состава.

В пневматическом пирометре постоянная проба горячего газа просасывается через сужение, охлаждается и затем просасывается через второе сужение, где измеряется его температура. Температуру горячего газа рассчитывают, зная перепад давления при его переходе через два сужения и температуру во втором (холодном) сужении. Расчет может быть проведен автоматически с помощью простой аналоговой вычислительной машины.

В общем случае для несжимаемого газа падение давления ∆р в сужении трубки связано с массопереносом m уравнением

где k — коэффициент сужения сопла; р — плотность газа.

Из газового закона

где М — масса 1 моль газа; Р — общее давление газа; R — универсальная газовая постоянная.

В пневматическом пирометре сужения расположены последовательно, поэтому массоперенос одинаков для обоих сужений. Если индекс 1 относится к горячему газу, а индекс 2 — к холодному, то
(II.6)

Если потеря давления между двумя сужениями настолько мала, что ею можно пренебречь, то Р₁ = Р₂. Далее, поскольку диссоциация молекул, например, в отходящих газах, пренебрежимо мала при температурах до 2000 °С, то М₁ = М₂. Даже для температур около 2500 °С рассчитанный эффект диссоциации составляет лишь 5% для отходящих газов типичного состава.

Необходимо также соблюдение условия, чтобы между сужениями не происходило конденсации паров и поток находился в турбулентном режиме. Тогда уравнение (II.5) может быть упрощено:

Рис. II-7 Пневматический пирометр Вентури.

1 — датчик температуры; 2 — горловина Вентури (холодная); 3 — трубка для газа; 4 — линии давления; 5 — горловина Вентури (горячая); 6 — уплотнительное кольцо; 7 — верхняя точка отбора давления; 8 — вставка Вентури.

В приборе, разработанном в лабораториях В.С.Р.И.А, этот принцип используется в пневматическом пирометре Вентури, показанном на рис. II-7.

Пробоотборник диаметром 57 мм с водяным охлаждением изготовлен из бронзы или нержавеющей стали. Его длина зависит от конкретной области применения. Разработка горячего циклона Вентури представляется весьма сложной. Он изготовлен из коррозионностойкой стали и герметично соединен со штуцером с помощью каучуковых О-образных колец.

Водоохлаждаемая трубка облицована бронзой, чтобы предотвратить конденсацию влаги, содержащейся в газах. Холодный циклон Вентури расположен за водоохлаждаемой секцией температуру газа определяют с помощью платинового термометра сопротивления, поскольку изменение сопротивления этих термометров пропорционально абсолютной температуре в рассматриваемой области температур.

Контрольно — измерительная аппаратура должна автоматически обеспечивать решение уравнения (II.6). Для этого разность давлений ∆p₁ и ∆р₂ преобразуется в электрические сигналы с помощью датчиков давления — преобразователей Бодуэна, рассчитанных на давления от 0 до 5 кПа и питаемых переменным током кГц от транзисторного осциллографа. Каждый датчик включает в себя дифференциальный трансформатор, поэтому выходной сигнал пропорционален приложенной разности давлений. Переменный к сигнала выпрямляется с помощью кремниевого выпрямителя, затем один сигнал проходит через термометр сопротивления, а другой — поступает на подвижный контакт потенциометра. Разность потенциалов на сопротивлении подается на вход потенциометра, который показывает непосредственно абсолютную температуру горячего газа.

Это устройство гораздо проще, чем существовавшие ранее, где вместо термометров сопротивления применялись термопары.

Котельный завод «Циклоны ЦН»

Оставьте ваши контактные данные и наши менеджеры свяжутся с вами

Права на тексты, фотографии, изображения и иные результаты интеллектуальной деятельности, расположенные на сайте xn—-otbgekbe4dg2c.xn--p1ai, подлежат правовой охране в соответствии с действующим законодательством РФ, Гражданским кодексом РФ (часть четвертая) от 18.12.2006 № 230-ФЗ. Запрещено использование (воспроизведение, распространение, переработка и т.д.) любых материалов, размещенных на данном сайте, без письменного согласия правообладателя. Такое использование является незаконным и влечет ответственность, установленную действующим законодательством РФ.

Обращаем ваше внимание на то, что данный интернет-сайт носит информационный характер и не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 (2) Гражданского кодекса Российской Федерации. Для получения подробной информации о наличии, стоимости, комплектации указанных товаров и (или) услуг, обращайтесь к менеджерам отдела сбыта с помощью специальной формы связи или по телефону: 8-800-700-17-43.

Единицы измерения температуры и количества тепла

Основной единицей измерения температуры был градус Международной температурной шкалы, практически соответствующий градусу Цельсия. Эта величина равна 1/100 температурного интервала между 0 и 100 °С, т. е. между температурами плавления льда и кипения воды при давлении 760 мм рт. ст.

Абсолютной температурой называется температура, отсчитываемая от абсолютного нуля, т. е. от –273,16 °С, и измеряемая в градусах Кельвина (°К). Градус Кельвина по величине не отличается от градуса Цельсия. Поэтому абсолютная температура выражается в градусах стоградусной шкалы следующим образом:

В системе СИ единицей измерения температуры установлен градус Кельвина. Допускается для выражения практических результатов измерений температуры применение градуса Цельсия наряду с градусом Кельвина, в зависимости от начала отсчета (положения нуля) по шкале.

В системе СИ работа, энергия и количество теплоты измеряются в джоулях (Дж). Иногда применяют более крупную и удобную для практических целей единицу — килоджоуль (кДж), равный 1000 Дж. За единицу работы в СИ принимают работу, совершаемую силой в 1 Н на перемещении в 1 м. Энергия — физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело.

В качестве внесистемных тепловых единиц допускается применение калории и килокалории. Калория — это количество тепла, необходимого для нагрева 1 г воды на 1 °С (от 19,5 до 20,5 °С).

1 кал (калория) = 4,1868 Дж;
1 ккал (килокалория) = 1000 кал = 4186,8 Дж = 4,187 кДж;
1 Мкал (мегакалория) = 10 6 кал = 4,1868 МДж;
1 Гкал (гигакалория) = 10 9 кал = 4186,8 МДж.

Для сравнения при оценке топлива применяется так называемое условное тепло, теплота сгорания которого для расчета принимается условно равной 7 Мкал/кг или 7 Гкал/т. В таких случаях говорят соответственно об 1 кг или 1 т условного топлива (т. у. т.).

Единицы измерения температуры

Изучая геометрию, используют длину как основную единицу (остальные единицы производные), в кинематике добавляется вторая основная единица — время, динамика дает третью основную единицу — массу, изучение теории тепловых явлений требует введения новой основной единицы — температуры. Температуру определяют как степень нагретости тел. Однако такое определение является качественным, субъективным и не имеет указания на то, как производить измерения температуры. Методы измерения температуры получили свое развитие только после того, как температуру связали с длиной, объемом и т.д., параметрами, которые можно непосредственно измерять. Численные методы измерения температуры имеют свои корни в XVII веке. Свой термоскоп демонстрировал Г. Галилей.

Еще позднее было показано, из основного уравнения молекулярно-кинетической теории газа, что температура является мерой средней кинетической энергии молекул. Исторически температура была введена в науку как термодинамический параметр, ее единицей стали считать градус. После того, как определили связь температуры со средней кинетической энергией молекул, стало понятно, что температуру можно определить как энергию и единицей ее считать джоуль или эрг.

Все единицы измерения температуры делят на две большие группы: относительные температуры и абсолютные. Например, градус Цельсия, градус Фаренгейта — единицы измерения температуры, относящиеся к группе относительных температур. Кельвин, градус Ранкина- единицы измерения температуры, которые относят к группе абсолютных температур.

Кельвин, градус Цельсия — единицы измерения температуры в системе СИ

В Международной системе единиц (СИ), единицей термодинамической температуры ($T$) является кельвин (К). Это основная единица данной системы единиц. Один кельвин — это термодинамическая температура равная $\frac<1><273,16>$ части от температуры тройной точки воды. К недостатками такого определения относят то, что попытки получить температуру в один кельвин связаны с зависимостью от чистоты и изотопного состава воды. Существуют попытки дать определение одного кельвина через величину постоянной Больцмана ($k=1,38\cdot <10>^<-23>\frac<Дж><К>$). Вероятно в таком случае один кельвин — это будет такое изменение температуры, которое ведет к изменению энергии (на одну степень свободы) равному $kT$=$1,38\cdot <10>^<-23>Дж$.

Единица термодинамической температуры именована в честь английского ученого У. Томсона (лорда Кельвина). Вплоть до 1968 г. единицу термодинамической температуры называли градусом Кельвина. Начало шкалы термодинамической температуры совпадает с абсолютным нулем ($T=0К$).

Кратные и дольные единицы кельвина получают используя стандартные приставки системы СИ, например, кК — килокельвин ($1кК=<10>^3К$); пК -пикокельвин ($1пК=<10>^<-12>К$) и т.д.

Градус Цельсия ($<\rm<>^\circ\!C>$) — это еще одна единица измерения температуры ($t$), которую используют в системе СИ совместно с кельвином. Свое название $<\rm<>^\circ\!C>$ получил в честь шведского ученого А. Цельсия, который создал свою шкалу измерения температуры. На сегодняшний момент градус Цельсия равен кельвину, однако ноль шкалы температур по Цельсию сдвинут относительно шкалы Кельвина:

Градус Фаренгейта, градус Реомюра, градус Ранкина — единицы измерения температуры

Шкала Фаренгейта и соответственно, такая единица измерения температуры как градус Фаренгейта ($<\rm<>^\circ\!F>$) много применялись в англоязычных странах. Сейчас $<\rm<>^\circ\!F>$ используют в быту сравнительно не много стран, например такие как: США, Багамы, Белиз, Палау, Каймановы острова. В Канаде используют и градусы Цельсия и градусы Фаренгейта.

Температура по Цельсию ($t$) и температура по Фаренгейту ($t_F$) соотносятся как:

Так, следуя выражениям (2) температура таяния льда по Фаренгейту при нормальном давлении равна: $t_F=32<\rm<>^\circ\!F>.$

Шкала Реомюра на сегодняшний момент практически не используется. По этой шкале температура плавления льда принята за 0, а точка кипения воды соответствует 80 градусам. Градус Реомюра ($<>^\circ R$) соотносится с градусом Цельсия как:

Градус Ранкина ($<>^\circ Ra$) используют при инженерных вычислениях в англоязычных странах. Этот градус используется в шкале Ранкина, которая является абсолютной температурной шкалой. Начало шкалы соответствует температуре абсолютного нуля, точка кристаллизации воды $491,67<>^\circ Ra$, .кипении воды происходит при $671,67<>^\circ Ra$. Кельвин и градус Ранкина соотносятся как:

Примеры задач с решением

Задание. Чему станет равна постоянная Больцмана, если за единицу температуры по шкале Кельвина принимать не 1К, а 5 К?

Решение. По условию задачи единица температуры в системе СИ стала больше в пять раз, это означает, что если обозначить температуру по общепринятой шкале как $T$, но по нашей новой шкале ($T_N$) она станет равна:

По закону о равномерном распределении энергии по степеням свободы ($i$ — число степеней свободы молекулы) мы имеем:

\[\left\langle E\right\rangle =\frac<2>kT\ \left(1.2\right),\]

Средняя кинетическая энергия молекул измеряется в Дж и не зависит от масштаба единиц температуры, это означает, что:

\[\left\langle E\right\rangle =\frac<2>kT=\frac<2>k_NT_N\to kT=k_NT_N\to k_N=k\frac=5k.\]

Вычислим нашу новую «постоянную Больцмана»:

Ответ. $k_N=6,9\cdot <10>^<-23>\frac<Дж><К>$

Задание. Идеальный газ, показателем адиабаты $\gamma =1,4$ сжали, как показано на рис.1. Первоначальная температура газа составляла $T_1=290\ K$. Какой стала температура газа после сжатия? Выразите температуру газа в градусах Цельсия.

Решение. На рис.1 изображен адиабатный процесс, так как указано, что он происходит без теплообмена ($\delta Q=0$). Для решения нашей задачи удобнее использовать уравнение адиабатного процесса в параметрах $p,T$: