Empirische Skalen basieren auf der Messung physikalischer Parameter, die die zu messende Eigenschaft durch eine formale, meist einfache lineare, funktionale Beziehung ausdrücken. Für die Messung der Temperatur bietet die formale Definition des thermischen Gleichgewichts in Bezug auf die thermodynamischen Koordinatenräume thermodynamischer Systeme, ausgedrückt im nullten Hauptsatz der Thermodynamik, den Rahmen für die Messung der Temperatur.

Alle Temperaturskalen, einschließlich der modernen thermodynamischen Temperaturskala, die im Internationalen Einheitensystem verwendet wird, sind nach den thermischen Eigenschaften eines bestimmten Stoffes oder Geräts kalibriert. Typischerweise wird dies durch Festlegen von zwei genau definierten Temperaturpunkten und Definieren von Temperaturinkrementen über eine lineare Funktion des Ansprechens der thermometrischen Vorrichtung hergestellt. Zum Beispiel basierten sowohl die alte Celsius-Skala als auch die Fahrenheit-Skala ursprünglich auf der linearen Ausdehnung einer schmalen Quecksilbersäule innerhalb eines begrenzten Temperaturbereichs, wobei jeweils unterschiedliche Referenzpunkte und Skalenstufen verwendet wurden.

Verschiedene empirische Skalen sind möglicherweise nicht miteinander kompatibel, mit Ausnahme kleiner Temperaturüberlappungsbereiche. Wenn ein Alkoholthermometer und ein Quecksilberthermometer dieselben zwei Fixpunkte haben, nämlich den Gefrier- und Siedepunkt von Wasser, stimmen ihre Messwerte nur an den Fixpunkten überein, als linear 1:1 das Ausdehnungsverhältnis zwischen zwei beliebigen thermometrischen Substanzen kann nicht garantiert werden.Empirische Temperaturskalen spiegeln nicht die fundamentalen, mikroskopischen Gesetze der Materie wider. Die Temperatur ist ein universelles Attribut der Materie, doch empirische Skalen bilden einen engen Bereich auf eine Skala ab, von der bekannt ist, dass sie eine nützliche funktionelle Form für eine bestimmte Anwendung hat. Somit ist ihre Reichweite begrenzt. Das Arbeitsmaterial existiert nur unter bestimmten Umständen in einer Form, jenseits derer es nicht mehr als Maßstab dienen kann. Zum Beispiel gefriert Quecksilber unter 234.32 K, daher kann eine niedrigere Temperatur nicht in einer auf Quecksilber basierenden Skala gemessen werden. Selbst ITS-90, das zwischen verschiedenen Temperaturbereichen interpoliert, hat nur einen Bereich von 0,65 K bis ungefähr 1358 K (-272,5 ° C bis 1085 ° C).

Ideale Gasskala

Wenn sich der Druck Null nähert, verhält sich alles reale Gas wie ideales Gas, dh es besteht aus einem Mol Gas, das nur von der Temperatur abhängt. Daher können wir eine Skala mit pV als Argument entwerfen. Natürlich ist jede bijektive Funktion ausreichend, aber der Einfachheit halber ist die lineare Funktion die beste. Daher definieren wir es als

T = 1 n R lim p → 0 p V. {\displaystyle T={1 \über nR}\lim _{p\bis 0}{pV}.}

Die ideale Gasskala ist in gewissem Sinne eine „gemischte“ Skala. Es beruht auf den universellen Eigenschaften von Gas, ein großer Fortschritt von nur einer bestimmten Substanz. Aber es ist immer noch empirisch, da es Gas an eine besondere Position bringt und daher nur begrenzt anwendbar ist — irgendwann kann kein Gas mehr existieren. Ein Unterscheidungsmerkmal der idealen Gasskala ist jedoch, dass sie genau der thermodynamischen Skala entspricht, wenn sie gut definiert ist (siehe unten).

Internationale Temperaturskala von 1990Bearbeiten

ITS-90 wurde entwickelt, um die thermodynamische Temperaturskala (bezogen auf den absoluten Nullpunkt) in ihrem gesamten Bereich so genau wie möglich darzustellen. Viele verschiedene Thermometer-Designs sind erforderlich, um den gesamten Bereich abzudecken. Dazu gehören Heliumdampfdruckthermometer, Heliumgasthermometer, Standard-Platin-Widerstandsthermometer (bekannt als SPRTs, PRTs oder Platin-RTDs) und monochromatische Strahlungsthermometer.Obwohl die Kelvin- und Celsius-Skalen mit dem absoluten Nullpunkt (0 K) und dem Tripelpunkt von Wasser (273,16 K und 0,01 ° C) definiert werden, ist es unpraktisch, diese Definition bei Temperaturen zu verwenden, die sich stark vom Tripelpunkt des Wassers unterscheiden. Dementsprechend verwendet ITS-90 zahlreiche definierte Punkte, die alle auf verschiedenen thermodynamischen Gleichgewichtszuständen von vierzehn reinen chemischen Elementen und einer Verbindung (Wasser) basieren. Die meisten definierten Punkte basieren auf einem Phasenübergang; speziell der Schmelz- / Gefrierpunkt eines reinen chemischen Elements. Die tiefsten kryogenen Punkte basieren jedoch ausschließlich auf dem Dampfdruck / Temperatur-Verhältnis von Helium und seinen Isotopen, während der Rest seiner kalten Punkte (die unter Raumtemperatur liegen) auf Dreifachpunkten basieren. Beispiele für andere definierende Punkte sind der Tripelpunkt von Wasserstoff (-259,3467 ° C) und der Gefrierpunkt von Aluminium (660,323 ° C).

Gemäß ITS–90 kalibrierte Thermometer verwenden komplexe mathematische Formeln, um zwischen den definierten Punkten zu interpolieren. ITS-90 legt eine strenge Kontrolle der Variablen fest, um die Reproduzierbarkeit von Labor zu Labor sicherzustellen. Zum Beispiel wird der geringe Effekt, den der atmosphärische Druck auf die verschiedenen Schmelzpunkte hat, kompensiert (ein Effekt, der typischerweise nicht mehr als einen halben Millikelvin über die verschiedenen Höhen und barometrischen Drücke beträgt, die wahrscheinlich angetroffen werden). Der Standard kompensiert sogar den Druckeffekt, der dadurch entsteht, wie tief der Temperaturfühler in die Probe eingetaucht ist. ITS-90 unterscheidet auch zwischen „Gefrierpunkt“ und „Schmelzpunkt“. Die Unterscheidung hängt davon ab, ob bei der Messung Wärme in die Probe eintritt (schmilzt) oder aus ihr austritt (einfriert). Nur Gallium wird beim Schmelzen gemessen, alle anderen Metalle werden beim Einfrieren der Proben gemessen.

Es gibt oft kleine Unterschiede zwischen Messungen, die gemäß ITS–90 kalibriert wurden, und der thermodynamischen Temperatur. Beispielsweise zeigen präzise Messungen, dass der Siedepunkt von VSMOW-Wasser unter einer Standarddruckatmosphäre tatsächlich 373,1339 K (99,9839 ° C) beträgt, wenn die Zweipunktdefinition der thermodynamischen Temperatur strikt eingehalten wird. Bei der Kalibrierung auf ITS-90, bei der zwischen den Bestimmungspunkten von Gallium und Indium interpoliert werden muss, beträgt der Siedepunkt von VSMOW–Wasser etwa 10 mK weniger, etwa 99,974 ° C. Der Vorteil von ITS-90 besteht darin, dass ein anderes Labor in einem anderen Teil der Welt aufgrund der Vorteile eines umfassenden internationalen Kalibrierungsstandards mit vielen bequem beabstandeten, reproduzierbaren Bestimmungspunkten, die einen weiten Temperaturbereich abdecken, genau die gleiche Temperatur messen kann.