Международная практическая температурная шкала

Международная практическая температурная шкала (МПТШ, International Practical Temperature Scale, IPTS) — это совокупность правил, реперных точек и интерполяционных приборов, устанавливающая способ воспроизведения термодинамической температуры в диапазоне, доступном для практических измерений, с максимально возможной на данный момент точностью. МПТШ не является теоретическим определением температуры, а представляет собой метрологический стандарт, предназначенный для унификации измерений температуры в науке, промышленности и торговле. Основная цель МПТШ — обеспечить воспроизводимость и сопоставимость результатов измерений температуры в разных лабораториях и странах.

История создания и развития

Необходимость в единой практической шкале возникла в конце XIX века в связи с развитием термодинамики и промышленности. До этого использовались различные эмпирические шкалы (например, шкалы Фаренгейта, Цельсия, Реомюра), которые были привязаны к свойствам конкретных веществ (ртути, спирта) и не обеспечивали достаточной точности и воспроизводимости.

Первая международная попытка стандартизации была предпринята в 1887 году, когда Международный комитет мер и весов (МКМВ) принял «Международную шкалу температуры», основанную на газовом термометре. Однако она была сложна в реализации и имела ограниченный диапазон.

В 1927 году на VII Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) была принята Международная практическая температурная шкала 1927 года (МПТШ-27). Она впервые формализовала реперные точки (точки кипения и плавления чистых веществ) и интерполяционные приборы (платиновые термометры сопротивления и термопары).

Последующие редакции шкалы — МПТШ-48, МПТШ-68, МПТШ-90 и, наконец, Международная температурная шкала 1990 года (МТШ-90, ITS-90) — были направлены на расширение диапазона, повышение точности и приближение к термодинамической шкале. МТШ-90 является действующей на сегодняшний день версией. В 2019 году, после переопределения единицы термодинамической температуры — кельвина — через постоянную Больцмана, МТШ-90 сохранила свою роль как практический инструмент, но её связь с термодинамической шкалой стала более прямой и фундаментальной.

Основные принципы построения МТШ-90

МТШ-90 основана на трёх ключевых элементах:

1. Определённые реперные точки — фиксированные температуры фазовых переходов (плавления, кипения, тройных точек) высокочистых веществ. Каждой точке приписано числовое значение температуры в кельвинах (К) или градусах Цельсия (°C). Например, тройная точка воды (равновесие твёрдой, жидкой и газообразной фаз) определена как 273,16 К (0,01 °C). Всего в МТШ-90 насчитывается 17 реперных точек, охватывающих диапазон от тройной точки водорода (13,8033 К) до точки затвердевания меди (1357,77 К).

1. Стандартные измерительные приборы — для каждого диапазона температур предписан определённый тип термометра, обладающий наилучшей воспроизводимостью и стабильностью:

• От 0,65 К до 3,0 К: термометр на основе давления паров гелия-3 и гелия-4.
• От 3,0 К до 24,5561 К: газовый термометр постоянного объёма с гелием.
• От 13,8033 К до 1234,93 К (961,78 °C): платиновый термометр сопротивления (ПТС) — наиболее распространённый и точный прибор в этом диапазоне.
• Выше 1234,93 К: оптические пирометры (радиационные термометры), работающие по закону Планка.

1. Интерполяционные формулы — математические зависимости, которые связывают показания стандартного прибора (например, сопротивление ПТС) с температурой между реперными точками. Эти формулы разработаны таким образом, чтобы минимизировать отклонение от термодинамической шкалы.

Отличие от термодинамической шкалы

Термодинамическая шкала (шкала Кельвина) является фундаментальной и не зависит от свойств какого-либо конкретного вещества. Она определяется через второй закон термодинамики и, в современном определении (с 2019 года), через постоянную Больцмана. Однако прямое измерение термодинамической температуры (например, с помощью газового термометра) чрезвычайно сложно, трудоёмко и требует дорогостоящего оборудования. Поэтому на практике используется МПТШ (МТШ-90), которая аппроксимирует термодинамическую шкалу с высокой, но не абсолютной точностью. Разница между МТШ-90 и истинной термодинамической температурой (так называемая неопределённость) составляет от нескольких микрокельвинов вблизи тройной точки воды до нескольких милликельвинов при высоких температурах.

Применение

МПТШ является основой для всех точных измерений температуры в следующих областях:

• Научные исследования: физика, химия, биология, материаловедение — для калибровки приборов и обеспечения воспроизводимости экспериментов.
• Промышленность: металлургия (контроль плавки), химическая промышленность (синтез), производство полупроводников (литография), пищевая промышленность (пастеризация).
• Метрология: национальные метрологические институты (например, Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д. И. Менделеева, ВНИИМ) поддерживают эталоны МПТШ и проводят сличения для обеспечения единства измерений.
• Медицина: калибровка медицинских термометров.
• Энергетика: контроль температуры в ядерных реакторах, турбинах, тепловых сетях.

Критика и ограничения

Несмотря на высокую точность, МПТШ имеет ряд ограничений:

• Сложность реализации: воспроизведение реперных точек требует специального оборудования (криостатов, печей) и высокой чистоты веществ.
• Дискретность: шкала определена только в реперных точках, а между ними используется интерполяция, которая может вносить погрешность.
• Зависимость от приборов: точность измерений ограничена стабильностью и точностью стандартных термометров.
• Неполное соответствие термодинамической шкале: для критически точных измерений (например, в фундаментальной физике) может потребоваться прямое измерение термодинамической температуры.

Современное состояние

С 2019 года, после переопределения кельвина через постоянную Больцмана, МТШ-90 перестала быть единственным способом определения температуры. Теперь возможно прямое воспроизведение термодинамической температуры с помощью первичных термометров, основанных на законах физики (например, акустических газовых термометров, термометров по шуму Джонсона-Найквиста). Однако МТШ-90 остаётся основным практическим инструментом для калибровки и поверки средств измерений во всём мире. Ведутся работы по созданию новой, более точной версии МПТШ, которая будет лучше согласована с термодинамической шкалой и охватит более широкий диапазон температур.

Источники

1. Международная температурная шкала 1990 года (МТШ-90). Официальный текст и комментарии. — М.: Издательство стандартов, 1993.
2. Quinn, T. J. Temperature. — 2nd ed. — London: Academic Press, 1990.
3. Preston-Thomas, H. The International Temperature Scale of 1990 (ITS-90) // Metrologia. — 1990. — Vol. 27, no. 1. — P. 3–10.
4. ГОСТ 8.567-2014. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения температуры. Термины и определения.
5. Материалы Международного бюро мер и весов (BIPM) по температурной шкале.