مقياس درجة الحرارة

When pressure approaches zero, all real gas will behave like ideal gas, that is, pV of a mole of gas relying only on temperature. Therefore, we can design a scale with pV as its argument. Of course any bijective function will do, but for convenience's sake a linear function is the best. Therefore, we define it as^[5]

${\displaystyle T={1 \over nR}\lim _{p\to 0}{pV}.}$

The ideal gas scale is in some sense a "mixed" scale. It relies on the universal properties of gas, a big advance from just a particular substance. But still it is empirical since it puts gas at a special position and thus has limited applicability—at some point no gas can exist. One distinguishing characteristic of ideal gas scale, however, is that it precisely equals thermodynamical scale when it is well defined (see § Equality to ideal gas scale).

ITS-90 is designed to represent the thermodynamic temperature scale (referencing absolute zero) as closely as possible throughout its range. Many different thermometer designs are required to cover the entire range. These include helium vapor pressure thermometers, helium gas thermometers, standard platinum resistance thermometers (known as SPRTs, PRTs or Platinum RTDs) and monochromatic radiation thermometers.

على الرغم من أن مقياسي كلفن وسيلسيوس يُحددان باستخدام الصفر المطلق (0  كلفن) والنقطة الثلاثية للماء (273.16  كلفن و0.01  درجة مئوية)، إلا أنه من غير العملي استخدام هذا التعريف عند درجات حرارة تختلف اختلافًا كبيرًا عن النقطة الثلاثية للماء. وعليه، يستخدم نظام ITS-90 نقاطًا محددة عديدة، تستند جميعها إلى حالات التوازن الديناميكي الحراري المختلفة لأربعة عشر عنصرًا كيميائيًا نقيًا ومركب واحد (الماء). وتستند معظم النقاط المحددة إلى تحول طوري ، وتحديدًا نقطة انصهار / تجمد عنصر كيميائي نقي. مع ذلك، تستند أدنى درجات البرودة حصريًا إلى علاقة ضغط البخار بدرجة الحرارة للهيليوم ونظائره، بينما تستند بقية درجات البرودة (الأقل من درجة حرارة الغرفة) إلى النقاط الثلاثية . ومن أمثلة النقاط المحددة الأخرى النقطة الثلاثية للهيدروجين (-259.3467  درجة مئوية) ونقطة تجمد الألومنيوم (660.323  درجة مئوية).

تستخدم موازين الحرارة المعايرة وفقًا لمعيار ITS-90 معادلات رياضية معقدة للتقريب بين النقاط المحددة. يحدد معيار ITS-90 تحكمًا دقيقًا في المتغيرات لضمان قابلية تكرار النتائج من مختبر لآخر. على سبيل المثال، يتم تعويض التأثير الطفيف للضغط الجوي على درجات الانصهار المختلفة (وهو تأثير لا يتجاوز عادةً نصف ملي كلفن عبر الارتفاعات والضغوط الجوية المختلفة التي يُحتمل مواجهتها). بل إن المعيار يُعوض أيضًا تأثير الضغط الناتج عن عمق غمر مسبار الحرارة في العينة. كما يميز معيار ITS-90 بين درجات "التجمد" و"الانصهار". يعتمد هذا التمييز على ما إذا كانت الحرارة تدخل إلى العينة (انصهار) أو تخرج منها (تجمد) عند إجراء القياس. يُقاس الغاليوم فقط أثناء الانصهار، بينما تُقاس جميع المعادن الأخرى أثناء تجمد العينات.

There are often small differences between measurements calibrated per ITS–90 and thermodynamic temperature. For instance, precise measurements show that the boiling point of VSMOW water under one standard atmosphere of pressure is actually 373.1339 K (99.9839 °C) when adhering strictly to the two-point definition of thermodynamic temperature. When calibrated to ITS–90, where one must interpolate between the defining points of gallium and indium, the boiling point of VSMOW water is about 10 mK less, about 99.974 °C. The virtue of ITS–90 is that another lab in another part of the world will measure the very same temperature with ease due to the advantages of a comprehensive international calibration standard featuring many conveniently spaced, reproducible, defining points spanning a wide range of temperatures.

OV is a specialized scale used in Japan to measure female basal body temperature for fertility awareness. The range of 35.5 °C (OV 0) to 38.0 °C (OV 50) is divided into 50 equal parts.^[6]

ابتكر اللورد كلفن المقياس الديناميكي الحراري بناءً على كفاءة المحركات الحرارية كما هو موضح أدناه:

كفاءة المحرك هي مقدار الشغل مقسومًا على كمية الحرارة المُدخلة إلى النظام أو

${\displaystyle \eta ={\frac {w_{\text{cy}}}{q_{H}}}={\frac {q_{\text{H}}-q_{\text{C}}}{q_{\text{H}}}}=1-{\frac {q_{\text{C}}}{q_{\text{H}}}}\qquad (1),}$

حيث يمثل w _cy الشغل المنجز لكل دورة. وبالتالي، تعتمد الكفاءة فقط على q _C / q _H.

بسبب نظرية كارنو ، فإن أي محرك _حراري عكسي يعمل بين درجتي حرارة T1 و _{T2 يجب أن يكون له نفس الكفاءة، أي} أن الكفاءة هي دالة لدرجات الحرارة فقط:

${\displaystyle {\frac {q_{\text{C}}}{q_{\text{H}}}}=f(T_{\text{H}},T_{\text{C}})\qquad (2).}$

بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تتمتع محرك حراري عكسي يعمل بين درجتي حرارة T1 و T3 بنفس كفاءة محرك يتكون من دورتين، الأولى بين _T1 ودرجة _حرارة وسيطة أخرى T2 _، والثانية بين T2 و T3 _{. ولا يمكن أن} يكون هذا صحيحًا إلا إذا

${\displaystyle f(T_{1},T_{3})={\frac {q_{3}}{q_{1}}}={\frac {q_{2}q_{3}}{q_{1}q_{2}}}=f(T_{1},T_{2})f(T_{2},T_{3}).}$

التخصص في الحالة التي${\displaystyle T_{1}}$هي درجة حرارة مرجعية ثابتة: درجة حرارة النقطة الثلاثية للماء. عندئذٍ، لأي _قيمتين T2 و T3 _،

${\displaystyle f(T_{2},T_{3})={\frac {f(T_{1},T_{3})}{f(T_{1},T_{2})}}={\frac {273.16\cdot f(T_{1},T_{3})}{273.16\cdot f(T_{1},T_{2})}}.}$

لذلك، إذا تم تعريف درجة الحرارة الديناميكية الحرارية بواسطة

${\displaystyle T=273.16\cdot f(T_{1},T)\,}$

إذن، الدالة f ، عند النظر إليها كدالة لدرجة الحرارة الديناميكية الحرارية، هي

${\displaystyle f(T_{2},T_{3})={\frac {T_{3}}{T_{2}}},}$

and the reference temperature T₁ has the value 273.16. (Of course any reference temperature and any positive numerical value could be used—the choice here corresponds to the Kelvin scale.)

It follows immediately that

${\displaystyle {\frac {q_{\text{C}}}{q_{\text{H}}}}=f(T_{\text{H}},T_{\text{C}})={\frac {T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}}.\qquad (3).}$

Substituting Equation 3 back into Equation 1 gives a relationship for the efficiency in terms of temperature:

${\displaystyle \eta =1-{\frac {q_{\text{C}}}{q_{\text{H}}}}=1-{\frac {T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}}\qquad (4).}$

This is identical to the efficiency formula for Carnot cycle, which effectively employs the ideal gas scale. This means that the two scales equal numerically at every point.