Реперные точки в термометрии¶
Реперные точки в термометрии — это совокупность строго воспроизводимых физических состояний веществ, которым приписаны точные числовые значения температуры, используемые для калибровки и поверки средств измерений температуры. Реперные точки образуют основу Международной практической температурной шкалы (МТШ-90) и обеспечивают единство измерений температуры во всем мире.
¶Сущность и назначение
Температура не может быть измерена непосредственно — она определяется через изменение других физических свойств веществ (объём, давление, сопротивление). Для того чтобы показания термометров были сопоставимы, необходима единая шкала, привязанная к неизменным природным явлениям. Такими явлениями выступают фазовые переходы чистых веществ: плавление, замерзание, кипение и тройные точки.
Реперные точки выполняют две ключевые функции:
- Воспроизведение единицы температуры — определение значения температуры по фиксированной точке, не зависящей от конструкции конкретного прибора;
- Калибровка — сравнение показаний рабочего термометра с эталонным значением в данной точке для внесения поправок.
¶Основные реперные точки МТШ-90
Международная практическая температурная шкала 1990 года (МТШ-90) определяет 17 реперных точек, охватывающих диапазон от 13,8033 К (тройная точка равновесного водорода) до 1357,77 К (точка затвердевания меди). Наиболее значимые из них:
| Реперная точка | Температура (МТШ-90) | Примечание |
|---|---|---|
| Тройная точка водорода | 13,8033 К | Точка равновесия твёрдой, жидкой и газовой фаз |
| Тройная точка неона | 24,5561 К | — |
| Тройная точка кислорода | 54,3584 К | — |
| Тройная точка аргона | 83,8058 К | — |
| Тройная точка ртути | 234,3156 К (−38,8344 °C) | — |
| Тройная точка воды | 273,16 К (0,01 °C) | Основная опорная точка шкалы Цельсия |
| Точка плавления галлия | 302,9146 К (29,7646 °C) | — |
| Точка затвердевания индия | 429,7485 К (156,5985 °C) | — |
| Точка затвердевания олова | 505,078 К (231,928 °C) | — |
| Точка затвердевания цинка | 692,677 К (419,527 °C) | — |
| Точка затвердевания алюминия | 933,473 К (660,323 °C) | — |
| Точка затвердевания серебра | 1234,93 К (961,78 °C) | — |
| Точка затвердевания золота | 1337,33 К (1064,18 °C) | — |
| Точка затвердевания меди | 1357,77 К (1084,62 °C) | — |
¶Ключевые точки и их особенности
¶Тройная точка воды
Наиболее важная реперная точка, определяющая нулевую отметку шкалы Цельсия. Тройная точка воды — это состояние, при котором лёд, жидкая вода и водяной пар находятся в термодинамическом равновесии. Её значение (0,01 °C) воспроизводится с точностью до 0,0001 °C в специальных сосудах. В отличие от точки таяния льда, тройная точка не зависит от атмосферного давления.
¶Точки затвердевания металлов
Для высокотемпературной области используются точки затвердевания чистых металлов (цинк, алюминий, серебро, золото, медь). Метод основан на том, что при охлаждении расплавленного металла его температура остаётся постоянной в течение всего процесса кристаллизации. Эти точки воспроизводятся в специальных печах с тиглями из графита.
¶Точка кипения воды
Исторически важная точка (100 °C), но в МТШ-90 она не используется как реперная из-за сильной зависимости от атмосферного давления. Вместо неё применяется тройная точка воды.
¶Практическая реализация
Воспроизведение реперных точек требует специального оборудования — ампул с чистым веществом (чистота 99,9999 % и выше), термостатов и печей. В России эталонная база в области термометрии поддерживается Всероссийским научно-исследовательским институтом метрологии имени Д. И. Менделеева (ВНИИМ) в Санкт-Петербурге.
Процедура калибровки заключается в погружении чувствительного элемента термометра в ячейку реперной точки и фиксации показаний при фазовом переходе. По результатам измерений строится функция отклонения, которая используется для интерполяции температуры между реперными точками.
¶Альтернативные подходы
Помимо МТШ-90, существуют и другие температурные шкалы. Термодинамическая шкала Кельвина основана на втором начале термодинамики и не зависит от свойств конкретных веществ, однако её практическая реализация сложнее. Для сверхнизких температур (ниже 1 К) применяются специальные шкалы, основанные на магнитных свойствах веществ.
¶Интересные факты
- В 2019 году определение кельвина было изменено: он стал привязан к значению постоянной Больцмана, а не к тройной точке воды. Однако тройная точка воды осталась в МТШ-90 как практическая реперная точка.
- Точность воспроизведения тройной точки воды настолько высока, что её используют для проверки даже самых точных эталонных термометров.
- В древности реперные точки выбирались произвольно — например, шкала Фаренгейта использовала смесь льда, воды и нашатыря как нулевую точку.
BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.
На главную BFOmetr →