skale empiryczne opierają się na pomiarze parametrów fizycznych, które wyrażają właściwość, którą należy zmierzyć za pomocą jakiejś formalnej, najczęściej prostej liniowej, funkcjonalnej zależności. Dla pomiaru temperatury formalna definicja równowagi termicznej w kategoriach przestrzeni współrzędnych termodynamicznych układów termodynamicznych, wyrażona w prawie zerowym termodynamiki, stanowi ramy do pomiaru temperatury.

wszystkie skale temperatury, w tym nowoczesna Skala temperatury termodynamicznej stosowana w międzynarodowym systemie jednostek, są kalibrowane zgodnie z właściwościami termicznymi danej substancji lub urządzenia. Zazwyczaj jest to ustalane przez ustalenie dwóch dobrze zdefiniowanych punktów temperatury i zdefiniowanie przyrostów temperatury za pomocą liniowej funkcji odpowiedzi Urządzenia termometrycznego. Na przykład, zarówno stara skala Celsjusza, jak i Skala Fahrenheita były pierwotnie oparte na liniowym rozszerzaniu wąskiej kolumny rtęci w ograniczonym zakresie temperatur, z których każda wykorzystywała różne punkty odniesienia i przyrosty skali.

różne skale empiryczne mogą nie być ze sobą kompatybilne, z wyjątkiem małych obszarów pokrywania się temperatur. Jeśli termometr alkoholowy i termometr rtęciowy mają te same dwa stałe punkty, a mianowicie temperaturę zamarzania i wrzenia wody, ich odczyt nie będzie się ze sobą zgadzał, z wyjątkiem punktów stałych, ponieważ liniowy 1:1 zależność ekspansji między dowolnymi dwiema substancjami termometrycznymi nie może być gwarantowana.

empiryczne skale temperatury nie odzwierciedlają podstawowych, mikroskopijnych praw materii. Temperatura jest uniwersalnym atrybutem materii, jednak skala empiryczna odwzorowuje wąski zakres na skalę, o której wiadomo, że ma użyteczną formę funkcjonalną dla określonego zastosowania. W związku z tym ich zasięg jest ograniczony. Materiał roboczy istnieje tylko w formie w pewnych okolicznościach, poza którymi nie może już służyć jako skala. Na przykład rtęć zamarza poniżej 234.32 K, więc temperatury niższej niż ta nie można zmierzyć w skali opartej na rtęci. Nawet jego-90, który interpoluje między różnymi zakresami temperatur, ma tylko zakres od 0,65 K do około 1358 K (-272,5 °C do 1085 °c).

skala gazu idealnego

gdy ciśnienie zbliża się do zera, cały gaz rzeczywisty będzie zachowywał się jak gaz idealny, czyli pV mola gazu zależnego tylko od temperatury. Dlatego możemy zaprojektować skalę z pV jako jej argumentem. Oczywiście każda funkcja bijektywna wystarczy, ale dla wygody funkcja liniowa jest najlepsza. Dlatego definiujemy ją jako

T = 1 N R lim P → 0 P V . {\displaystyle T = {1 \ over nR} \ lim _{p \ to 0}{pV}.}

idealna skala gazu jest w pewnym sensie skalą „mieszaną”. Opiera się na uniwersalnych właściwościach gazu, duży postęp z tylko konkretnej substancji. Jednak nadal jest to empiryczne, ponieważ stawia gaz w szczególnej pozycji, a tym samym ma ograniczone zastosowanie—w pewnym momencie Gaz nie może istnieć. Jedną z cech wyróżniających idealną skalę gazu jest to, że dokładnie równa się skali termodynamicznej, gdy jest dobrze zdefiniowana (patrz poniżej).

Międzynarodowa Skala temperatury z 1990uedytuj

ITS-90 jest zaprojektowana tak, aby jak najdokładniej reprezentować termodynamiczną skalę temperatury (odnoszącą się do zera bezwzględnego) w całym swoim zakresie. Wiele różnych wzorów termometrów jest wymaganych do pokrycia całego zakresu. Należą do nich Termometry ciśnienia pary helu, termometry gazowe helu, standardowe Platynowe Termometry rezystancyjne (znane jako SPRTs, PRTs lub platynowy RTD) i monochromatyczne Termometry radiacyjne.

chociaż skala Kelvina i Celsjusza jest zdefiniowana za pomocą zera bezwzględnego (0 K) i punktu potrójnego wody (273,16 K i 0,01 °C), niepraktyczne jest stosowanie tej definicji w temperaturach bardzo różniących się od punktu potrójnego wody. W związku z tym ITS–90 wykorzystuje wiele zdefiniowanych punktów, z których wszystkie są oparte na różnych stanach równowagi termodynamicznej czternastu czystych pierwiastków chemicznych i jednego związku (wody). Większość zdefiniowanych punktów opiera się na przejściu fazowym; w szczególności temperatura topnienia/zamarzania czystego pierwiastka chemicznego. Jednak najgłębsze punkty kriogeniczne opierają się wyłącznie na relacji ciśnienie pary/temperatura helu i jego izotopów, podczas gdy pozostałe punkty zimne (te niższe niż temperatura pokojowa) opierają się na punktach potrójnych. Przykładami innych definiujących punktów są Punkt potrójny wodoru (-259,3467 °C) i punkt zamarzania aluminium (660,323 °c).

Termometry kalibrowane według ITS–90 wykorzystują złożone wzory matematyczne do interpolacji między określonymi punktami. ITS-90 określa rygorystyczną kontrolę nad zmiennymi, aby zapewnić powtarzalność od laboratorium do laboratorium. Na przykład niewielki wpływ ciśnienia atmosferycznego na różne temperatury topnienia jest kompensowany (efekt, który zwykle wynosi nie więcej niż pół milikelvina na różnych wysokościach i ciśnieniach barometrycznych, które mogą być napotkane). Norma kompensuje nawet efekt ciśnienia dzięki głębokości zanurzenia sondy temperatury w próbce. ITS-90 rozróżnia również punkty” zamrażania” i „topienia”. Rozróżnienie zależy od tego, czy ciepło przechodzi do (topienia), czy z (zamrażania) próbki podczas pomiaru. Tylko Gal jest mierzony podczas topnienia, wszystkie inne metale są mierzone podczas zamrażania próbek.

często występują niewielkie różnice między pomiarami skalibrowanymi na ITS–90 a temperaturą termodynamiczną. Na przykład, dokładne pomiary pokazują, że temperatura wrzenia wody VSMOW pod jednym standardowym ciśnieniem atmosfery jest w rzeczywistości 373,1339 K (99,9839 °C) przy ścisłym przestrzeganiu dwupunktowej definicji temperatury termodynamicznej. Po skalibrowaniu do ITS-90, gdzie należy interpolować między definiującymi punktami galu i indu, temperatura wrzenia wody VSMOW wynosi około 10 mK mniej, około 99,974 °C. zaletą ITS-90 jest to, że inne laboratorium w innej części świata będzie z łatwością mierzyć tę samą temperaturę dzięki zaletom kompleksowego międzynarodowego standardu kalibracji zawierającego wiele dogodnie rozmieszczonych, powtarzalnych, definiujących punktów obejmujących szeroki zakres temperatur.