Каждому телу мы можем приписать число (с размерностью), характеризующее температуру этого тела, причём, чем больше температура, тем больше это число.

   Для этого необходимо выбрать эталон температуры, то есть тело, которое при определённых условиях, равновесных и достаточно легко воспроизводимых, имело бы определённое температурное число. Это температурное число является реперной точкой соответствующей шкалы температур - упорядоченной последовательности температурных чисел, позволяющих количественно определять температуру того или иного тела. Температурная шкала позволяет косвенным образом измерить температуру тела путем прямого определения какого либо его физического параметра, зависящего от температуры.

   Наиболее известным примером эталона температуры является вода. Точки плавления и кипения воды при нормальном атмосферном давлении выбраны в качестве реперных точек в современных (но не обязательно изначальных) температурных шкалах, предложенных Андерсом Цельсием (1701 - 1744), Рене Антуаном Фершо Реомюром (1683 - 1757), Даниелем Габриелем Фаренгейтом (1686 - 1736). Последний создал первые практически пригодные спиртовой и ртутный термометры, широко используемые до сих пор. Температурные шкалы Реомюра и Фаренгейта применяют в настоящее время в США, Великобритании и некоторых других странах.

   Введенную в 1742 году температурную шкалу Цельсия, который предложил температурный интервал между температурами таяния льда и кипения воды при нормальном давлении (101 325 Па) разделить на сто равных частей (градусов Цельсия), широко используют и сегодня, правда в уточненном виде, когда 1°С равен 1 К (подробнее см. главы 2 и 3). При этом температура кипения воды становится приблизительно равной 99,975°С. Эти поправки, как правило, не имеют существенного значения, так как большинство используемых спиртовых, ртутных и электронных термометров не обладают (поскольку в этом нет необходимости) достаточно высокой точностью, чтобы учесть их.

   После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы. Первая шкала - термодинамическая, которая не зависит от рода термометрического вещества и вводится посредством цикла Карно. Эта температурная шкала будет подробно рассмотрена в третьей главе. Отметим только, что единицей измерения температуры в этой температурной шкале является 1 кельвин (1 К), одна из семи основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь лорда Кельвина (У. Томпсона), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия. Вторая рекомендованная температурная шкала - международная практическая. Эта шкала имеет 11 реперных точек - температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1 К.

   Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство вещества, зависящее от температуры (признак температуры), которое должно быть достаточно легко воспроизводимо. Это позволяет получить набор температурных точек, промежуточных по отношению к реперным точкам.

   Для числовой характеристики температуры необходимо выбрать признак изменения температуры (термометрическое свойство - физическое свойство вещества, зависящее от температуры), тоже достаточно легко воспроизводимый, позволяющий получить упорядоченный набор температурных чисел.

   Такими признаками могут быть, например: изменение объёма при нагревании, изменение электрического сопротивления тел, возникновение электрического тока в телах и т. д. Соответствующие этим признакам приборы для измерения температуры (термометры) будут: газовый и ртутный термометры, термосопротивление, термопара.

   Приводя термометр в состояние теплового равновесия с тем телом, температуру которого необходимо измерить, можно на основании нулевого начала термодинамики утверждать, что их температуры равны. Это позволяет приписать телу то же температурное число (значение температуры), которое имеет термометр. Другой метод измерения температуры реализован в пирометрах - приборах для измерения температуры тел по интенсивности их теплового излучения. При этом достигается равновесное состояние термодинамической системы, состоящей из самого пирометра и теплового излучения, принимаемого им. Подробнее об этом будет изложено в разделе курса, посвящённом квантовым свойствам равновесного теплового излучения. Сейчас мы только отметим, что оптическая пирометрия (бесконтактные методы измерения температур) используется в металлургии для измерения температуры расплава и проката, в лабораторных и производственных процессах, где необходимо измерение температуры нагретых газов, а также в исследованиях плазмы.

   Первый термометр был изобретён Галилео Галилеем (1564 - 1642) и представлял собой газовый термометр.

Рис. 1.1.
Газовый термометр постоянного объема
1-сосуд с газом; 2-соединительные трубки; 3-манометр; 4-постоянный уровень.

   Газовый термометр постоянного объёма (см. рис. 1.1): термометрическое тело - порция газа, заключенная в баллон с отростком. Основа для измерения температуры (термометрический признак) - давление газа при некотором фиксированном объёме. Постоянство объёма достигается тем, что перемещением правой трубки уровень в левой трубке манометра доводится до одного и того же уровня (опорной метки) и в этот момент производят измерения разности высот уровней жидкости в манометре. Учет различных поправок (например, теплового расширения стеклянных деталей термометра, адсорбции газа и т.д.) позволяет достичь точности измерения температуры газовым термометром постоянного объема равной одной тысячной кельвина.

   Газовые термометры имеют то преимущество, что температура, определяемая с их помощью при малых плотностях газа, в широких пределах не зависит от природы используемого газа, а шкала газового термометра - хорошо совпадает с абсолютной шкалой температур (о ней будет написано ниже). Во второй главе мы подробнее опишем идеально-газовый термометр, определяющий абсолютную шкалу температур.

   Газовые термометры используют для градуировки других видов термометров, например, жидкостных. Они более удобны на практике, однако, шкала жидкостного термометра, проградуированного по газовому, оказывается, как правило, неравномерной.

   Жидкостной термометр - это наиболее часто используемый в обыденной жизни термометр, основанный на изменении объёма жидкости при изменении ее температуры. В ртутно-стеклянном термометре термометрическим телом является стеклянный баллон с капилляром и помещенная в него ртуть. Термометрическим признаком является расстояние от мениска ртути в капилляре до произвольной фиксированной точки. Ртутные термометры используют в диапазоне температур от - 39°С до нескольких сотен градусов Цельсия. При высоких температурах (свыше 300°С) в капилляр накачивают азот (давление до 100 атм или 10⁷ Па), чтобы воспрепятствовать кипению ртути. Добавлением таллия, нижнюю температуру, измеряемую ртутным термометром, можно понизить до - 59°С.

   Другими видами широко распространённых жидкостных термометров являются спиртовой (от - 110°С до + 50°С) и пентановый (от - 200°С до + 20°С). Отметим, что воду нельзя применять в качестве термометрического тела в жидкостном термометре: объём воды с повышением температуры сначала падает, а потом растёт, что делает невозможным использование объема воды в качестве термометрического признака.

   Однако, в связи с развитием измерительной техники, наиболее удобными техническими видами термометров стали те, в которых термометрическим признаком является электрический сигнал. Это термосопротивления (металлические и полупроводниковые) и термопары.

   Металлический термометр сопротивления: измерение температуры основано на явлении роста сопротивления металла с ростом температуры. Для большинства металлов вблизи комнатной температуры эта зависимость близка к линейной, а температурный коэффициент сопротивления для чистых металлов имеет величину близкую к 4.10^-3 1/°С. Термометрическим признаком является электрическое сопротивление термометрического тела - металлической проволоки. Чаще всего используют платиновую проволоку, а также медную проволоку или их различные сплавы. Диапазон применения таких термометров от водородных температур (~20 К) до сотен градусов Цельсия. При низких температурах в металлических термометрах зависимость сопротивления от температуры становится существенно нелинейной и термометр требует тщательной калибровки.

   Полупроводниковый термометр сопротивления (термистор): измерение температуры основано на явлении уменьшения сопротивления полупроводников с ростом температуры. Так как температурный коэффициент сопротивления полупроводников по абсолютной величине может значительно превосходить соответствующий коэффициент металлов, то и чувствительность таких термометров может значительно превосходить чувствительность металлических термометров.

   Специально изготовленные полупроводниковые термосопротивления могут быть использованы при низких (гелиевых) температурах. Однако следует учесть, что в обычных полупроводниковых сопротивлениях возникают дефекты, обусловленные воздействием низких температур, что приводит к отсутствию воспроизводимости результатов измерения. Чаще всего в качестве материала для термистора используют германий и углерод (уголь).

   Термопара. Термопара представляет собой спай двух металлических проволок, находящийся при измеряемой температуре и двух других концов этих проволок, находящихся при известной температуре. В образованный замкнутый электрический контур включают измерительный прибор. Электродвижущая сила (термо-ЭДС), возникающая в такой цепи, зависит от разности температур двух спаев - измерительного и свободного. Таким образом, термометрическим телом является спай двух металлов, а термометрическим признаком - возникающая в цепи термо-ЭДС. Чувствительность термопар составляет от единиц до сотен мкВ/К, а диапазон измеряемых температур от азотных до полутора тысяч градусов Цельсия (для термопар из благородных металлов). Наибольшее применение нашли термопары: медьконстантановая, хромельалюмелиевая, платиновородиевая, иридиевородиевая.

   Следует отметить, что термопара способна измерить только разность температур измерительного и свободного спаев. Свободный спай находится, как правило, при комнатной температуре. Поэтому для измерения температуры термопарой необходимо использовать дополнительный термометр для определения комнатной температуры или систему компенсации изменения температуры свободного спая.

   В радиотехнике часто применяют понятие шумовой температуры, равной температуре, до которой должен быть нагрет резистор, согласованный с входным сопротивлением электронного устройства, чтобы мощность тепловых шумов этого устройства и резистора были равными в определенной полосе частот. Возможность введения такого понятия обусловлено пропорциональностью средней мощности шума (среднего квадрата шумового напряжения на электрическом сопротивлении) абсолютной температуре сопротивления. Это позволяет использовать шумовое напряжение в качестве термометрического признака для измерения температуры. Шумовые термометры используются для измерения низких температур (ниже нескольких кельвинов), а также в радиоастрономии для измерения радиационной температуры космических объектов.