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 измерений температуры на международном уровне. Он определяет четырнадцать точек калибровки в диапазоне от0,65 К до1 357 ,77 К (от −272,50 °С до1084,62 °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 (с поправками, издание 1975 года). и «Предварительная шкала температур от 0,5 К до 30 К» 1976 года. CCT также опубликовал несколько онлайн-руководств, призванных помочь в реализации ITS-90. Самая низкая температура, охватываемая ITS-90, составляет 0,65 К. В 2000 году температурная шкала была расширена до 0,9 мК путем принятия дополнительной шкалы, известной как Предварительная шкала низких температур 2000 года (PLTS-2000). [2]
В 2019 году было дано новое определение кельвину . Однако это 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 новое определение в сочетании с усовершенствованием методов первичной термометрии приведет к постепенному отказу от использования ITS-90 и PLTS-2000 в будущем. [3]
ITS-90 спроектирован так, чтобы максимально точно отображать термодинамическую (абсолютную) шкалу температур (относительно абсолютного нуля ) во всем диапазоне. Для охвата всего диапазона требуется множество различных конструкций термометров. К ним относятся термометры давления паров гелия, газовые термометры гелия, стандартные платиновые термометры сопротивления (известные как SPRT) и термометры монохроматического излучения .
Хотя температурные шкалы Кельвина и Цельсия (до 2019 года) определялись с использованием тройной точки воды (273,16 К или0,01 °С ), нецелесообразно использовать это определение при температурах, сильно отличающихся от тройной точки воды. Соответственно, ITS-90 использует множество определенных точек, каждая из которых основана на различных состояниях термодинамического равновесия четырнадцати чистых химических элементов и одного соединения (воды). Большинство определенных точек основаны на фазовом переходе ; в частности, точка плавления / замерзания чистого химического элемента. Однако самые глубокие криогенные точки основаны исключительно на соотношении давления пара и температуры гелия и его изотопов, тогда как остальные его холодные точки (те, которые ниже комнатной) основаны на тройных точках . Примерами других определяющих точек являются тройная точка равновесия водорода (13,8033 К или−259,3467 °С ) 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] Как следствие этого, ITS-90 содержит несколько уравнений [5] [6] [7] для корректировки изменений температуры из-за примесей и изотопного состава.
Термометры, откалиброванные с помощью ITS-90, используют сложные математические формулы для интерполяции между заданными точками. [8] ITS-90 предусматривает строгий контроль над переменными для обеспечения воспроизводимости результатов от лаборатории к лаборатории. Например, компенсируется небольшое влияние атмосферного давления на различные температуры плавления (эффект, который обычно составляет не более половины милликельвина на разных высотах и при различных барометрических давлениях). Стандарт также компенсирует влияние давления, обусловленное тем, насколько глубоко датчик температуры погружен в образец. ITS-90 также проводит различие между точками «замерзания» и «плавления». Различие зависит от того, поступает ли тепло в (плавление) или наружу (замораживание) образца во время измерения. Только галлий измеряется при температуре его плавления; все остальные металлы с определяющими фиксированными точками на ITS-90 измеряются при температуре их замерзания.
Практический эффект ITS-90 заключается в том, что тройные точки и точки замерзания/плавления тринадцати химических элементов точно известны для всех измерений температуры, откалиброванных по ITS-90, поскольку эти тринадцать значений фиксированы по определению.
Часто существуют небольшие различия между измерениями, откалиброванными по ITS-90, и термодинамической температурой . Например, точные измерения показывают, что температура кипения воды VSMOW при давлении в одну стандартную атмосферу 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, температура 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 сможет легко измерить ту же самую температуру благодаря преимуществам комплексного 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. ITS-90 — это не весы; это стандарт калибровки оборудования . Температуры, измеренные с помощью оборудования, откалиброванного по ITS-90, могут быть выражены с использованием любой температурной шкалы, например Цельсия, Кельвина, Фаренгейта или Ренкина. Например, температуру можно измерить с помощью оборудования, откалиброванного по стандарту ITS-90, основанному на градусах Кельвина, а затем это значение можно преобразовать и выразить в виде значения по шкале Фаренгейта (например, 211,953 °F).
ITS-90 не касается узкоспециализированного оборудования и процедур, используемых для измерения температур, очень близких к абсолютному нулю. Например, для измерения температур в диапазоне нанокельвинов (миллиардные доли кельвина) ученые используют лазерное оборудование на оптической решетке для адиабатического охлаждения атомов, выключения захватывающих лазеров и просто измерения того, насколько далеко атомы дрейфуют с течением времени, чтобы измерить их температуру. Атом цезия со скоростью 7 мм/с эквивалентен температуре около 700 нК (это рекордная низкая температура, достигнутая NIST в 1994 году).
Оценки различий между термодинамической температурой и ITS-90 ( T - T 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 при этом была принята новая шкала давления паров 3 He, известная какПТБ-2006 . Для более высоких температур ожидаемые значения Т - Т 90 ниже 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 вновь возрастающая до 10 мК при температуре, близкой к 430 К, и достигающая 46 мК при температуре, близкой к 1150 К. [9]
В таблице ниже перечислены определяющие фиксированные точки ITS-90.