METROLOGIE TEPLOTY P9

Již dávno si lidé všimli zvláštního stavu látek, který nazývali studený nebo teplý. Galileo Galilei sestrojil první detektor teploty, založený na roztažnosti plynů. Podobně na roztažnosti kapalin byly založeny teploměry, které daly názvy i teploměrným stupnicím: Celsiova, Fahrenheitova a Réaumurova. P9

Co je to teplota ? Teplota je mírou kinetické energie pohybujících se molekul (nebo částic). Definice jednotky teploty: Jednotka termodynamické teploty – kelvin, značka K, je definována pomocí trojného bodu vody: Trojný bod vody má termodynamickou teplotu 273,16 K. P9

Trojný bod látek Trojný bod je určitá teplota a tlak, při kterých koexistují tři skupenské fáze, tuhá (s), kapalná (l) a plynná (g). Podle Gibbsova pravidla fází nemá trojný bod žádný stupeň volnosti: P9

Stavový diagram vody P9

Clapeyronova rovnice vyjadřuje vztah mezi dvěma fázemi P9

Clausius – Clapeyronova rovnice vyjadřuje vztah mezi kapalnou a plynnou fází P9

Body tání a tuhnutí Při tuhnutí roztavené látky vzniká časová prodleva právě při teplotě bodu tuhnutí. Tato teplota se využívá jako pevný teplotní bod a má jeden stupeň volnosti, je tedy závislá na tlaku. Uplatňuje se zde i vliv čistoty látek. Nečistoty snižují bod tání ! P9

Průběh tuhnutí látky P9

Veličiny a jednotky teploty veličina jednotka rozměr teplota stupeň Celsia, °C kelvin, K rozdíl teplot nebo kelvin, K termodynamická teplota P9

Termodynamická teplota Termodynamická teplotní stupnice se vyjadřuje stavovou rovnicí pro ideální plyn. Proto se pro realizaci této teploty používá plynový teploměr. Reálné plyny pak používají upravené stavové rovnice reálného plynu. Tímto plynovým teploměrem se stanovují pevné teplotní body, kterými se pak teplotní stupnice realizuje. P9

Teplota - Celsiova stupnice Dnes se Celsiova stupnice považuje za odvozenou od termodynamické teplotní stupnice: P9

Plynový teploměr P9

Mezinárodní teplotní stupnice ITS-90 Základní vlastnosti: je rozšířená k nižším teplotám, používá rovnice pro tlak heliových par, zavádí rovnici interpolačního plynového teploměru, je numericky blíže k odpovídajícím termodynamickým teplotám, P9

Mezinárodní teplotní stupnice ITS-90 Základní vlastnosti: zlepšuje přesnost, má vzájemně se překrývající rozsahy, rozšiřuje použití Pt odporového teploměru k bodu tání stříbra, čímž se eliminuje termoelektrický článek PtRh-Pt. P9

Definiční pevné body ITS-90 Číslo T90/K t90/°C Látka1) Stav2) Wr (T90) 1 3 až 5 -270,15 až -268,15 He V   2 13,8033 -259,3467 e-H2  T 0,001 190 07 3 ≈ 17 ≈ -256,15 e-H2 (nebo He) V (nebo G) 4 ≈ 20,3 ≈ -252,85 5 24,5561 -248,5939 Ne 0,008 449 74 6 54,3584 -218,7916 O2 0,091 718 04 P9

Definiční pevné body ITS-90 Číslo T90/K t90/°C Látka1) Stav2) Wr (T90) 7 83,8058 -189,3442 Ar T 0,215 859 75 8 234,3156 -38,8344 Hg 0,844 142 11 9 273,16 0,01 H2O 1,000 000 00 10 302,9146 29,7646 Ga M 1,118 138 89 11 429,7485 156,5985 In F 1,609 801 85 12 505,078 231,928 Sn 1,892 797 68 P9

Definiční pevné body ITS-90 Číslo T90/K t90/°C Látka1) Stav2) Wr (T90) 13 692,677 419,527 Zn F 2,568 917 30 14 933,473 660,323 Al 3,376 008 60 15 1234,93 961,78 Ag 4,286 420 53 16 1337,33 1064,18 Au   1) Všechny látky mimo 3He jsou v přírodním izotopovém složení. e-H2 je vodík v rovnovážné koncentraci ortho a para molekulární formě. 2) Úplné definice a doporučení různých stavů jsou uvedené v „Doplňkové informace pro ITS-90“. Symboly mají následující význam: V: bod tlaku par, T: trojný bod (teplota, při které jsou v rovnováze pevná, tekutá a plynná forma), G: bod plynového teploměru, M, F: bod tání, bod tuhnutí (teplota a tlak 101 325 Pa, při kterém jsou v rovnováze pevná a tekutá fáze). P9

Vysvětlivky k definičním pevným bodům e – H2 je vodík v rovnovážné koncentraci ortho a para. Stejnosměrné jaderné spiny v molekule vodíku má orthovodík, protisměrné jaderné spiny má paravodík. Za normální teploty je poměr orthovodíku ku paravodíku 3:1 P9

Čtyři základní rozsahy ITS-90 V rozsahu 0,65 K až 5,0 K je T90 definována pomocí vztahů pro tlak par 3He a 4He. V rozsahu 3,0 K až 24,5561 K je T90 definována plynovým teploměrem pomocí pevných bodů a speciálních interpolačních postupů. P9

Čtyři základní rozsahy ITS-90 V rozsahu 13,8033 K až do 961,78 °C je teplota T90 definována prostřednictvím platinových odporových teploměrů navázaných v souboru definičních pevných bodů a s použitím specifických interpolačních polynomů. P9

Čtyři základní rozsahy ITS-90 Nad 961,78 °C je teplota T90 definována prostřednictvím definičního pevného bodu a Planckova vyzařovacího zákona. P9

Graf vyzařování dokonale černého tělesa podle Plancka

P9

Realizace trojného bodu vody P9

Realizace bodu tuhnutí P9

Krystalová mřížka ledu I a struktura molekuly vody (H2O)8 P9

Fázový diagram 4He P9

Podrozsahy v oblasti středních teplot - 3 Podrozsahy pro teploty pod 0 °C: 3.1 Rozsah 13,8033 K (T H2) až 273,16 K, 3.1.1 Rozsah 24,5561 K (T Ne) až 273,16 K, 3.1.2 Rozsah 54,3584 K (T O2) až 273,16 K, 3.1.3 Rozsah 83,80584 K (T Ar) až 273,16 K. P9

Podrozsahy v oblasti středních teplot - 3 Podrozsahy pro teploty nad 0 °C: 3.2 Rozsah 0 °C až 961,78 °C (F Ag), 3.2.1 Rozsah 0 °C až 660,323 °C (F Al), 3.2.2 Rozsah 0 °C až 419,527 °C (F Zn), 3.2.3 Rozsah 0 °C až 231,928 °C (F Sn), 3.2.4 Rozsah 0 °C až 156,5985 °C (F In), 3.2.5 Rozsah 0 °C až 29,7646 °C (M Ga). P9

Podrozsahy v oblasti středních teplot - 3 Rozsah v okolí teploty 0 °C: 3.3 Rozsah –38,8344 °C (T Hg) až 29,7646 °C (M Ga). Vysvětlivky: T je trojný bod, F je bod tuhnutí, M je bod tání. P9

P9

Mezinárodní teplotní stupnice ITS-90 Parametr W(T90): Stabilita vlastností odporových teploměrů, body nestability: 419 °C, 630 °C a 961 °C. P9

Teplotní rozdíly podle definicí teplotních stupnic T90 - T68

Primární etalonáž teploty v ČR Rozdělení teplotních rozsahů pro účely etalonáže: velmi nízké teploty od 5 K do 77 K, střední teploty od 77 K do 1772 °C, vysoké teploty nad 1772 °C. P9

Primární etalonáž teploty v ČR Velmi nízké teploty: Málo potřeb a málo pracovišť, navazování měřidel v zahraničí. P9

Primární etalonáž teploty v ČR Střední teploty: Bylo nakoupeno osm primárních teplotních bodů včetně aparatur na jejich provoz. Ar – T, Sn – F, Hg – T, Zn – F, Ga – M, Al – F, In – F, Ag - F. Trojný bod vody zde již byl v několika provedeních. P9

Primární etalonáž teploty v ČR

Primární etalonáž teploty v ČR Velmi vysoké teploty: Navazování pomocí několika teplotních žárovek pro pyrometry, navázání se provádí v BIPM v Paříži. P9

P9