Температура және температуралық шкала туралы жалпы мағлұматтар

     Температура және температуралық шкала  туралы жалпы мағлұматтар

     Температура технологиялық үдерістің ең маңызды  параметрлерінің бірі болып табылады. Ол кейбір принципті ерекшеліктерге ие болады, яғни көп мөлшердегі әдістер мен өлшеуге арналған техникалық амалдарды қолдануға қажеттілігін қамтамасыз етеді.

     Температура жылулық жағдайдың параметрі  болып анықтала алады. Бұл параметрдің  мағынасы - берілген дене молекулаларының үдемелі қозғалысының орташа кинетикалық энергиясын қамтамасыз етеді. Екі дене жанасқан кезде, мысалға газ күйдегі, бұл денелер молекулаларының үдемелі қозғалысының орташа кинетикалық энергиясы теңбе-тең болмайынша, бір дененің жылуы екінші денеге өтуі жалғаса береді. Дене молекулалары қозғалысының орташа кинетикалық энергиясының өзгеруіне байланысты, қыздырылу деңгейі мен дененің физикалық қасиеттері де өзгереді. Берілген температурада әрбір дене молекуласының кинетикалық энергиясы, оның орташа кинетикалық энергиясынан өзге болуы мүмкін. Сондықтан температура туралы түсінік статикалық болып табылады және тек көпмолекулалы денелер үшін қолданылады; әрбір молекулаға қолданылу мағынасыз болып есептеледі.

     Кеңістіктегі  сиретілген материяға статикалық заңдар қолданылмайды. Бұл жағдайда температура  денеден өтетін сәулелік энергия  ағындарының қуатымен анықталады, және сондай шығару қуатымен абсолютті қара дененің температурасына тең болады.

     Ғылым мен техниканың дамуына байланысты «температура» ұғымы кеңейеді екені  белгілі. Мысалға, жоғары температуралы  плазманы зерттеу кезінде плазмадағы электрон ағынын сипаттайтын «электронды температура» деген ұғым енгізілді.

     Температураны термометрмен өлшеу мүмкіндігі, әр түрлі қыздырылу деңгейіндегі денелердің жылу алмасу құбылысын және қыздыру кезіндегі заттардың термометрлік (физикалық) қасиеттерінің өзгеруі негізге алынады. Демек, термометрді жасау және температуралық шкаланы құру кезінде, осы және басқа дененің жағдайын және оның өзгерістері негізінде, температуралық шкаланы құрастыруды сипаттайтын кез келген термометрлік қасиеттерін таңдау мүмкіндігі бар болып көрінеді. Дегенмен бұндай таңдау оңайға соқпайды, себебі термометрлік қасиет температураның өзгеруіне байланысты біртекті ауысуы қажет, басқа факторларға тәуелді болмай, сонымен қатар қарапайым және оңтайлы тәсілмен  оның өлшемінің өзгерістеріне жол беруге мүмкіндік жасау болып табылады. Шынымен де барлық интервал арасындағы өлшенетін температураларды қанағаттандыра алатын және талаптарды орындай алатын ешқандай термометрлік қасиет жоқ.

     Мысалға, температураны өлшеу үшін қыздыру  кезіндегі дененің ұлғаю көлемін және қарапайым типті сынапты мен спиртті термометрді алайық. Егер олардың шкалалары нүктелер арасында, қалыпты жағдайдағы қысым кезіндегі судың қайнау және мұздың еруі температураларына сәйкес келетін болса, онда 100 бірдей бөлікпен (0 нүктесі мұздың еруін санағанда) бөлсек, сынапты және спиртті термометрлерінің көрсеткіштері 0 және 100 нүктелерінде бірдей болады, себебі бұл температуралық нүктелер негізгі интервал шкаласын алуға арналған бастапқы болып табылады. Егер осы термометрлермен бұл нүктеге жатпайтын кез келген ортадағы бірдей температураны өлшейтін болсақ, онда көрсеткіштері әр түрлі болады, себебі сынап пен спирттің көлемді жылулық кеңеюінің коэфициенттері, температураға тәуелді болғандықтан, әр түрлі болады.

     Қазіргі кезде қолданылатын сұйықты-әйнекті термометрлерде бұндай көрсеткіштердің ауытқушылықтары кездеспейді, себебі барлық осы заманғы термометрлерде өзге қағида бойынша жасалынатын біртұтас Халықаралық практикалық температуралық шкала орнатылған (бұл шкаланың құрылу әдісі төменде көрсетілген).

     Біз сондай да қателіктермен кездесуіміз  мүмкін болар еді, егер де температуралық шкаланы қандай да бір басқа  физикалық  мөлшер негізінде жасап шығара алатын болсақ, мысалы металдардың электр кедергісі және т.б.

     Соған байланысты термометрлік дене мен температураның арасында еркін жорамалдағы сызықты тәуелділік құрылуында, температураны шкала бойынша өлшегенде, біз бірмағыналы сандық температураның өлшенуіне жете алмаймыз. Сондықтан да өлшенген температураны (яғни металдардың электрлік кедергісі және т.б. бойынша кейбір сұйықтықтардың көлемді кеңеюі) көбінесе шартты деп атайды, ал ол бойынша өлшенетін шкаланы – шартты шкала деп атайды.

     Бұрынғы шартты температуралық шкалалардың  ішіндегі ең кең таралғаны жүз  градусты Цельсия температуралық шкаласы, яғни градусы негізгі температуралық интервалдың жүзінші бөлігіне тең болуы. Бұл шкаланың негізгі нүктелері қалыпты атмосфералық жағдайдағы мұздың еруі (0) және судың қайнауы (100).

     Шартты  температуралық шкаланы жетілдіру  мақсатына сәйкес, газды термометрдің температураны өлшеу кезіндегі қолдану мүмкіндігін зерттеуге жұмыстар өткізілді. Газды термометрді жасау кезінде нақты (сутегі, гелий және т.б.) және өзінің қасиеттері бойынша идеалды газдан көп айырмашылығы жоқ газдармен қолданған.

     Газды термометр арқылы қадағалау бойынша температураның көлемі тұрақты, газ қысымы өзгеруі мүмкін, немесе температураның қысымы тұрақты, газ көлемі өзгеруі мүмкін. Барлық зерттеу бойынша нақты тәсілі температураның тұрақты көлемі кезіндегі газдың қысымы өзгеруі.

     Қандай  да бір жеке термометрлік қасиеттерге  байланысты емес және температураның кең интервалына жарамды, біртұтас температуралық шкаланы жасау жолында термодинамикалық заңдар қолданылуында кездесті. Термодинамиканың екінші заңына сәйкес құрылған шкала, термометрлік заттың қасиеттеріне тәуелсіз болып табылады. Ол жиырмасыншы ғасыр орталарында Кельвинмен ұсынылған және термодинамикалық температуралық шкала деген атауы алынған.

     Термодинамикалық  температуралық шкаланың құрылуы негізінде  келесідей жағдайлар көрсетілген. Егер қайтымды денеде Карно цикл, циклді аяқтау кезінде,  Т₁ температурасында Q₁ жылуды жұтса және Т₂ температурасында Q₂ жылу берсе, онда термодинамикалық (абсолютті) температуралардың Т₁/ Т₂ қатынасы Q₁/ Q₂  жылудың қатынасы мәніне тең болады. Осы жағдайларға сәйкес бұл қатынастың термодинамикалық мағынасы жұмыстық дененің қасиеттеріне тәуелді емес.

     Кельвиннің  термодинамикалық температуралық шкаласы  термометрлік заттың қасиеттеріне тәуелді  емес, температуралық шкаланың құрылуына  алғашқы шкала болып енгізілді. Мұздың еруі және судың қайнауы нүктелері қорытушы болып табылатын бұл шкала интервалында (жүз градусты Цельсия шкаласымен сабақтасты болуы ретінде), 100 бірдей бөліктерге бөлінді.

     Д.И. Менделеев 1874 жылы ең бірінші ғылыми түрде термодинамикалық температуралық шкаланы жөнді құруға байланысты , шкаланы екі реперлі нүктемен емес бір реперлі нүктемен құруды негіздеді. Бұндай шкала түбегейлі артықшылық пен шкаланы екі реперлік нүктеден гөрі, бір реперлі нүктемен термодинамикалық температураны нақтырақ анықтайтынын көрсетті.