Mezinárodní praktická teplotní stupnice Fyzika nízkých teplot Mezinárodní praktická teplotní stupnice

Úvod Měření teploty nemá tak dlouhou historii jako měření délky, hmotnosti nebo času, poněvadž teplota je stavová veličina, u které se rozlišuje intenzita a interval. Pro intenzitu je nutné zvolit stupnici jednotlivých stavů a označit je číselnými hodnotami. Měření pak spočívá v tom, že se daný stav umístí na vhodné místo stupnice a tím se určí jeho číselná hodnota. Vytvořit všeobecně platnou teplotní stupnici trvalo dost dlouho.

Vývoj teploměrů Změny teploty mají vliv na nejrůznější fyzikálněchemické vlastnosti mnoha různých látek, které je tak možné použít k jejímu měření. Důležitá mezi nimi je teplotní změna objemu různých látek. Na tomto jednotném principu vznikla původně většina teploměrů. Stupnice však byly libovolné, takže údaje se navzájem lišily. Důležitým východiskem pro tvorbu stupnic bylo zjištění, že teplota tání ledu je stabilní – bod tání tvoří základ těchto stupnic (bod varu závisí na tlaku)

První všeobecné teplotní stupnice O stanovení všeobecné teplotní stupnice se jako první zasloužil D. G. Fahrenheit. Vyráběl teploměry, které od roku 1714 plnil lihem. V Evropě se delší dobu používala teplotní stupnice, kterou asi v roce 1740 navrhl pařížský zoolog René de Réaumur. Švédský matematik a geodet Anders Celsius (1701–1744) zavedl v roce 1742 do měření teplot desítkovou soustavu. Definice stupnic jsme uvedly dříve.

Jednotná definice stupnice Dokud měly skleněné teploměry různé náplně (rtuť, líh, toluen apod.), jejich údaje se mimo kalibrační body více či méně lišily. Naproti tomu roztažnost (rozpínavost) různých plynů je téměř stejná. Pokrok termodynamiky vedl k termodynamické teplotní stupnici (značka °K), kterou v roce 1852 popsal lord Kelvin. Teplotu je možné definovat nezávisle na jakékoliv látce podle II. věty termodynamické, jednající o přeměně tepla v práci.

Praktická realizace definice Termodynamickou teplotní stupnici založenou na Carnotově vratném cyklu nelze v praxi realizovat. Proto termodynamická teplotní stupnice vychází z vlastností ideálního plynu a k její realizaci slouží plynový teploměr. Údaje získané prostřednictvím skutečného plynu, kterým je použitý teploměr naplněn, je nutné korigovat.

Sjednocení měření teplot Snahy sjednotit měření teploty v praxi začaly koncem 19. století. Přístrojů pro měření teplot přibývalo. Vedle kapalinových teploměrů vznikly teploměry odporové, termoelektrické, jasové apod. Lineární interpolací se dvěma pevnými teplotami bylo zavedeno mnoho teplotních stupnic a teplot, jako např. teplota rtuťová, lihová, platinová, které se od sebe lišily tím více, čím větší byla vzdálenost měřené teploty od zvolených pevných teplotních bodů.

První aktivity ke sjednocení stupnic V roce 1887 vydal Mezinárodní výbor pro míry a váhy (Bureau International des Poids et Mesures – BIPM) dohodu o způsobu měření teplot. Vyšel ze stodílkové stupnice vodíkového teploměru se dvěma pevnými teplotami. Byly to teplota tání ledu (0 °C) a teplota varu destilované vody při normálním atmosférickém tlaku (100 °C). Počáteční tlak vodíku v plynovém teploměru byl 1 000 torrů (133,32 kPa). Plynovým teploměrem se stal základním přístrojem pro určení několika pevných bodů teplotní stupnice.

Vznik praktické teplotní stupnice V roce 1911 se ředitelé národních laboratoří Německa (PTR), Velké Británie (NPL) a Spojených států amerických (NBS) dohodli na sjednocení teplotní stupnice pro použití ve svých zemích. Toto úsilí bylo formálně schváleno v roce 1913 na 5. generální konferenci pro míry a váhy. Postupně se chystal návrh teplotní stupnice. Hovoří se praktické teplotní stupnici - PTS

Příprava PTS Prvním příspěvkem bylo oznámení německé laboratoře PTR, jakým způsobem bude ověřovat (kalibrovat) teploměry od 1. 4. 1916. Mezinárodní spolupráci omezila válka, takže výsledek práce vykonané s cílem vytvořit praktickou teplotní stupnici byl zveřejněn až v roce 1927 na 7. generální konferenci pro míry a váhy, kde se sešli zástupci 31 států.

Mezinárodní teplotní stupnice 1927 Na doporučení tří již zmíněných laboratoří, které se poradily o problematice nízkých teplot s Leidenskou kryogenickou laboratoří, byla na této konferenci jednomyslně přijata rezoluce o teplotní stupnici. Bylo navrženo prozatímně přijmout základní teplotní body, interpolační vzorce a metody měření společně navržené třemi národními laboratořemi: Německa, Anglie a Spojených států amerických. Tak byla přijata tzv. Mezinárodní teplotní stupnice 1927 (The International Temperature Scale of 1927 – ITS-27).

Realizace ITS 27 Přijatá stupnice měla čtyři části, dva prostředky interpolační, jeden extrapolační, šest pevných bodů základních a jeden pomocný

ITS 27 (0 až 660 °C ) interpolačním prostředkem je platinový odporový teploměr popsaný vztahem Rt = R0(1 + A.t + B.t2)      (1) a kalibrovaný při teplotě tání ledu, při teplotě varu vody a při teplotě varu síry. Legenda t teplota (°C), Rt elektrický odpor při teplotě t R0 elektrický odpor při t = 0 °C

ITS 27 (–190 do 0 °C ) interpolačním prostředkem je také platinový teploměr, tentokrát popsaný vztahem Rt = R0 [1 + A.t + B.t2 + C(t – 100).t3]      (2) a kalibrovaný ve zmíněných třech bodech a navíc ještě při teplotě varu kyslíku. A, B, C - materiálové konstanty.

ITS 27 (660 do 1 063 °C) interpolačním prostředkem je termoelektrický článek PtRh/Pt popsaný vztahem Ue = a + b.t + c.t2      (3) a kalibrovaný při teplotách tuhnutí antimonu, stříbra a zlata. Legenda Ue elektromotorické napětí termoelektrického článku a, b, c materiálové konstanty

ITS 27 (nad 1 063 °C) jasovým pyrometrem se teplota černého tělesa extrapolovala nad bod tuhnutí zlata s použtím Wienova zákona. Tehdy platné číselné hodnoty použitých pevných bodů stupnice lze nalézt v tab. 1. v závěru prezentace.

Potíže ITS-27 Když byl v roce 1930 získán velmi čistý hliník, bylo mj. nutné změřit jeho teplotu tání a tuhnutí. Tehdy se zjistilo, že na teplotní stupnici z roku 1927 to není možné. Platinovým teploměrem bylo naměřeno 660,1 °C, tedy teplota tuhnutí hliníku příslušela termoelektrickému článku, jenomže jím se naměřilo 659,9 °C. Tento rozpor bylo nutné řešit.

Mezinárodní teplotní stupnice 1948 (ITS-48) Poněvadž válka znemožnila upravit teplotní stupnici podle termodynamických měření, vyřešila se nespojitost stupnice změnou číselné hodnoty bodu tuhnutí stříbra (960,8 °C místo 960,5 °C). Tím se dosáhlo shody v průběhu interpolačních parabol odporového teploměru a termoelektrického článku. Stupnice byla místo v teplotě –190 °C ukončena v bodu varu kyslíku (–182,97 °C) a platinový teploměr platil jen do bodu tuhnutí antimonu (asi 630 °C) namísto do teploty 660 °C.

Mezinárodní teplotní stupnice 1948 (ITS-48) Termoelektrický článek platil od teploty tuhnutí antimonu, při které byl kalibrován. Byl zvýšen požadavek na čistotu platiny obou odporových etalonů a byly zúženy meze napětí etalonového termoelektrického článku v bodu tuhnutí zlata. Tyto změny byly přijaty na 9. generální konferenci pod názvem Mezinárodní teplotní stupnice 1948 (ITS-48).

Mezinárodní teplotní stupnice 1948 (ITS-48) Části ITS-48, definované pomocí odporového teploměru, jsou v podstatě shodné s ITS-27. V intervalu teplot 630 až 1 063 °C byly číselné hodnoty vyjádřené podle ITS-48 větší než na stupnici z roku 1927. Největší rozdíl byl asi 0,43 K v okolí teploty 840 °C. Dále byla přijata nová hodnota konstanty záření c2 a Wienův zákon byl nahrazen Planckovým zákonem. Tím se změnily všechny teploty nad bodem tuhnutí zlata.

Mezinárodní praktická teplotní stupnice 1948, doplněné vydání 1960 Na 13. generální konferenci byla přijata nová definice jednotky termodynamické teploty: kelvin, jednotka termodynamické teploty, je od té doby 1/273,16 část termodynamické teploty trojného bodu vody. Dále bylo rozhodnuto, že jednotka termodynamické teploty se bude nazývat „kelvin“ se značkou K (v názvu bylo zrušeno slovo „stupeň“). Stejný název a stejná značka se začaly používat k vyjádření rozdílu teplot (do té doby byl jednotkou rozdílu teplot „degree“, u nás „deg“, popř. „stupeň“).

Mezinárodní praktická teplotní stupnice 1948, doplněné vydání 1960 V roce 1968 vyhlásil BIPM Mezinárodní praktickou teplotní stupnici 1968 – ITS-68. Byl k tomu zmocněn 13. generální konferencí. ITS-68 přinesla rozsáhlé změny, které měly zabezpečit lepší shodu s termodynamickými teplotami. Především byla dolní hranice stupnice posunuta na 13,81 K. Byly zavedeny nové pevné body: trojný bod rovnováhy vodíku, bod přechodu rovnovážného vodíku, bod varu normálního rovnovážného vodíku, bod varu neonu a trojný bod kyslíku. Bod varu vody byl nahrazen bodem tuhnutí cínu a bod varu síry bodem tuhnutí zinku.

ITPS-68, doplněné vydání 1975 Úprava IPTS-68 byla přijata na 15. generální konferenci v roce 1975. Podstatnými změnami byly definice bodu kyslíku jako bodu kondenzace přednostně před bodem varu; zavedení trojného bodu argonu jako dovolené alternativy k bodu kondenzace kyslíku a přijetí nových hodnot přirozeného izotopického složení neonu. Na této generální konferenci byla také přijata Provizorní teplotní stupnice 0,5 až 30 K z roku 1976 s označením EPT-76. Při jejím vypracování se uplatnily tři požadavky znějící na stupnici termodynamicky hladkou, spojitě navazující na IPTS-68 při teplotě 27 K a přibližující se termodynamickým teplotám.

Mezinárodní teplotní stupnice 1990 (ITS-90) Mezinárodní teplotní stupnice 1990 (ITS-90) nahradila dříve používané stupnice: ITS-27, ITS-48, ITS-48/60, IPTS-68, IPTS-68 (doplněné vydání 1975) a Provizorní teplotní stupnici 0,5 až 30 K z roku 1976. Od okamžiku stanovení první mezinárodní teplotní stupnice ITS-27 pokračoval a dále pokračuje vývoj přesnějších metod měření i přesnějších přístrojů. Teplotní stupnice se zpřesňuje tak, aby se co nejvíce přiblížila k termodynamické teplotní stupnici.

Mezinárodní teplotní stupnice 1990 (ITS-90) ITS-90 spočívá na mnoha fyzikálních stavech látek – primárních teplotních bodech (a jejich číselných hodnotách), na interpolačních přístrojích (pro definici teplot mezi těmito body) a na matematických vztazích pro interpolační přístroje. Stupnice ITS-90 je definována v rozmezí teplot od 0,65 K do nejvyšších teplot v praxi měřitelných v podmínkách Planckova zákona při monochromatické radiaci. Celé toto rozmezí teplot je rozděleno na několik rozsahů a podrozsahů. Několik z nich se překrývá, a tak pro některé oblasti teplot existují různé definice.

Odchylky v ITS 90 Definice poskytují (přesně vzato) pro jeden a ten samý stav různé číselné hodnoty. Rozdíly jsou však zanedbatelně malé a jsou ve shodě se stupnicí. Rozsáhlá mezinárodní spolupráce mnoha metrologických laboratoří přispívá ke sjednocení kalibračních postupů.