Международная температурная шкала 1990 г.

Международная температурная шкала 1990 года ( ITS-90 ) — это стандарт калибровки оборудования, установленный Международным комитетом мер и весов (CIPM) для проведения измерений по Кельвина и Цельсия температурным шкалам . Это приближение термодинамической температуры, которое облегчает сопоставимость и совместимость измерений температуры на международном уровне. Он определяет четырнадцать калибровочных точек в диапазоне от 0,65 К до 1 357,77 К ( от -272,50 °C до 1 084,62 °C ). и подразделяется на несколько температурных диапазонов, которые в некоторых случаях перекрываются.ITS-90 — самая последняя из серии международных температурных шкал, принятых CIPM с 1927 года. ^[1]Принятая на Генеральной конференции по мерам и весам в 1989 году, она заменяет Международную практическую температурную шкалу 1968 года (с поправками, издание 1975 года) и «Предварительную температурную шкалу от 0,5 К до 30 К» 1976 года. CCT также опубликовал несколько онлайн-руководств, призванных помочь в реализации ITS-90.Самая низкая температура, охватываемая ITS-90, составляет 0,65 К. В 2000 году температурная шкала была расширена до 0,9 мК путем принятия дополнительной шкалы, известной как Предварительная шкала низких температур 2000 года (PLTS-2000). ^[2]

В 2019 году было дано новое определение кельвину . Однако это изменение было очень незначительным по сравнению с неопределенностями ITS-90, и поэтому ITS-90 остается рекомендуемой практической температурной шкалой без каких-либо существенных изменений. Ожидается, что новое определение в сочетании с усовершенствованием методов первичной термометрии приведет к постепенному отказу от использования ITS-90 и PLTS-2000 в будущем. ^[3]

Подробности

ITS-90 спроектирован так, чтобы отображать термодинамическую (абсолютную) шкалу температур (относительно абсолютного нуля максимально точно ) во всем диапазоне. Для охвата всего диапазона требуется множество различных конструкций термометров. К ним относятся термометры давления паров гелия, газовые термометры гелия, стандартные платиновые термометры сопротивления (известные как SPRT) и термометры монохроматического излучения .

Хотя температурные шкалы Кельвина и Цельсия (до 2019 года) определялись с использованием тройной точки воды ( 273,16 К или 0,01 ° C ), непрактично использовать это определение при температурах, которые сильно отличаются от тройной точки воды. Соответственно, ITS-90 использует множество определенных точек, каждая из которых основана на различных состояниях термодинамического равновесия четырнадцати чистых химических элементов и одного соединения (воды). Большинство определенных точек основаны на фазовом переходе ; в частности, точка плавления / замерзания чистого химического элемента. Однако самые глубокие криогенные точки основаны исключительно на соотношении давления пара и температуры гелия и его изотопов, тогда как остальные его холодные точки (те, которые ниже комнатной температуры) основаны на тройных точках . Примерами других определяющих точек являются тройная точка равновесия водорода ( 13,8033 К или -259,3467 °С ) и точка замерзания алюминия ( 933,473 К или 660,323 °С ).

Определяющие фиксированные точки ITS-90 относятся к чистым химическим образцам с определенным изотопным составом. ^[4] Как следствие этого, ITS-90 содержит несколько уравнений. ^[5]^[6]^[7] для поправки на изменения температуры из-за примесей и изотопного состава.

Термометры, откалиброванные с помощью ITS-90, используют сложные математические формулы для интерполяции между заданными точками. ^[8] ITS-90 обеспечивает строгий контроль над переменными для обеспечения воспроизводимости результатов от лаборатории к лаборатории. Например, компенсируется небольшое влияние атмосферного давления на различные температуры плавления (эффект, который обычно составляет не более половины милликельвина на разных высотах и при разных барометрических давлениях). Стандарт также компенсирует влияние давления, обусловленное тем, насколько глубоко датчик температуры погружен в образец. ITS-90 также проводит различие между точками «замерзания» и «плавления». Различие зависит от того, поступает ли тепло в (плавление) или наружу (замораживание) образца во время измерения. Только галлий измеряется при температуре его плавления; все остальные металлы с определяющими фиксированными точками на ITS-90 измеряются при температуре их замерзания.

Практический эффект ITS-90 заключается в том, что тройные точки и точки замерзания/плавления тринадцати химических элементов точно известны для всех измерений температуры, откалиброванных по ITS-90, поскольку эти тринадцать значений фиксированы по определению.

Ограничения

Часто существуют небольшие различия между измерениями, откалиброванными по ITS-90, и термодинамической температурой . Например, точные измерения показывают, что температура кипения воды VSMOW при давлении в одну стандартную атмосферу на самом деле составляет 373,1339 К (99,9839 ° C) при строгом соблюдении двухточечного определения термодинамической температуры. При калибровке по ITS-90, где необходимо интерполировать между определяющими точками галлия и индия, температура кипения воды VSMOW примерно на 10 мК меньше, около 99,974 °C. Преимущество ITS-90 заключается в том, что другая лаборатория в другой части мира сможет легко измерить ту же самую температуру благодаря преимуществам комплексного международного стандарта калибровки, включающего множество удобно расположенных, воспроизводимых, определяющих точек, охватывающих широкий диапазон температур.

Хотя в названии «Международной температурной шкалы 1990 года» есть слово «шкала», это неправильное название, которое может ввести в заблуждение. ITS-90 — это не весы; это стандарт калибровки оборудования . Температуры, измеренные с помощью оборудования, откалиброванного по ITS-90, могут быть выражены с использованием любой температурной шкалы, например Цельсия, Кельвина, Фаренгейта или Ренкина. Например, температуру можно измерить с помощью оборудования, откалиброванного по стандарту ITS-90, основанному на шкале Кельвина, а затем это значение можно преобразовать и выразить в виде значения по шкале Фаренгейта (например, 211,953 °F).

ITS-90 не касается узкоспециализированного оборудования и процедур, используемых для измерения температур, очень близких к абсолютному нулю. Например, чтобы измерить температуру в диапазоне нанокельвинов (миллиардные доли Кельвина), ученые используют на оптической решетке лазерное оборудование для адиабатического охлаждения атомов, выключения захватывающих лазеров и просто измерения того, насколько далеко атомы дрейфуют с течением времени, чтобы измерить их температуру. Атом цезия со скоростью 7 мм/с эквивалентен температуре около 700 нК (это рекордная низкая температура, достигнутая NIST в 1994 году).

Оценки различий между термодинамической температурой и ITS-90 ( T - T ₉₀ ) были опубликованы в 2010 году. Стало очевидно, что ITS-90 значительно отклоняется от PLTS-2000 в перекрывающемся диапазоне от 0,65 К до 2 К. Для решения этой проблемы это, новый ³Была принята шкала давления паров, известная как ПТБ-2006 .Для более высоких температур ожидаемые значения T − T ₉₀ ниже 0,1 мК. для температур 4,2 К – 8 К, до 8 мК при температуре близкой к 130 К, до 0,1 мК ^[3] в тройной точке воды (273,1600 К), но снова возрастает до 10 мК при температуре, близкой к 430 К, и достигает 46 мК при температуре, близкой к 1150 К. ^[9]

Стандартные интерполяционные термометры и их диапазоны

Нижний (К)	Верхний (К)	Вариации	Термометр	Стратегия калибровки и интерполяции
000 0.65	000 3.2	0 1	гелия-3 Термометр давления паров	Зависимость давления пара от температуры, фиксируемая заданной функцией. ^[10]
000 1.25	000 2.1768	0 1	гелия-4 Термометр давления паров	Зависимость давления пара от температуры, фиксируемая заданной функцией. ^[10]
000 2.1768	000 5.0	0 1	гелия-4 Термометр давления паров	Зависимость давления пара от температуры, фиксируемая заданной функцией. ^[10]
000 3	00 24.5561	0 1	Гелиевый термометр	Калибруется по трем фиксированным точкам в этом диапазоне и интерполируется определенным образом. ^[11]
00 13.8033	1234.93	11	Платиновый термометр сопротивления	Сопротивление калибруется в различных фиксированных точках и интерполируется определенным образом. Предусмотрено одиннадцать различных процедур калибровки. ^[8]
1234.93		0 3	Радиационный термометр	Калибруется в одной фиксированной точке и экстраполируется в соответствии с законом Планка . Может быть откалиброван по температуре замерзания Ag, Au или Cu. ^[12]

Определение точек

В таблице ниже перечислены определяющие фиксированные точки ITS-90.

Вещество и его состояние	Температура по ITS-90				Фактическая температура
Вещество и его состояние	К	°С	°R	°Ф	К
Тройная водорода точка	13.8033	−259.3467	24.8459	−434.8241
Тройная точка неона	24.5561	−248.5939	44.2010	−415.4690
Тройная точка кислорода	54.3584	−218.7916	97.8451	−361.8249
Тройная точка аргона	83.8058	−189.3442	150.8504	−308.8196
Тройная точка Меркурия	234.3156	−38.8344	421.7681	−37.9019
Тройная точка воды ^{[примечание 1]}	273.16	0.01	491.69	32.02	273,1600(1) К
Температура плавления ^{[примечание 2]} галлия	302.9146	29.7646	545.2463	85.5763
Точка замерзания ^{[примечание 2]} из индия	429.7485	156.5985	773.5473	313.8773
Точка замерзания ^{[примечание 2]} из жести	505.078	231.928	909.140	449.470
Точка замерзания ^{[примечание 2]} цинка	692.677	419.527	1,246.819	787.149
Точка замерзания ^{[примечание 2]} из алюминия	933.473	660.323	1,680.251	1,220.581
Точка замерзания ^{[примечание 2]} из серебра	1,234.93	961.78	2,222.87	1,763.20
Точка замерзания ^{[примечание 2]} золота	1,337.33	1,064.18	2,407.19	1,947.52
Точка замерзания ^{[примечание 2]} из меди	1,357.77	1,084.62	2,443.99	1,984.32

^ Тройную точку воды часто аппроксимируют, используя точку плавления воды при стандартных условиях температуры и давления. ^{[ нужна ссылка ]}.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Точки плавления и замерзания различаются по тому, поступает ли тепло в образец или выходит из него при измерении его температуры. см. в разделе «Температура плавления» . Дополнительную информацию

См. также

Термодинамическая (абсолютная) температура — «истинная температура», которую ITS-90 пытается приблизить.
Предварительная шкала низких температур 2000 года (PLTS-2000) — новая температурная шкала для диапазона от 0,0009 К до 1 К, основанная на давлении плавления гелия -3 .
Кельвин
Тройная точка
Венский стандарт средней океанской воды (VSMOW)
Термометр сопротивления
Платиновый термометр сопротивления
Планковский локус § Международная температурная шкала - как последовательные пересмотры температурной шкалы повлияли на соотношение между спектром и температурой черного тела.

Ссылки

^ "Начиная с 1927 года CIPM, действуя под руководством Генеральной конференции по весам иМеры (CGPM), а с 1937 года по рекомендации Консультативного комитета по термометрии.(CCT) приняла серию международных температурных шкал. Вслед за шкалой 1927 года появилась новаяшкалы были приняты в 1948, 1968 и 1990 годах с периодическими незначительными изменениями в последующие годы».
^ «Было проведено значительное исследование по установлению температурной шкалы, распространяющейся на температуры ниже 0,65 К; результатом является PLTS-2000, определяющая температуру от 1 К до0,9 мК. PLTS-2000 представляет собой предварительную шкалу, признающую, что наборы данных, включающиеОснова шкалы была несколько противоречивой ниже 10 мК. В диапазоне температур от 0,65 К до 1 Ктемпература может определяться либо на ITS-90, либо на PLTS-2000. Любой масштаб приемлем; выбормасштаб обычно диктуется удобством или достижимой неопределенностью реализации. В редких случаяхВ тех случаях, когда удобно использовать любую шкалу, T ₂₀₀₀ является лучшим приближением термодинамическоготемпература выше Т ₉₀ в области перекрытия». Консультативный комитет по термометрии, « Практическая практика по определению кельвина», 2011.
^ Jump up to: ^а ^б « Практическая практика определения кельвина в системе СИ», МБМВ, май 2019 г.
^ «Техническое приложение к Международной температурной шкале 1990 года (ITS-90)» . БИПМ . 28 июня 2017 г. Проверено 24 июня 2021 г.
^ «Техническое приложение к Международной температурной шкале 1990 года (ITS-90)» . БИПМ . 28 июня 2017 г. Проверено 24 июня 2021 г.
^ «Руководство по реализации ITS-90 – Тройная точка воды» . БИПМ . 1 января 2018 года . Проверено 24 июня 2021 г.
^ «Руководство по реализации ITS-90 — Фиксированные точки: влияние примесей» . БИПМ . 1 января 2018 года . Проверено 24 июня 2021 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Руководство по реализации ITS-90 — платиновой термометрии сопротивления» . БИПМ . 27 мая 2021 г. Проверено 24 июня 2021 г.
^ Оценки различий между термодинамической температурой и ITS-90 (2010)
^ Jump up to: ^а ^б ^с «Руководство по реализации ITS-90 — шкалы давления пара и измерения давления» . БИПМ . 1 января 2018 года . Проверено 24 июня 2021 г.
^ «Руководство по реализации ITS-90 — интерполяционная газовая термометрия постоянного объема» . БИПМ . 1 января 2018 года . Проверено 24 июня 2021 г.
^ «Руководство по реализации ITS-90 — Радиационная термометрия» . БИПМ . 1 января 2018 года . Проверено 24 июня 2021 г.

Престон-Томас Х., Метрология, 1990, 27(1), 3-10 (исправленная версия).
« Практическая практика для определения кельвина» (PDF) . Севр , Франция: Консультативный комитет по термометрии (CCT), Международный комитет мер и весов (CIPM). 2011 . Проверено 25 июня 2013 г.
Консультативный комитет по термометрии (CCT) (1989). «Международная температурная шкала 1990 года (ITS-90)» (PDF) . Протоколы Международного комитета по мерам и весам, 78-е заседание . Севр , Франция: Международный комитет мер и весов (CIPM) . Проверено 25 июня 2013 г.

Внешние ссылки

[13] Тройную точку воды часто аппроксимируют, используя точку плавления воды при стандартных условиях температуры и давления. ^{[ нужна ссылка ]}.

[mpvsfp-14] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Точки плавления и замерзания различаются по тому, поступает ли тепло в образец или выходит из него при измерении его температуры. см. в разделе «Температура плавления» . Дополнительную информацию

[1] "Начиная с 1927 года CIPM, действуя под руководством Генеральной конференции по весам иМеры (CGPM), а с 1937 года по рекомендации Консультативного комитета по термометрии.(CCT) приняла серию международных температурных шкал. Вслед за шкалой 1927 года появилась новаяшкалы были приняты в 1948, 1968 и 1990 годах с периодическими незначительными изменениями в последующие годы».

[2] «Было проведено значительное исследование по установлению температурной шкалы, распространяющейся на температуры ниже 0,65 К; результатом является PLTS-2000, определяющая температуру от 1 К до0,9 мК. PLTS-2000 представляет собой предварительную шкалу, признающую, что наборы данных, включающиеОснова шкалы была несколько противоречивой ниже 10 мК. В диапазоне температур от 0,65 К до 1 Ктемпература может определяться либо на ITS-90, либо на PLTS-2000. Любой масштаб приемлем; выбормасштаб обычно диктуется удобством или достижимой неопределенностью реализации. В редких случаяхВ тех случаях, когда удобно использовать любую шкалу, T ₂₀₀₀ является лучшим приближением термодинамическоготемпература выше Т ₉₀ в области перекрытия». Консультативный комитет по термометрии, « Практическая практика по определению кельвина», 2011.

[mepk2019-3] Jump up to: ^а ^б « Практическая практика определения кельвина в системе СИ», МБМВ, май 2019 г.

[4] «Техническое приложение к Международной температурной шкале 1990 года (ITS-90)» . БИПМ . 28 июня 2017 г. Проверено 24 июня 2021 г.

[5] «Техническое приложение к Международной температурной шкале 1990 года (ITS-90)» . БИПМ . 28 июня 2017 г. Проверено 24 июня 2021 г.

[6] «Руководство по реализации ITS-90 – Тройная точка воды» . БИПМ . 1 января 2018 года . Проверено 24 июня 2021 г.

[7] «Руководство по реализации ITS-90 — Фиксированные точки: влияние примесей» . БИПМ . 1 января 2018 года . Проверено 24 июня 2021 г.

[bipm.org-8] Jump up to: ^а ^б «Руководство по реализации ITS-90 — платиновой термометрии сопротивления» . БИПМ . 27 мая 2021 г. Проверено 24 июня 2021 г.

[9] Оценки различий между термодинамической температурой и ITS-90 (2010)

[ReferenceA-10] Jump up to: ^а ^б ^с «Руководство по реализации ITS-90 — шкалы давления пара и измерения давления» . БИПМ . 1 января 2018 года . Проверено 24 июня 2021 г.

[11] «Руководство по реализации ITS-90 — интерполяционная газовая термометрия постоянного объема» . БИПМ . 1 января 2018 года . Проверено 24 июня 2021 г.

[12] «Руководство по реализации ITS-90 — Радиационная термометрия» . БИПМ . 1 января 2018 года . Проверено 24 июня 2021 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[примечание 1]

[примечание 2]