stringtranslate.com

Международная температурная шкала 1990 г.

Стеклянная ячейка для фиксированной точки воды

Международная температурная шкала 1990 года ( ITS-90 ) — это стандарт калибровки оборудования, установленный Международным комитетом мер и весов (CIPM) для проведения измерений по температурным шкалам Кельвина и Цельсия . Это приближение термодинамической температуры, которое облегчает сопоставимость и совместимость температурных измерений на международном уровне. Она определяет четырнадцать точек калибровки в диапазоне от0,65 К до1 357 .77 К (−272,50 °С до1 084 .62 °C ) и подразделяется на несколько температурных диапазонов, которые в некоторых случаях перекрываются. ITS-90 является самой последней из серии международных температурных шкал, принятых CIPM с 1927 года. [1] Принятая на Генеральной конференции по мерам и весам 1989 года, она заменяет Международную практическую температурную шкалу 1968 года (измененное издание 1975 года) и «Предварительную температурную шкалу от 0,5 К до 30 К» 1976 года. CCT также опубликовал несколько онлайн-руководств для содействия реализации ITS-90. Самая низкая температура, охватываемая ITS-90, составляет 0,65 К. В 2000 году температурная шкала была расширена еще больше, до 0,9 мК, путем принятия дополнительной шкалы, известной как Предварительная шкала низких температур 2000 года (PLTS-2000). [2]

В 2019 году кельвин был переопределен . Однако изменение было очень незначительным по сравнению с неопределенностями ITS-90, и поэтому ITS-90 остается рекомендуемой практической температурной шкалой без каких-либо существенных изменений. Ожидается, что переопределение в сочетании с улучшениями в методах первичной термометрии постепенно откажется от опоры на ITS-90 и PLTS-2000 в будущем. [3]

Подробности

ITS-90 разработан для максимально точного представления термодинамической (абсолютной) шкалы температур (относительно абсолютного нуля ) во всем диапазоне. Для покрытия всего диапазона требуется множество различных конструкций термометров. К ним относятся термометры давления паров гелия, гелиевые газовые термометры, стандартные платиновые термометры сопротивления (известные как SPRT) и монохроматические радиационные термометры .

Хотя температурные шкалы Кельвина и Цельсия (до 2019 года) определялись с использованием тройной точки воды (273,16 К или0,01 °C ), нецелесообразно использовать это определение при температурах, которые сильно отличаются от тройной точки воды. Соответственно, ITS-90 использует многочисленные определенные точки, все из которых основаны на различных термодинамических равновесных состояниях четырнадцати чистых химических элементов и одного соединения (воды). Большинство определенных точек основаны на фазовом переходе ; в частности, на точке плавления / замерзания чистого химического элемента. Однако самые глубокие криогенные точки основаны исключительно на соотношении давления паров / температуры гелия и его изотопов, тогда как остальные его холодные точки (те, которые ниже комнатной температуры) основаны на тройных точках . Примерами других определяющих точек являются тройная точка равновесия водорода (13,8033 К или−259,3467 °C ) и температура замерзания алюминия (933,473 К или660,323 °С ).

Определяющие фиксированные точки ITS-90 относятся к чистым химическим образцам с определенным изотопным составом. [4] Вследствие этого ITS-90 содержит несколько уравнений [5] [6] [7] для коррекции изменений температуры из-за примесей и изотопного состава.

Термометры, калиброванные с помощью ITS-90, используют сложные математические формулы для интерполяции между определенными точками. [8] ITS-90 определяет строгий контроль над переменными для обеспечения воспроизводимости от лаборатории к лаборатории. Например, компенсируется небольшое влияние, которое атмосферное давление оказывает на различные точки плавления (влияние, которое обычно составляет не более половины милликельвина на различных высотах и ​​барометрических давлениях, которые могут встретиться). Стандарт также компенсирует влияние давления из-за того, насколько глубоко температурный зонд погружен в образец. ITS-90 также проводит различие между точками «замерзания» и «плавления». Различие зависит от того, поступает ли тепло в образец (плавление) или из него (замерзание), когда проводится измерение. Только галлий измеряется в его точках плавления; все другие металлы с определяющими фиксированными точками на ITS-90 измеряются в их точках замерзания.

Практическим эффектом МТШ-90 является то, что тройные точки и точки замерзания/плавления его тринадцати химических элементов точно известны для всех измерений температуры, откалиброванных по МТШ-90, поскольку эти тринадцать значений фиксированы по определению.

Ограничения

Часто существуют небольшие различия между измерениями, откалиброванными по ITS-90 и термодинамической температуре . Например, точные измерения показывают, что точка кипения воды VSMOW при одной стандартной атмосфере давления на самом деле составляет 373,1339 К (99,9839 °C) при строгом соблюдении двухточечного определения термодинамической температуры. При калибровке по ITS-90, где необходимо интерполировать между определяющими точками галлия и индия, точка кипения воды VSMOW примерно на 10 мК меньше, около 99,974 °C. Преимущество ITS-90 заключается в том, что другая лаборатория в другой части мира с легкостью измерит ту же самую температуру благодаря преимуществам всеобъемлющего международного калибровочного стандарта, включающего множество удобно расположенных, воспроизводимых, определяющих точек, охватывающих широкий диапазон температур.

Хотя в названии «Международной температурной шкалы 1990 года» есть слово «шкала», это неправильное название, которое может ввести в заблуждение. МТШ-90 — это не шкала; это стандарт калибровки оборудования . Температуры, измеренные с помощью оборудования, откалиброванного по МТШ-90, могут быть выражены с использованием любой температурной шкалы, такой как Цельсия, Кельвина, Фаренгейта или Ренкина. Например, температуру можно измерить с помощью оборудования, откалиброванного по стандарту МТШ-90 на основе кельвина, и это значение затем можно преобразовать и выразить как значение по шкале Фаренгейта (например, 211,953 °F).

ITS-90 не рассматривает узкоспециализированное оборудование и процедуры, используемые для измерения температур, чрезвычайно близких к абсолютному нулю. Например, для измерения температур в диапазоне нанокельвинов (миллиардных долей кельвина) ученые используют оптическое решеточное лазерное оборудование для адиабатического охлаждения атомов, выключают захватывающие лазеры и просто измеряют, насколько далеко дрейфуют атомы с течением времени, чтобы измерить их температуру. Атом цезия со скоростью 7 мм/с эквивалентен температуре около 700 нК (что было рекордно низкой температурой, достигнутой NIST в 1994 году).

Оценки различий между термодинамической температурой и ITS-90 ( TT 90 ) были опубликованы в 2010 году. Стало очевидно, что ITS-90 значительно отклоняется от PLTS-2000 в перекрывающемся диапазоне от 0,65 К до 2 К. Для решения этой проблемы была принята новая шкала давления паров 3 He, известная какPTB-2006 . Для более высоких температур ожидаемые значения для TT 90 составляют менее 0,1 мК для температур 4,2 К – 8 К, до 8 мК при температурах, близких к 130 К, до 0,1 мК [3] в тройной точке воды (273,1600 К), но снова возрастают до 10 мК при температурах, близких к 430 К, и достигают 46 мК при температурах, близких к 1150 К. [9]

Стандартные интерполяционные термометры и их диапазоны

Определяющие точки

В таблице ниже перечислены определяющие фиксированные точки ITS-90.

  1. ^ Тройная точка воды часто аппроксимируется с помощью точки плавления воды при стандартных условиях температуры и давления [ необходима ссылка ] .
  2. ^ abcdefgh Точки плавления и замерзания различаются по тому, входит ли тепло в образец или выходит из него при измерении его температуры. Для получения дополнительной информации см. точку плавления .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Начиная с 1927 года МКМВ, действуя под руководством Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ), а с 1937 года по рекомендации Консультативного комитета по термометрии (ККТ), принял ряд международных температурных шкал. После шкалы 1927 года новые шкалы были приняты в 1948, 1968 и 1990 годах, с периодическими незначительными изменениями в промежуточные годы".
  2. ^ "Были проведены значительные исследования по установлению температурной шкалы, простирающейся до температур ниже 0,65 К; PLTS-2000 является конечным результатом, определяющим температуру от 1 К до 0,9 мК. PLTS-2000 явно является предварительной шкалой, признающей, что наборы данных, составляющие основу шкалы, были несколько непоследовательны ниже 10 мК. В диапазоне температур от 0,65 К до 1 К температура может быть определена либо по ITS-90, либо по PLTS-2000. Любая шкала приемлема; выбор шкалы обычно диктуется удобством или достижимой неопределенностью реализации. В редких случаях, когда использование любой из шкал удобно, T 2000 является лучшим приближением термодинамической температуры, чем T 90 в области перекрытия". Консультативный комитет по термометрии, " Mise en pratique for the definition of the kelvin", 2011.
  3. ^ ab «Mise en pratique для определения кельвина в системе СИ» BIPM, май 2019 г.
  4. ^ "Техническое приложение к Международной шкале температур 1990 года (ITS-90)". BIPM . 28 июня 2017 г. Получено 24 июня 2021 г.
  5. ^ "Техническое приложение к Международной шкале температур 1990 года (ITS-90)". BIPM . 28 июня 2017 г. Получено 24 июня 2021 г.
  6. ^ "Руководство по реализации ITS-90 - Тройная точка воды". BIPM . 1 января 2018 г. Получено 24 июня 2021 г.
  7. ^ "Руководство по реализации ITS-90 - Фиксированные точки: влияние примесей". BIPM . 1 января 2018 г. Получено 24 июня 2021 г.
  8. ^ ab "Руководство по реализации ITS-90 - Платиновая термометрия сопротивления". BIPM . 27 мая 2021 г. Получено 24 июня 2021 г.
  9. ^ Оценки различий между термодинамической температурой и ITS-90 (2010)
  10. ^ abc "Руководство по реализации ITS-90 - Шкалы давления паров и измерения давления". BIPM . 1 января 2018 г. Получено 24 июня 2021 г.
  11. ^ "Руководство по реализации ITS-90 - Интерполирующая газовая термометрия с постоянным объемом". BIPM . 1 января 2018 г. Получено 24 июня 2021 г.
  12. ^ "Руководство по реализации ITS-90 - Радиационная термометрия". BIPM . 1 января 2018 г. Получено 24 июня 2021 г.

Внешние ссылки