ШКАЛА ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ РАБОЧЕГО АГЕНТА ТЕРМОМЕТРА Российский патент 2010 года по МПК G01K1/04 

Изобретение относится к измерительной технике.

Используется во всех отраслях техники, в науке, в медицине, в быту.

Аналогами изобретения являются шкалы: И.Ньютона, Фаренгейта, Реомюра.

Наиболее близкими по технической сущности к заявляемому изобретению являются шкалы: Цельсия, Кельвина и МПТШ - 68, (3, стр.18-.21). Прототипом изобретения служит шкала Цельсия.

Главным недостатком аналогов и прототипа изобретения является то, что все они разработаны и построены без учета первого закона термодинамики. Поэтому определяют не ту физическую величину, которую следует определять согласно его формуле. Она утверждает, что «Тепловая энергия, подведенная к замкнутой системе, расходуется на повышение ее внутренней энергии и работу, производимую системой против внешних сил: Q=U+W»,

где Q - подведенная к системе тепловая энергия;

W - совершаемая системой работа;

U - внутренняя энергия системы (1, стр.176).

Разработчики шкал не учли, что пропорционально увеличению содержания тепловой энергии Q₃=Q₀+Q₁ в рабочем агенте термометра в нем одновременно повышается содержание внутренней энергии U₃=U₀+U₁ и увеличивается работа W₃=W₀+W₁ его частиц против внешних сил. Одновременно с увеличением внутренней энергии повышается его нагрев Н₃=Н₀+Н₁ и меняются все его энергетические свойства. Одни пропорционально увеличению внутренней энергии и нагреву, а другие обратно пропорционально. Не учли, что в результате увеличения работы W₃=W₀+W₁ агента увеличивается его объем V₃=V₀+V₁, что является причиной изменения всех его механических свойств. Одни механические свойства меняются пропорционально увеличению работы агента термометра и увеличению его объема, а другие - обратно пропорционально. Не учли, что при снижении содержания тепловой энергии Q₄=Q₀-Q₂ в рабочем агенте термометра снижается содержание внутренней энергии U₄=U₀-U₂ и уменьшается его работа W₄=W₀-W₂ против внешних сил. Пропорционально снижению содержания внутренней энергии U₄=U₀/n₄ снижается нагрев Н₄=Н₀/n₄ рабочего агента, а обратно пропорционально повышается его охлаждение Х₄=n₄*Х₀. Одновременно меняются и все его энергетические свойства. Одни меняются пропорционально снижению внутренней энергии, а другие - пропорционально увеличению охлаждения. Не учли, что вместе со снижением работы W₄=W₀/n₄ агента термометра против внешних сил снижается его объем V₄=Vo/n₄. Одновременно меняются и все его механические свойства. Одни свойства меняются пропорционально снижению работы и объема, а другие обратно пропорционально,

где Q₀ - теплосодержание агента термометра в тройной точке воды;

Q₁ - приращение теплосодержания рабочего агента термометра;

Q₃ - теплосодержание агента в условиях выше тройной точки воды;

U₀ - содержание внутренней энергии в агенте в тройной точке воды;

U₁ - приращение внутренней энергии в рабочем агенте термометра;

U₃ - внутренняя энергия агента а условиях выше тройной точки воды;

W₀ - работа агента термометра в тройной точке воды;

W₁ - приращение его работы;

W₃ - работа агента термометра в условиях выше тройной точки воды;

Н₀ - нагрев агента в тройной точке воды;

H₁ - приращение нагрева рабочего агента термометра;

Н₃ - нагрев агента термометра в условиях выше тройной точки воды;

n₃ - числовое значение, на которое увеличивается внутренняя энергия в рабочем агенте термометра и повышается его нагрев;

Q₄ - теплосодержание агента термометра в условиях ниже тройной точки воды;

Q₂ - теплосодержание, потерянное агентом термометра;

U₂ - снижение внутренней энергии в агенте термометра;

U₄ - внутренняя энергия агента термометра в условиях ниже тройной точки;

W₂ - снижение работы агента термометра в условиях ниже тройной точки воды,

W₄ - работа агента термометра в условиях ниже тройной точки воды;

Х₀ - охлаждение агента термометра в тройной точке воды;

Х₂ - приращение охлаждения агента термометра ниже тройной точки воды;

Х₄ - охлаждение агента термометра в условиях ниже тройной точки воды;

n₄ - числовое значение, на которое снижается внутренняя энергия в рабочем агенте, а его охлаждение повышается.

В XVIII веке, когда создавались температурные шкалы, законы термодинамики еще не были открыты, поэтому шкалы использовали для определения «степеней тепла и холода» (3, стр.18). При этом не учли, что "тепло и холод" - это две обратно пропорциональные величины. Если содержание "тепла' достигает максимума, то содержание "холода" снижается до минимума и наоборот. Аналоги и прототип изобретения не предназначены для определения числовых значений у, измеряемых термометром, обратно пропорциональных величин. Шкалы положительных и отрицательных температур не являются обратно пропорциональными. У них одно общее начало измерения, обозначенное цифрой ноль. У обратно пропорциональных величин измерения не производят от нуля, так как когда одна величина приближается к минимуму, то другая достигает максимума и наоборот. Шкалы, расположенные выше начала измерения термометра, разделены на неограниченное число отрезков - положительных градусов, а шкалы, расположенные ниже начала измерения термометра, разделены на ограниченное число отрезков, отрицательных градусов. У шкалы Цельсия их -273,15°С. У шкалы Фаренгейта их -491,4°F. У шкалы Реомюра их -218,4°R. Такие шкалы не являются обратно пропорциональными.

Шкалы Кельвина и МПТШ-68 состоят из одной шкалы. Измерения они производят от абсолютного нуля температуры. Поэтому ни одна из этих шкал у обратных величин не способна определять числовые значения.

Третьим недостатком всех аналогов и прототипа изобретения является то, что ни один температурный градус не является единицей измерения физической величины. Согласно физическому правилу (1, стр.9) единицей измерения физической величины является шкала, расположенная ниже начала измерения термометра. Абсолютное число n₃ таких единиц обязана определять шкала, находящаяся в области выше начала измерения термометра. В связи с тем что участки шкалы, расположенные ниже начала измерения термометра у всех эмпирических шкал, выражают собой дробные части внесистемных единиц измерения, измеряемых шкалой величин, поэтому все шкалы вынуждены определять не число единиц измерения у величин, а число их дробных частей у числового значения. Поэтому в условиях ниже начала измерения температурных шкал отрицательные температурные градусы не являются обратно пропорциональными положительными градусами, так как выполняют функции дробных частей внесистемных единиц измерения величин. Покажем это на конкретных примерах.

1. Все эмпирические температурные шкалы в области выше начала их измерения у числового значения величины определяют только один числитель (+t₁) простой неправильной арифметической дроби. Самого же числового значения n₃=T₃/Т₀=(Т₀+t₁)/Т₀ величины они не определяют, так как не определяют ни абсолютного значения числителя T₃=(T₀+t₁) дроби и не делят этот числитель на знаменатель Т₀ дроби.

2. Шкалы абсолютных температур в условиях выше тройной точки воды определяют только абсолютное числовое значение Т₃=Т₀+t₁ числителя у простой неправильной арифметической дроби. Числового значения n₃=Т₃/T₀=(T₀+t₁)/T₀ величины они не определяют, так как не делят числитель Т₃=(Т₀+t₁) дроби на ее знаменатель Т₀=273,15 К.

3. В области ниже начала измерения шкалы термометра эмпирические температурные шкалы определяют только число (-t₂) отрицательных отрезков шкалы, на которое у числового значения n₄=T₀/(T₀-t₂) физической величины в форме простой неправильной арифметической дроби снижается знаменатель Т₄=(Т₀-t₂) дроби. Числового значения n₄=T₀/T₄=T₀/(T₀-t₂) величины не определяют, так как не делят числитель T₀ дроби на ее знаменатель T₄=(T₀-t₂), которым служит остаточное число T₄=(T₀-t₂) температурных градусов на его шкале.

4. Шкалы абсолютных температур в области ниже тройной точки воды определяют у числового значения величины один знаменатель T₄=(273,15 K-t₂) дроби в форме остаточного числа отрезков или градусов на их шкалах. Числового значения n₄=T₀/(T₀-t₂)=273,15 K/(273,15 K-t₂) величины они не определяют, так как не делят числитель Т₀=273,16 K дроби на ее знаменатель T₄=(273,15 К-t₂).

Еще одним недостатком аналогов и прототипа изобретения является то, что измерения числовых значений они производят от нуля, а не от единицы измерения величины, как это следует из законов физики, математики и графики согласно правилу (1, стр.9) Физическая величина = Числовое значение × Единица измерения. Производя измерения от нуля, аналоги и прототип изобретения в качестве Единицы измерения Физической величины используют цифру Нуль. При этом упускают из вида, что произведение Числового значения (n) величины на Нуль всегда равно Нулю, поэтому такое произведение n₃=Т₃*0=0 не является физической величиной.

В 1967 Г. XIII Генеральная конференция по мерам и весам уточнила определение единицы измерения термодинамической температуры в следующем виде: «Кельвин -1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды», «…, где Т₀=273,15 К.» (4, стр.100). Следовательно, согласно физическим и математическим правилам температура Т₀=273,15 К рабочего агента термометра и измеряемого им тела в тройной точке воды является единицей измерения их термодинамической температуры. Градусы Цельсия и Кельвина, это всего лишь 1/273,15 части каждой простой арифметической единицы числового значения n₃=Т₃/Т₀=Т₃/273,15 К величины термодинамической температуры Т₃=Т₀=273,15 К рабочего агента термометра и измеряемого им тела в условиях выше тройной точки воды. Следовательно, температурные градусы не является ни физической, ни математической величиной. В современной измерительной технике в условиях выше начала измерения термометра обыкновенная арифметическая единица числового значения величины термодинамической температуры рабочего агента термометра, у шкал Цельсия и Кельвина, разделена на 273 части вместо 273,15 частей, как это следует из определения XIII Генеральной конференции по мерам и весам. У шкалы Реомюра - на 218 частей вместо 218,4 частей. У шкалы Фаренгейта - на 491 часть вместо 491,4 частей. Прототип и аналоги изобретения в условиях ниже начала измерения термометра разделили шкалу на части по методу деления обыкновенных линейных шкал. При этом не учли, что шкала термометра предназначена для измерения числовых значений у объемных величин, у которых тарирование шкал существенно отличается от тарирования шкал у линейных величин. Следовательно, при тарировании температурных шкал у термометра в современной технике используются некорректные методы. Например, в условиях выше тройной точки воды шкала термометра определяет у термодинамической температуры не число единиц ее измерения, а число (t) частей или абсолютное число (Т) частей этих единиц. Абсолютное число Т₃=T₀+t₁=273,15 K+t₁ частей единиц у числового значения термодинамической температуры не переводится в числовые значение n₃=Т₃/Т₀=(Т₀+t₁)/T₀ ее действительной величины. В условиях ниже начала измерения термометра его шкала определяет остаточное число Т₄=(Т₀-t₁)=Т₀/n₄ частей от единицы измерения термодинамической температуры вместо определения числового значения n₄=Т₀/(Т₀-t₁)=T₀/T₄, на которое в конце измерения число частей Т₄ у арифметической единицы термодинамической температуры ниже у нее их числа Т₀=273,15 K в тройной точке воды. Согласно XIII Генеральной конференции по мерам и весам числовое значение n₄=Т₄/Т₀=Т₄/273,15 К₄ термодинамической температуры ниже тройной точки воды есть отношение ее абсолютного числового значения Т₄ в конце измерения к ее числовому значению Т₀=273,15 K в тройной точке воды.

В тройной точке воды числовым значением n₄=Т₄/Т₀=273,15 К/273,15 К=1 термодинамической температуры является отношение абсолютное число Т₄ температурных градусов Т₄=273,15 К, показываемых шкалой абсолютных температур, к их числу Т₀=273,15 К в тройной точке воды. Ниже тройной точки воды числовым значением n₄=Т₄/Т₀=136,575 К/273,15 К=0,5 половины единицы термодинамической температуры является отношение абсолютной термодинамической температуры Т₄=136,575 K в определенной точке шкалы к их числу Т₀=273,15 K в тройной точке воды. Одной третьей частью n₄=Т₄/Т₀=91,05 К/273,15 К=0,3333 единицы термодинамической температуры служит отношение абсолютного числа Т₄=91,05 К температурных градусов в определенной точке шкалы к их числу Т₀=273,15 К в тройной точке воды и т.д. Одной десятой частью n₄=27,315 К/ 273,15 К=0,1 единицы измерения термодинамической температуры служит отношение абсолютного числа Т₄=27,315 температурных градусов в определенной точке шкалы к их числу Т₀=273,15 К в тройной точке воды. Одной тысячной частью n₄=0,27315 К/ 273,15 К=0,001 единицы измерения термодинамической температуры служит отношение абсолютного числа Т₄=0,273,15 К температурных градусов в определенной точке шкалы к их абсолютному числу Т₀=273,15 К в тройной точке воды. Одной миллионной частью n₄=0,00027315 К/273,15 К=0,000001 единицы измерения термодинамической температуры служит отношение абсолютного числа Т₄=0,00027315 К температурных градусов в определенной точке шкалы к их абсолютному числу Т₀=273,15 К в тройной точке воды и т.д. до бесконечности. Причиной всех вышеприведенных нарушений физических, математических и графических правил, допускаемых разработчиками шкал для термометра и их изготовителями, служит не только несоблюдение ими этих правил, но и невыполнение постановлений «Десятой и XIII Генеральных конференций по мерам и весам» и некорректное их понимание и их толкование.

Целью предложения является использование шкалы термометра по ее прямому назначению. В условиях выше тройной точки воды шкалу нагрева предлагается использовать для определения числовых значений n₃=U₃/U₀, на которые содержание внутренней энергии U₃=n₃U₀ в рабочем агенте термометра и его нагрев Н₃=n₃H₀ превышает ее содержание U₀ в нем и его нагрев Н₀ в тройной точке воды. В условиях ниже тройной точки воды шкалу охлаждения предлагается использовать для определения числовых значений n₄=U₀/U₄, на которые содержание внутренней энергии U₄=U₀/n₄ в рабочем агенте термометра ниже ее содержания U₀ в нем в этой точке воды. В результате его охлаждение Х₄=n₄X₀ выше его охлаждения Х₀ в этой точке воды.

Поставленная цель достигнута путем совместного преобразования шкал Цельсия, Кельвина и МПТШ-68 в две шкалы обратно пропорциональных числовых значений внутренней энергии U рабочего агента термометра и ее показателей обратно пропорциональных величин нагрева и охлаждения рабочего агента термометра. Шкала внутренней энергии рабочего агента термометра остается такой же линейкой или циферблатом. Также состоит из двух шкал с одним общим началом измерения числовых значений в тройной точке воды в противоположном направлении их измерения, но измеряет обратно пропорциональные числовые значения. Общее начало измерений также отмечено штрихом, но обозначено единицей арифметического числа измеряемых термометром величин. Преобразование шкал Цельсия, Кельвина и МПТШ-68 в шкалу внутренней энергии рабочего агента термометра заключается в ее новом назначении и новом принципе ее тарирования. Шкалу, находящуюся выше тройной точки воды, предназначенную для определения числовых значений n₃=U₃/U₀=U₃-U₂, на которые содержание внутренней энергии U₃=n₃U₀ в рабочем агенте термометра и его нагрев Н₃=n₃H₀ превышают ее содержание U₀ в нем и его нагрев Н₀ в тройной точке воды, предлагается именовать шкалой нагрева рабочего агента термометра. Шкалу, находящуюся ниже тройной точки воды, предназначенную для определения числовых значений n₃=U₀/U₄, на которые содержание внутренней энергии U₄=U₀/n₄ в рабочем агенте термометра ниже ее содержания U₀ в тройной точке воды, а его охлаждение Х₄=n₄X₀ выше его охлаждения Х₀ в тройной точке воды, предлагается именовать шкалой охлаждения рабочего агента термометра. Обе шкалы термометра начинают свои измерения с начала измерения второго их участка, которое соответствует тепловому состоянию рабочего агента термометра в тройной точке воды. Общее начало измерения обоих обратно пропорциональных шкал термометра отмечено длинным штрихом и обозначено числом 1, которое обозначает окончание первого участка у обеих шкал термометра. Шкала, расположенная выше штриха 1, разделена на неограниченное число (n₃-1) участков. Их порядковые числа n₃ служат числовыми значениями n₃=U₀+U₁=U₃/U₀, на которые содержание внутренней энергии U₃=U₀+U₁=n₃U₀ в рабочем агенте термометра и его нагрев Н₃=Н₀+Н₁=n₃H₀ превышают содержание в нем внутренней энергии U₀ и его нагрева Н₀ в тройной точке воды. Первым участком шкалы нагрева служит шкала охлаждения рабочего агента термометра, расположенная ниже штриха 1. Штрих 1 у обратно пропорциональных шкал термометра означает окончание их первого участка и начало измерения второго их участка.

Границы окончания каждого участка на шкале нагрева у газового термометра неизменного давления p₀=const определены по формуле: Границы окончания каждого участка на шкале нагрева у газового термометра неизменного объема V₀=const определены по формуле: l_n=n₃p₀. Границы окончания каждого участка на шкале нагрева у обычного термометра определены по формуле: n₃=(T₀+t₁)/T₀=Т₃/273,15 K.

Границы окончания каждого участка на шкале нагрева у всех типов термометров отмечены длинным штрихом и обозначены их порядковыми числами n₃.

Ниже штриха 1 расположены участки шкалы охлаждения рабочего агента термометра, начиная со второго ее участка. Ее порядковые числовые значения n₄ обратно пропорциональны порядковым числовым значениям n₃ шкалы нагрева. Шкала охлаждения, начиная с окончания ее первого участка, разделена на неограниченное число (n₄-1) участков. Порядковые числа n₄ участков шкалы охлаждения служат числовыми значениями n₄=U₀/(U₀-U₂)=U₀/U₄, на которые содержание внутренней энергии U₀=n₄/(U₀-U₂)=n₄U₄ в рабочем агенте термометра в тройной точке воды превышает ее содержание U₄=(U₀-U₂)=U₀/n₄ в нем в конце измерения шкалы термометра. Одновременно это же порядковое число n₄ участков служит числовым значением n₄=Х₄/Х₀=(Х₀+Х₂)/Х₀ величины его охлаждения Х₄=n₄X₀=(Х₀+Х₂). Первым участком шкалы охлаждения служит шкала нагрева. Штрих 1 является границей окончания первого участка шкалы охлаждения и началом измерения второго ее участка.

Границы окончания каждого участка шкалы охлаждения у газового термометра неизменного давления р₀=const определены по формуле: .

Границы окончания каждого участка шкалы охлаждения у газового термометра неизменного объема V₀=const определены по формуле:

Границы окончания каждого участка шкалы охлаждения у обычного термометра, определены по формуле: n₄=T₀/(T₀-t₂)=Т₀/n₄.

Границы окончания каждого участка шкалы охлаждения у всех типов термометров отмечены длинным штрихом и обозначены порядковыми целыми числами n₄. С целью более точного определения содержания внутренней энергии в рабочем агенте термометра участки его шкалы как выше, так и ниже тройной точки воды в зависимости от требуемой точности определения дробных частей участков разделены или на 10, или на 100, или на 1000, или на большее число их десятичных дробных частей. Десятичные дробные части участков шкалы термометра отмечены короткими штрихами и обозначены порядковыми десятичными дробными числами. Деление участков на десятичные части произведено по тому же методу, по которому обе шкалы термометра разделены на отдельные участки.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показан общий вид как отдельных участков шкалы термометра, так и соединенных в один нескольких участков шкалы внутренней энергии рабочего агента газового термометра. На фиг.2 для сравнения приведен общий вид как отдельных частей шкал Цельсия, Кельвина, МПТШ-68 того же газового термометра, так и соединенных в одну часть нескольких их частей.

Осуществление шкалы внутренней энергии рабочего агента термометра поясняется фиг.1. В связи с тем, что «XIII Генеральная конференция по мерам и весам уточнила определение единицы термодинамической температуры в следующем виде: «Кельвин - 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды»…, где Т₀=273,15 К, то согласно данному определению состояние рабочего агента термометра в тройной точке воды является началом измерения для двух его обратно пропорциональных шкал. На фиг.1 начало измерения отмечено длинным штрихом и обозначено числом 1. От него в двух прямо противоположных направлениях термометр производит измерения числовых значений, на которые содержание внутренней энергии в его рабочем агенте термометра во всех точках шкалы термометра отличается от ее содержания в нем в тройной точке воды.

В измерительной технике самыми точными термометрами считаются газовые термометры. Их действие основано на зависимости давления р или объема V идеального газа от температуры: pV=RT. Числовые значения величин давления идеального газа при неизменном объеме V₀=const и объема идеального газа при неизменном давлении р₀=const в заявке использованы в качестве числовых значений внутренней энергии U рабочего агента термометра и измеряемого им тела. В условиях выше тройной точки воды термометрические свойства идеального газа обозначены символами: U₃, Н₃, Х₃. V₃, р₃ Т₃ и т.д. У самого точного газового термометра неизменного давления p₀=const граница окончания первого участка l₁ шкалы нагрева и длина этого участка определены по формуле: . У другого самого точного газового термометра неизменного объема V₀=const граница окончания первого участка l₁ шкалы нагрева и длина этого участка определены по формуле: l₁=p₀=760 мм рт.ст. = 1 ата. Граница окончания первого участка l₁ шкалы нагрева и его длина у обычного термометра определена в абсолютных температурных градусах по формуле: n₃=l₁=T₀=273,15 К.

Границы окончания первых участков у всех типов термометров на их шкалах отмечены длинным штрихом и обозначены числом 1. Шкала нагрева выше штриха 1 разделена на неограниченное число (n₃-1) участков. Границы окончания каждого участка отмечены длинным штрихом и обозначены порядковыми числами n₃, которые служат числовыми значениями n₃ величины внутренней энергии U₃=U₀+U₁=n₃U₀ рабочего агента термометра, его нагрева Н₃=Н₀+Н₁=n₃H₀ и его термодинамической температуры Т₃=Т₀+t₁=n₃T₀=n₃273,15 K.

Шкала нагрева рабочего агента термометра одновременно служит первым участком шкалы его охлаждения. Поэтому в каждом участке шкалы нагрева происходит снижение охлаждения Х₃=Х₀/n₃ агента термометра на те же числовые значения n₃, на которые повышается его нагрев Н₃=n₃H₀.

У самого точного газового термометра неизменного давления p_o=const граница окончания l₂ второго участка шкалы нагрева определена по формуле: Длина второго участка шкалы нагрева определена l₂ - l₁ как разность расстояний между границами второго и первого участков. Граница окончания l₃ третьего участка шкалы нагрева у газового термометра неизменного давления p₀=const определена по формуле: Длина третьего участка шкалы нагрева определена l₃ - l₂ как разность расстояний между границами третьего и второго участков. Границы окончания l_n всех последующих участков шкалы нагрева у газового термометра неизменного давления р₀=const определены по формуле: Длина каждого последующего участка определена l_n-l_(n-1) как разность расстояний между границами последующего и предыдущего участков.

У другого самого точного газового термометра неизменного объема V₀=const граница окончания l₂ второго участка шкалы нагрева определена по формуле l₂=2p₀=1520 мм рт.ст. = 2 ата. Длина второго участка шкалы нагрева определена l₂-l₁=1520 мм рт.ст. - 760 мм рт.ст. = 760 мм рт.ст. как разность расстояний между границами второго и первого участков. Граница окончания l₃ третьего участка шкалы нагрева у газового термометра неизменного объема V₀=const определена по формуле: l₃=3р₀=2280 мм рт.ст. = 3 ата. Длина третьего участка шкалы нагрева определена l₃-l₂=2280 мм рт.ст. - 1520 мм рт.ст. = 760 мм рт.ст. как разность расстояний между границами третьего и второго участков. Границы окончания l_n каждого последующего участка шкалы нагрева у газового термометра неизменного объема V₀=const определены по формуле: l_n=n₃p₀=n₃ 760 мм рт.ст. Длина каждого последующего участка шкалы нагрева определена l_n-l_(n-1) как разность расстояний между границами каждого последующего и предыдущего участков.

У обычного термометра граница окончания l₂ второго участка шкалы нагрева определена по формуле: l₂=2T₀=2×273,15 K = 546,3 K. Длина второго участка шкалы нагрева определена l₂-l₁=546,3 К-273,15 К=273,15 К как разность между границами второго и первого участков, обозначенных температурными градусами и их дробными частями. Граница окончания l₃ третьего участка шкалы нагрева у обычного термометра определена по формуле: l₃=3Т₀=3×273,15 К = 819,45 К. Длина третьего участка шкалы определена: l₃-l₂=819,45 К-546,3 К=273,15 К как разность расстояний между границами третьего и второго участков, обозначенных температурными градусами и их дробными частями. Граница окончания l_n каждого последующего участка шкалы нагрева у обычного термометра определена по формуле: n₃=l_n=n₃T₀=n₃273,15 K. Длина каждого последующего участка шкалы нагрева определена: l_n-l_(n-1)=n₃T₀-(n₃-1)Т₀ как разность расстояний между границами каждого последующего и предыдущего участков, обозначенных температурными градусами и их дробными частями.

Границы окончания участков шкал нагрева у всех типов термометров отмечены длинным штрихом и обозначены порядковыми целыми числами n₃ или порядковыми номерами n₃, которые одновременно являются числовыми значениями n₃ величины внутренней энергии U₃=n₃U₀ в рабочем агенте термометра, его нагрева Н₃=n₃H₀ и его температуры Т₃=n₃T₀=n₃273,15 K.

Примеры конкретного определения внутренней энергии в рабочем агенте термометра, его нагрева, охлаждения и температуры на границах участков шкалы нагрева

Пример 1. На границе второго участка шкалы нагрева содержание внутренней энергии U₃=2U₀ в рабочем агенте термометра, его нагрев Н₃=2Н₀ и его термодинамическая температура Т₃=2Т₀=2×273,15K=546,3 K в два раза превышают его внутреннюю энергию U₀, его нагрев Н₀ и его температуру Т₀=273,15 К в тройной точке воды. Поэтому охлаждение Х₃=Х₀/2 рабочего агента термометра на шкале нагрева, наоборот, в два раза ниже его охлаждения Хо в тройной точке воды.

Пример 2. На границе третьего участка шкалы нагрева содержание внутренней энергии U₃=3U₀ в рабочем агенте термометра, его нагрев Н₃=3Н₀ и его температура Т₃=3Т₀ в три раза выше их величин U₀, Н₀, Т₀ в тройной точке воды. Поэтому охлаждение Х₃=Х₀/3 рабочего агента термометра на шкале нагрева, наоборот, в три раза ниже его охлаждения Х₀ в тройной точке воды и т.д.

В связи с тем, что участки шкалы нагрева являются грубой мерой для всех величин, измеряемых термометром, то в зависимости от требуемой точности определения их величин предлагается каждый участок шкалы делить или на 10, или на 100, или на 1000, или на большее число их десятичных частей. Десятичные дробные части участков предлагается отмечать короткими штрихами и обозначать десятичными порядковыми дробными числами.

Шкала термометра, расположенная ниже штриха 1, является шкалой охлаждения. Она разделена на неограниченное число участков (n₄-1), начиная со второго ее участка. Ее первым участком служит шкала нагрева, где охлаждение рабочего агента может снижаться до бесконечности. Шкала предназначена для определения числовых значений n₄=U₀/U₄, на которые содержание внутренней энергии U₄=U₀-U₂=U₀/n₄ в рабочем агенте термометра ниже ее содержания U₀ в нем в тройной точке воды. Поэтому нагрев H₄=Н₀-Н₂=Н₀/n₄ рабочего агента термометра и его термодинамическая температура Т₄=Т₀-t₂=T₀/n₄=273,15 K/n₄ ниже его нагрева Н₀=1 и ниже его температуры Т₀=-273,15 K в тройной точке воды. Охлаждение Х₄=Х₀+Х₂=n₄X₀ рабочего агента термометра, наоборот, на это же числовое значение n₄ выше его охлаждения Х₀=1 в тройной точке воды.

В условиях ниже тройной точки воды свойства идеального газа обозначены символами U₄, Н₄, Х₄, V₄, р₄, Т₄ и т.д. У газового термометра неизменного давления p₀=const граница окончания второго участка шкалы охлаждения определена по формуле как ¹/₂ часть внесистемной единицы измерения объема V₀ идеального газа в тройной точке воды. Длина второго участка шкалы определена как разность расстояния между границами первого и второго участков шкалы охлаждения. Граница окончания третьего участка шкалы охлаждения рабочего агента у газового термометра неизменного давления p₀=const определена по формуле как 1/3 часть внесистемной единицы измерения объема V₀ идеального газа в тройной точке воды. Длина третьего участка шкалы охлаждения определена l₂-l₃ как разность расстояния между границами второго и третьего ее участков. Граница окончания каждого последующего участка шкалы охлаждения у газового термометра неизменного давления определена по формуле как l/n₄ внесистемной единицы измерения его объема V₀ идеального газа в тройной точке воды. Длина каждого последующего участка шкалы охлаждения l_(n-1)-l_n определена как разность расстояния между границами каждого предыдущего и каждого последующего участков шкалы.

У другого самого точного газового термометра неизменного объема V₀=const граница окончания второго участка шкалы охлаждения определена по формуле мм рт.ст./2=380 мм рт.ст. как ¹/₂ часть давления идеального газа в тройной точке воды. Длина второго участка шкалы охлаждения определена l₁-l₂=760 мм рт.ст. - 380 мм рт.ст. = 380 мм рт.ст. как разность расстояния между границами первого и второго участков. Граница окончания третьего участка у газового термометра неизменного объема V₀=const определена по формуле мм рт.ст./3=253,333 мм рт.ст. как 1/3 часть давления идеального газа в тройной точке воды. Длина третьего участка шкалы охлаждения определена l₂-l₃=380 мм рт.ст. - 253,333 мм рт.ст. = 126,667 мм рт.ст. как разность расстояний между границами второго и третьего участков шкалы охлаждения. Граница окончания каждого последующего участка шкалы охлаждения у газового термометра неизменного объема V₀=const определена по формуле: мм рт.ст./n₄ как l/n₄ часть давления идеального газа в тройной точке воды. Длина каждого последующего участка шкалы охлаждения определена l_(n-1)-l_n как разность расстояний между границами предыдущего и последующего участков шкалы.

Граница окончания второго участка шкалы охлаждения у обычного термометра определена в абсолютных температурных градусах по формуле K/2=136,575 K как ¹/₂ часть термодинамической температуры рабочего агента термометра в тройной точке воды. Граница окончания второго участка шкалы охлаждения на шкале Цельсия определена по формуле: l₂=T₄+(-t_273,15°_C)=136,575 K+(-273,15°С)=-136,575°С. Длиной второго участка шкалы охлаждения является разность температур на границах первого и второго участков. Граница окончания третьего участка шкалы охлаждения обычного термометра в абсолютных температурах определена по формуле: K/3=91,05 K как 1/3 часть термодинамической температуры рабочего агента термометра в тройной точке воды. Граница окончания третьего участка шкалы охлаждения в градусах Цельсия определена по формуле: t₄=T₄+(-t_273,15°C)=91,05 K+(-273,15°С)=182,1°С. Длина третьего участка шкалы охлаждения определена по разности температур на границах второго и третьего участков. Граница каждого последующего участка шкалы у обычного термометра в абсолютных температурах определена по формуле: K/n₄ как l/n₄ часть термодинамической температуры рабочего агента термометра в тройной точке воды. Длина каждого последующего участка определена по разности температур на границах предыдущего и последующих участков.

Примеры применения шкалы охлаждения для определения величины внутренней энергии рабочего агента термометра, его охлаждения и его температуры

Пример 1. На границе окончания второго участка шкалы содержание внутренней энергии U₄=U₀/2=0,5U₀ в рабочем агенте термометра в два раза ниже ее содержания U₀ в нем в тройной точке воды потому, что его термодинамическая температура Т₄=Т₀/2=273,15K/2=136,575 K в два раза ниже ее величины Т₀=273,15 K в тройной точке воды. Поэтому охлаждение Х₄=2Х₀ агента термометра в два раза выше его охлаждения Х₀ в тройной точке воды.

Пример 2. На границе окончания третьего участка шкалы охлаждения содержание внутренней энергии U₄=U₀/3 в рабочем агенте термометра в три раза ниже ее содержания U₀ в нем в тройной точке воды, так как термодинамическая температура Т₄=273,15 K/3=91,05 К рабочего агента термометра в три раза ниже ее величины Т₀=273,15 К у него в тройной точке воды. Поэтому охлаждение Х₄=3Х₀ агента термометра в три раза выше его охлаждения Х₀ в тройной точке воды и т.д.

Откуда следует, что участки шкалы охлаждения в участках, близких к тройной точке воды, являются грубой мерой внутренней энергии. С целью повышения точности определения остаточного содержания внутренней энергии в рабочем агенте термометра предлагается участки шкалы охлаждения делить или на 10, или на 100, или на 1000, или на большее число их десятичных частей, границы окончания дробных частей участков шкалы охлаждения отмечать короткими штрихами и обозначать порядковыми десятичными дробными числами.

Эффективность шкалы внутренней энергии рабочего агента термометра заключается в том, что у рабочего агента термометра и у измеряемого им тела она непосредственно и с высокой степенью точности определяет действительные числовые значения величин содержащейся в них внутренней энергии, от которых зависят их энергетические свойства. Высокая точность обеих обратно пропорциональных шкал термометра достигнута в результате их тарирования в строгом соответствии с физическими и математическими правилами, согласно которым у прототипа и аналогов изобретения следовало тарировать их температурные шкалы. Шкала внутренней энергии в условиях выше тройной точки воды у рабочего агента термометра и у измеряемого им тела определяет величину содержащейся в них внутренней энергии и их нагрев. В условиях ниже тройной точки воды шкала термометра определяет остаточное содержание внутренней энергии в рабочем агенте термометра и в измеряемом им теле и их охлаждение. Ценность заявленной шкалы состоит еще и в том, что она определяет величины, которые в настоящее время не определяет ни один прибор измерительной техники. Кроме того, предложенная шкала в полном объеме способна заменить собой температурные шкалы термометра, так как последние являются посредниками при определении числовых значений у измеряемых термометром величин.

Примеры практического применения термометра с заявленной шкалой для непосредственного определения числовых значений величины внутренней энергии у ряда физических тел и химических веществ

Пример 1. Эффективная температура солнечной поверхности Т=5770 K. Термометр с предлагаемой шкалой определяет число n₃=Т/Т₀=5770 K/273,15 K=21,1239, на которое содержание внутренней энергии U₃=n₃U₀=21,12392 U₀ в солнечном веществе на поверхности Солнца, его нагрев Н₃=n₃H₀=21,12392Н₀ превышают содержание в нем внутренней энергии U₀ и его нагрев Н₀ в тройной точке воды.

Пример 2. Вольфрам кипит при температуре: t₁=5900°С. Термометр с предлагаемой шкалой непосредственно определяет число n₃=(T₀+t₁)/T₀=(273,15 K+5900°С)/273,15 K=22,6, на которое содержание внутренней энергии U₃=22,6U₀ в кипящем вольфраме, его нагрев Н₃=22,6Н₀ превышают содержание в нем внутренней энергии U₀ и его нагрев Н₀ в тройной точке воды.

Пример 3. Температура плавления азота t₂-209,86°С. Термометр с предлагаемой шкалой непосредственно определяет число n₄=T₀/(T₀-t₂)=273,15 K/(273,15 K - 209,86°С)=273,15 K/63,29 K=4,316, на которое содержание внутренней энергии U₄=U₀/n₄=U₀/4,316 в азоте ниже ее содержания U₀ в нем в тройной точке воды. Одновременно шкала внутренней энергии непосредственно определяет, что охлаждение Х₄=n₄X₀=4,316Х₀ азота в точке его плавления в 4,316 раз выше его охлаждения Х₀ в тройной точке воды.

Пример 4. Температура плавления гелия t₂=-272,2°С. Шкала термометра непосредственно определяет число n₄=Т₀/(Т₀-t₂)=273,15 K/(273,15 K - 272,2 K)=273,15 K/0,95 K=287,5, на которое содержание внутренней энергии U₄=U₀/287,5 в точке плавления гелия в 287,5 раз ниже содержания в нем внутренней энергии U₀ в тройной точке воды. Одновременно шкала внутренней энергии непосредственно определяет, что охлаждение Х₄=287,5Х₀ гелия в точке его плавления в 287,5 раз выше их охлаждения Х₀ в тройной точке воды.

Пример 5. Температура облачного слоя планеты Сатурн t₂=-170°C. Шкала термометра непосредственно определяет число n₄=Т₀/(Т₀-t₂)=273,15 K/ (273,15 K - 170°С)=273,15 K/103,15 K=2,648, на которое содержание внутренней энергии U₄=U₀/n₄=U₀/2,648 в облачном слое Сатурна ниже ее содержания U₀ в нем в тройной точке воды. Одновременно шкала внутренней энергии непосредственно определяет число n₄=X₄/X₀=2,648, на которое охлаждение Х₄=n₄X₀=2,648Х₀ облачного слоя Сатурна в 2,648 раза выше его охлаждения Т₀=273,15 K в тройной точке воды.

Данные примеры являются наглядным доказательством, что предложенная шкала внутренней энергии рабочего агента термометра позволяет непосредственно, без посредника, определять числовые значения термометрических величин у измеряемых термометром тел и веществ.

Источники информации

1. X.Кухлинг. «Справочник по Физике». М.: «Мир», 1982 г.

2. «Физический энциклопедический словарь», Гл. редактор A.M.Прохоров. М.: «Советская энциклопедия», 1984 г.

3. Я.А.Смородинский. «Температура» - М.: «Наука». Гл. редакция физико-математической литературы, 1987 г.

4. Р.Д.Бурдон. «Справочник по Международной системе единиц». - М.: «Издательство стандартов», 1977 г.

5. «Краткий справочник по химии». - Киев, Издательство академии наук УССР. 1962 г.

6. Ю.И.Витковский. «Солнечная активность». Москва: «Наука», 1983 г.

7. Пурмаль, Е.М. Слободецкая, С.О. Травин. «Как превращаются вещества». Москва: «Наука», 1984 г.

8. «Энергетик» №1 (3169), 14 февраля 1994 г.

Изобретение относится к измерительной технике. Шкала внутренней энергии рабочего агента термометра разработана и построена на основании первого закона термодинамики Q=U+W путем соединения двух шкал обратно пропорциональных числовых значений внутренней энергии U рабочего агента термометра в одну его шкалу. Обе шкалы производят измерения от одного общего начала измерения в противоположных направлениях. Шкала выше начала измерения термометра измеряет числовые значения n₃, на которые содержание внутренней энергии U₃=n₃U₀ в рабочем агенте термометра и его нагрев Н₃=n₃H₀ превышают ее содержание U₀ в нем и его нагрев Но в тройной точке воды. Шкала ниже начала измерения термометра измеряет числовые значения n₄, на которые содержания внутренней энергии U₄=U₀/n₄ в рабочем агенте термометра ниже ее содержания U₀ в нем в тройной точке воды, а его охлаждение X₄=n₄X₀ на эти же числовые значения n₄ выше его охлаждения Х₀ в тройной точке воды. Технический результат - определение величины внутренней энергии рабочего агента термометра при различных значениях температуры. 2 ил.

Шкала внутренней энергии рабочего агента термометра - это линейка или циферблат, состоящие из двух шкал, у которых одно общее начало измерений в тройной точки воды, одна шкала термометра, расположенная выше тройной точки воды, служит для определения одних числовых значений, а другая шкала термометра, расположенная ниже тройной точки воды, служит для определения других числовых значений, отличающаяся тем, что состоят из двух шкал - обратно пропорциональных шкал величин нагрева и охлаждения рабочего агента термометра, обе шкалы термометра начинают свои измерения с начала измерения второго их участка, которое соответствует тепловому состоянию рабочего агента термометра в тройной точке воды, оно отмечено длинным штрихом и обозначено числом 1, обозначающим окончание первого участка шкалы и начало измерения второго участка обеих шкал термометра, шкала термометра, расположенная выше штриха 1, разделена на неограниченное число (n₃-1) участков, их порядковые числа n₃ являются числовыми значениями n₃=(U₀+U₁)/U₀=U₃/U₀, на которые содержание внутренней энергии U₃=(U₀+U₁)=n₃U₀ в рабочем агенте термометра и его нагрев Н₃=(Н₀+Н₁)=n₃H₀ превышают ее содержание U₀ в нем и его нагрев Н₀ в тройной точке воды, первым участком шкалы нагрева является шкала, находящаяся ниже штриха 1, границы окончания каждого участка на шкале нагрева у газового термометра неизменного давления p=const определены по формуле , границы окончания каждого участка на шкале нагрева у газового термометра неизменного объема V=const определены по формуле l_n=n₃ р₀, границы окончания каждого участка на шкале нагрева у обычного термометра определены по формуле n₃=(Т₀+t₁)/Т₀=Т₃/Т₀, границы окончания участков отмечены длинным штрихом и обозначены порядковыми числами n₃, ниже штриха 1 расположены участки шкалы охлаждения, начиная со второго ее участка, числовые значения n₄ шкалы охлаждения обратно пропорциональны числовым значениям n₃ шкалы нагрева, шкала охлаждения, начиная с окончания ее первого участка, разделена на неограниченное число (n₄-1) участков, их порядковое число n₄ являются числовыми значениями n₄=U₀/(U₀-U₂)=U₀/U₄, на которые содержание внутренней энергии U₀=n₄(U₀-U₂)=n₄U₄ в рабочем агенте термометра в начале измерения шкалы термометра превышает ее содержание U₄=(U₀-U₂)=U₀/U₄ в нем в конце ее измерения, одновременно эти же порядковые числа n₄ участков шкалы являются числовыми значениями n₄=Х₄/Х₀=(Х₀+Х₂)/Х₀ величины охлаждения Х₄=(Х₀+Х₂)=n₄X₀ рабочего агента термометра, первым участком шкалы охлаждения является шкала нагрева, штрих 1 является границей окончания первого участка шкалы охлаждения и началом измерения ее второго участка, границы окончания каждого участка шкалы охлаждения у газового термометра неизменного давления p=const определены по формуле , границы окончания каждого участка шкалы охлаждения у газового термометра неизменного объема V=const определены по формуле , границы окончания каждого участка шкалы охлаждения у обычного термометра определены по формуле n₄=T₀/(T₀-t₂)=T₀/T₄, границы окончания участков шкалы охлаждения отмечены длинными штрихами и обозначены порядковыми числами n₄, в зависимости от требуемой точности определения дробных частей участков, как на шкале нагрева, так и на шкале охлаждения рабочего агента термометра, участки разделены или на 10, или на 100, или на 1000, или большее число их десятичных дробных частей по тому же методу, по которому делились на участки обе обратно пропорциональные шкалы термометра, десятичные дробные части участков на обоих шкалах термометра отмечены короткими штрихами и обозначены порядковыми десятичными дробными числами.