Реальная шкала температур

После Кельвина вопрос о температуре с теоретической точки зрения стал вполне ясным. Однако оставалась практическая проблема: на каком все же принципе следует построить шкалу эталонного термометра, который был бы пригоден для реальных измерений?

В течение многих лет для температурной шкалы выбирались две точки - температура плавления льда и температура кипения воды - и расстояние между ними делилось на 100 частей, каждая из которых считалась градусом. Такая шкала с двумя опорными точками была принята во всем мире.

Эта шкала имела, однако, большой недостаток с точки зрения точности измерений. Для нее надо было уметь точно воспроизводить как условия плавления льда, так и условия кипения воды.

Проще было обойтись только одной опорной точкой, например точкой плавления льда, и измерять температуру по отношению давлений, связанных с отношением температур уравнением состояния (или же организуя цикл Карно, но эта возможность почти всегда остается чисто теоретической).

Точка плавления льда, конечно, не очень удобна для эталона: она зависит от давления и вообще не очень хорошо воспроизводится. Поэтому за единственную опорную эталонную точку выбирается сейчас так называемая тройная точка воды - температура, при которой сосуществуют в равновесии все три ее фазы: пар - вода - лед. При каждой температуре надо льдом существует определенное давление паров воды. Если постепенно повышать температуру, то в тот момент, когда лед начнет плавиться, все три фазы будут находиться в равновесии. Этому состоянию отвечает температура 0,01 °С. Точку 0,01 °С, сравнительно легко воспроизводимую в лаборатории, и принимают за эталонную точку термодинамической шкалы, полагая ее температуру равной точно 273,16 К. Обычный нуль Цельсия соответствует 273,15 К.

Такое число выбрано исключительно для того, чтобы значения температур по новой шкале практически не отличались от старой шкалы Цельсия с двумя опорными точками.

Переход к новой шкале с тройной точкой воды как единственной опорной точкой прошел почти незамеченным. Такая реформа была проведена в 1954 г., и сейчас на вопрос о том, при какой температуре тает лед при нормальном давлении, надо отвечать: "приблизительно при 273,15 К" или "приблизительно при 0°С". На вопрос же о том, какова температура тройной точки воды, надо отвечать: "точно 273,16 К" или "точно 0,01 °С".

С уточнением шкалы температур возникла неопределенность в величине градуса. Градус Кельвина, или, следует говорить, кельвин, отличается, строго говоря, от градуса Цельсия.

По международному соглашению 1968 г. кельвином называется 1/273,16 часть температуры тройной точки воды по температурной шкале Кельвина (термодинамическая шкала температур)^*. По этой шкале точка кипения воды с улучшением техники измерений "поехала" и приняла значение 99,975 градуса, отсчитанное от точки плавления льда, которая расположена только на 0,1 градуса ниже тройной точки воды. Следовательно, изменился и градус Цельсия, равный, по определению, 1/100 части температуры кипения воды.

^* (До 1968 г. писали °К, по соглашению 1968 г. надо писать просто К.)

Если по-прежнему приписать температуре кипения воды значение 100 °С, то абсолютный нуль по шкале Цельсия будет иметь теперь температуру -273,22°С в то время, как раньше было принято число -273,15°С. Писать сейчас, что абсолютный нуль соответствует температуре -273,15 °С, нельзя, хотя по шкале Кельвина температура таяния льда и равна 273,15 К. В этом сказывается различие между 1°С и 1 К. Формула TК=Г°С+273,15 стала неточной. Она дает ошибку в 0,5%.

Интересно, что идею о шкале с одной опорной точкой выдвинул еще в 1873 г. Д. И. Менделеев, который предлагал определить величину одного градуса как такое повышение температуры, при котором давление газа (у Менделеева - водорода) увеличивается на 1 ат. При этом за исходную температуру выбиралась температура плавления льда при давлении 0,1 ат. Такой новый, или, как его в то время называли, метрический, градус оказывался равным 0,2728 °С.

Идея Менделеева была реализована (в несколько другом виде) лишь через 70 лет. Таким образом, имя Менделеева связано также и с современной шкалой термометра.