Как работают температурные шкалы?

Цельсий был определен путем фиксирования коэффициента расширения ртути по отношению к температуре как постоянного. Теперь он определяется как Кельвин плюс 273,15, а не наоборот. Действительно, температура замерзания воды при стандартной атмосферной температуре составляет 0,000089(10)°С, температура кипения 99,9839°С. Ртутный термометр теперь является приблизительным измерительным прибором, как и любой измерительный прибор, а не определением шкалы Цельсия.

Первоначальные определения градусов Цельсия и Фаренгейта произвольны и искусственны, но Кельвин, или термодинамическая температура, основан на универсальном физическом принципе, т. е. на втором законе термодинамики. Эта связь с фундаментальным физическим принципом делает шкалу Кельвина «чистой» температурной шкалой.

Кельвин по-прежнему зависит от воды, ее тройная точка зафиксирована на уровне 0,01 ° C (273,16 К). Предлагаемое новое определение Кельвина зафиксирует постоянную Больцмана, постоянную, связывающую температуру и энергию. Это сделает Кельвина еще более естественным.

Ваше замешательство было одной из вещей, которую разобрала термодинамика. Определение температуры осуществляется через соотношение энтропии:

Не с точки зрения теплового расширения чего-либо, так что в принципе вы можете понять, где 50 градусов по шкале Цельсия, выполнив следующие действия:

создайте объект при температуре 0 градусов Цельсия и 100 градусах Цельсия и запустите идеальную тепловую машину между ними, используя цикл Карно. Этот цикл будет производить работу от тепла с КПД:

Где$T_1$оказывается 273 единицы Цельсия, так что вы можете преобразовать из Цельсия в Кельвина, используя это идеализированное определение.

Затем вы найдете точку T, в которой совершенная тепловая машина между температурой 0 и температурой T работает с КПД.

и это T 50 по Цельсию. Это не совсем та же точка, что и середина термометра между 0 и 100, но близка к ней.

Энтропию идеального газа вычислить просто, а для идеального газа

Так что на практике для определения абсолютной температуры используется газовый термометр. Произведение давления на объем есть абсолютная температура, и вы можете сделать давление сколь угодно малым и, следовательно, достичь предела идеального газа сколь угодно точно.

Работа Карно была важна, потому что она решила вопрос об определении температурной шкалы, не зависящей от произвольности коэффициентов теплового расширения, и показала, что она эквивалентна шкале газового термометра, которая и так широко использовалась в начале XIX века, потому что люди правильно подозревали что она более универсальна, чем водяная или ртутная шкала, так как разные газы имеют один и тот же закон.

Короткий ответ заключается в том, что только абсолютные шкалы — те, у которых нуль соответствует нулевой энергии на частицу — как Кельвин, согласуются с энергией.

Короче говоря, причина Кельвина по Ренкину не в том , чтобы «гарантировать, что все температуры останутся положительными» , а в том, чтобы сделать температуру и среднюю энергию изоморфными.

Я вижу, что мне не удалось решить один из ваших вопросов:

Поскольку коэффициент расширения в любом случае зависит от температуры, как мы можем обосновать эти шкалы?

Большинство коэффициентов теплового расширения слегка изменяются в температурных масштабах человека, поэтому мы можем использовать большинство материалов и получать достаточно линейные инструменты. Это просто означает, что нелинейные члены малы, а диапазон температур, регулярно используемый людьми (скажем, между 250–450 кельвинами), представляет собой среднюю энергию лишь примерно в два раза.

Итак, как среднеквадратическая скорость молекул газа (которая не зависит от изобретенных человеком температурных шкал) так «чисто» зависит от наших произвольных температурных шкал?

На самом деле все наоборот. Энергия на частицу — гораздо более фундаментальное понятие, чем «объем некоторого образца ртути» или «длина медного стержня». Правильный вопрос: почему наши приборы настолько линейны по энергии?