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]
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.
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 ( 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 была принята новая шкала давления паров 3 He, известная какPTB-2006 . Для более высоких температур ожидаемые значения для T − T 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]
В таблице ниже перечислены определяющие фиксированные точки ITS-90.