Niniejsza praca poświęcona będzie temperaturze. Zacznijmy od wytłumaczenia co to właściwie jest. Każdy z nas wie czym się charakteryzuje i jak ją opisać potocznie, my zajmijmy się nią od strony fizyki.

Bardzo często wykorzystywane skale temperatur to na dzień dzisiejszy wszystkim znana skala Celsjusza, Kelvina, Fahrenheita, jak również rzadziej wykorzystywane skala Rankine’a, Réaumura czy Międzynarodowa Praktyczna Skala Temperatur (zamiennie skala Kelvina i Celsjusza)..

Temperatura jest to skalarna wielkość fizyczna. Jest to również jeden z parametrów, który definiuje stan układu termodynamicznego. Jest ona skalą średniej energii kinetycznej przypadkowego ruchu cząsteczek (atomów) danego układu (ciała).  Jednostką temperatury w układzie SI jest kelwin (1°K).

Określa ona również stan równowagi termodynamicznej układu makroskopowego. W zgodzie z zerową zasadą termodynamiki, wszystkim stanom równowagi układu fizycznego jesteśmy w stanie przyporządkować wielkość o takiej własności, że 2 ciała będą w stanie równowagi termicznej wówczas, kiedy ich temperatury będą takie same.

Wszystkie temperatury ułożone są tak, że każdej z temperatur (określonej jako dany stan cieplny) przyporządkowana jest jakaś konkretna wartość, która wyrażona jest iloczynem wartości liczbowej oraz jednostki temperatury w danej skali. Są to tak zwane skale temperatur. Do określenia ich należy:

1) Przyznać co najmniej 1 punkt temperatury jako punkt główny skali a później trzeba przyporządkować tej temperaturze daną wartość;

2) Następnie należy wyznaczyć  jednostkę temperaturową wcześniej przyjętą.

 Główne punkty skali temperatur przyjmuje się na ogół temperatury równowagi międzyfazowej układów jednoskładnikowych (min. topnienia, krzepnięcia, temperatury wrzenia, albo punktów potrójnych materiałów czystych). Przede wszystkim wybiera się pozycje oraz substancje, które odznaczają się bardzo dużą odtwarzalnością oraz niezmiennością. Pokażemy to na przykładzie: temperatura punktu potrójnego wody (273,16 °K = 0 °C) albo temperatura wrzenia wody (100 °C) pod ciśnieniem 101325 N/m3.

 Wartość temperatury szacuje się metodą pośrednią. Wyznacza się na początku różne wielkości, które są zależne od temperatury. Wyznaczenie jednostki temperaturowej bierze się z założonego związku pomiędzy wybraną własnością danego ciała oraz temperaturą. Ciało to zwane jest ciałem termometrycznym, a to cecha - cechą termometryczną (np. opór elektryczny czujnika platynowego, ciśnienie danej masy rzeczywistego gazu przy stałej objętości, objętość danej masy rtęci itd.). Związek pomiędzy temperaturą a wartością termometryczną przedstawia się liniowo. Na dzień dzisiejszy istnieje bardzo duża ilości skal temperatur w związku z istnieniem dowolności w ofercie materiałów termometrycznych oraz przyjmowanych punktów głównych skali.

Zajmijmy się teraz opisem najczęściej wykorzystywanych w fizyce skal temperatur.

Pierwszą skalą jaką się zajmiemy jest skala Kelvina. Jest to podstawowa jednostka temperatur w układzie SI, została utworzona przez przyporządkowanie punktowi potrójnemu wody wartości wynoszącej dokładnie 273,16 K.  Za wartość zero w skali Kelvina wybrano temperaturę zera absolutnego. Jednostką temperatury w tej skali jest 1 kelwin (1K). Wartość T° został dobra w ten sposób aby między wartością temperatury Tk w skali Kelvina a wartością temperatury Tc w skali Celcjusza był taki o to związek:

Tc = Tk - 273,15 Tk = Tc + 273,15

Kolejna skala również bardzo znana to skala Celsjusza. Opiera się ona przede wszystkim na 2 punktach stałych: 0°C - temperaturze topnienia lodu przy ciśnieniu normalnym i 100°C - temperaturze wrzenia wody przy ciśnieniu j.w. Jednostką temperatury w skali Celcjusza jest 1 Celsjusza (1°C). Na początku skalę tą definiowano na podstawie cieplnych zmian objętości rtęci. Później po ulepszeniach jakie nastąpiły w przeciągu kilku lat, została ona zamieniona na Międzynarodową Praktyczną Skalę Temperatur.

Trzecią co do popularności skalą jest skala Fahrenheita. Na początku oparta była ona na 2 punktach stałych: 0°F - temperatura topnienia mieszanki śniegu i salmiaku, oraz 100°F – która jest rzeczywistą temperaturą ciała człowieka. Na dzień dzisiejszy skalę Fahrenheita definiuje się przez przyporządkowanie 0°C wartości 32°F i 100°C - 212°F. Jednostka temperatury to jeden stopień Fahrenheita. Zależność pomiędzy temperaturą w skali Celsjusza oraz Fahrenheita przedstawia się w takim o to związku: 

Tf = 32 + Tc Tc = (Tf - 32)

Skala Rankine’a została ona utworzona przez przyporządkowanie punktowi potrójnemu wody wartości 491,688°Rank. Jednostka temperatury to jeden stopień Rankine’a. Pomiędzy wartością w skali Rankine’a a wartością w skali Fahrenheita występuje taki o to związek:

TRank = Tf + 459,67

Ostatnia skala, już trochę mniej znana to skala Réaumura. Utworzona została ona przez przyporządkowanie temperaturze 0°C wartości 0°R, natomiast temperaturze 100°C wartości 80°R. Jednostka to jeden stopień Reumera. Na dzień dzisiejszy skala ta nie jest stosowana.

Literatura:

1 - Fizyka dla dociekliwych, Warszawa, PWN, 1986

2 - Encyklopedia Fizyki, Warszawa, PWM, 1974

 3 - Ilustrowana Encyklopedia dla Wszystkich, Warszawa, WNT, 1985/87/91