Все о датчиках температуры.
Первый универсальный русскоязычный портал

Символ нового года

Кто боится кельвина?

25.05.2010 | Автор: Моисеева Н.П. | Полемические заметки | Количество просмотров: 7181 | Комментарии (4)

Российские ученые считают, что преждевременно менять определение единицы температуры. Интересно, почему?

Недавно на сайте мы опубликовали протокол заседания Комиссии по метрологии при Научном совете РАН по комплексной проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика» и Технического комитета по метрологии «Температурные, теплофизические и дилатометрические измерения» при Управлении метрологии Ростехрегулирования, проходившем в июле 2010 г. в г. Якутске. В протоколе была изложена позиция Комиссии и ТК относительно предстоящего переопределения единицы температуры кельвина. И, к моему глубокому удивлению, эта позиция была отрицательной. Комиссия постановила, что преждевременно менять определение единицы температуры в 2011 г.

Возникает вопрос – на чем основан такой вывод?

В протоколе сказано, что проблема обсуждалась на научном совете РАН, ученых советах институтов и на заседании ТК КООМЕТ. Приведены высказанные при обсуждении мнения, на основе которых и было сделано заключение. Эти мнения российских специалистов было решено официально представить на очередном заседании Консультативного комитета по термометрии и встрече рабочей группы TG – SI, ответственной за подготовку переопределения кельвина. Скорее всего, в протоколе «мнения» изложены очень кратко, вероятно у авторов «мнений» есть более широкая аргументация, подкрепленная результатами научных исследований. Хочется верить, что при предоставлении заключения на рассмотрение рабочей группы ККТ оно не будет на столько голословным. Фактически в настоящей формулировке эти «мнения» просто не выдерживают критики. У людей, читающих протокол Комиссии, складывается впечатление, что все мнения, и следующее за ними заключение, связаны с недостаточным пониманием позиции ККТ, и даже возможно с тем, что члены Комиссии и ученых советов не читали документ ККТ в оригинале.

Проясним популярно ситуацию с кельвином для всех посетителей сайта.

Еще в далеком 2007 г., когда открылся наш сайт мы опубликовали обращение Международного комитета по мерам и весам (МКМВ) ко всем специалистам в области температурных измерений о возможном переходе на новое определение кельвина в 2011 г. ( см. раздел ЕДИНИЦА ТЕМПЕРАТУРЫ КЕЛЬВИН). Обращение было подкреплено подробным документом ККТ, опубликованным на сайте МБМВ и представляющим собой отчет целевой рабочей группы ККТ (TG-SI). Документ мы не перевели с английского (а зря!), перевели только обращение.

В данном документе очень подробно объяснялся смысл замены определения кельвина и анализировались последствия этого шага для практических измерений температуры. Идея в том, что в настоящее время уже достигнут такой высокий уровень точности экспериментального определения постоянной Больцмана, что фиксирование значения этой постоянной не приведет в обозримом будущем к изменению температуры тройной точки воды 273,16 К или 0 °С. (Взаимосвязь постоянной Больцмана и температуры тройной точки воды популярно изложена в разделе «Понятие температуры» нашего сайта.) На практической реализации МТШ-90 новое определение никак не отразится. Новое определение кельвина будет способствовать развитию первичных термодинамических методов реализации температурной шкалы, наряду с методами, описанными в МТШ-90.

ККТ высоко оценил работу всех ученых по уточнению постоянной Больцмана. Предполагалось, что к 2010 г. неопределенность определения этой постоянной будет снижена до 1 x 10-6. Если значение постоянной будет фиксированным, то соответствующая неопределенность термодинамической температуры тройной точки воды будет равна 0,25 мК.

А сейчас ответим прямо по пунктам на все «мнения», высказанные при обсуждении проблемы кельвина на заседании Комиссии .( см. протокол заседания Комиссии)

1. Практика показывает, что преобразования ради идеи, если они не вызваны жесткой необходимостью, обычно приносят вред.
Скорее всего, имеется в виду практика общественно-политической жизни. В науке и технике это не работает. Интересно, автор этих строк все еще пользуется печатной машинкой вместо компьютера или вообще пишет от руки, ведь жесткой необходимости печатать на компьютере нет?

2. Предлагаемое определение единицы температурной шкалы через константу Больцмана, рассматриваемое с позиций структуры фундаментальных физических констант (ФФК), не должно затушевывать статистический смысл температуры и энтропии как специфических характеристик тепловой формы движения материи.
Новое определение единицы температуры никак не нивелирует понятие энтропии. Надо различать смысл понятия «температура» и определение единицы температуры. Понятие температуры, предложенное лордом Кельвином, базировалось на свойствах идеальной тепловой машины, рассматривая которые Клаузиус ввел понятие новой физической величины - энтропии, как частного от деления отданной или поглощенной машиной тепловой энергии к температуре соответствующего резервуара S=Q/T . Эта величина была показателем обратимости процесса. Для необратимо процесса суммарная энтропия всегда больше нуля. Исходя из принципов статистической механики, Больцман показал, что энтропия является параметром состояния, пропорциональным скорости изменения логарифма числа состояний как функции энергии для системы, находящейся в тепловом равновесии. Естественной единицей для температуры была бы энергия, но такая единица была бы не удобной из-за очень малых долей Джоуля, приходящихся на одну степень свободы движения частиц. Поэтому Планк ввел коэффициент k (постоянную Больцмана), связывающий энергию и термодинамическую температуру. Как может определение единицы температурной шкалы через константу Больцмана «затушевывать» смысл температуры и энтропии? Что может быть естественней для определения единицы, чем присвоить коэффициенту пропорциональности фиксированное значение? Обратите внимание, что документе ККТ о переходе на новое определение кельвина именно с понятия энтропии и со статистического его смысла начинается подход к измерению термодинамической температуры, объяснение энергетической природы единицы температуры и представление коэффициента Больцмана как коэффициента пропорциональности между температурой и энергией.

3. Отдельное обсуждение константы Больцмана (КБ) независимо от других констант молекулярной физики (постоянной Стефана- Больцмана, молярной газовой постоянной, числа Авогадро) в системе ФФК методически не обосновано. Правильнее комплексно решать задачу при согласовании разнородных данных.
Преимущество постоянной Больцмана в том, что она не связана с другими фундаментальными константами. Молярная газовая постоянная зависит также от числа Авогадро R = k . N A, постоянная Стефана- Больцмана включает скорость света и постоянную Планка.

Очень важно, что в рекомендации 1 (CIPM-2005) МКВМ ставит задачу о переходе не только на новое определение кельвина путем присвоения фиксированного значения постоянной Больцмана, но и на изменение определений килограмма, ампера и моля путем фиксирования постоянной Планка, элементарного заряда и числа Авагадро, используя последние данные COODATA. Присвоение определенных фиксированных значений этим фундаментальным константам приведет к уточнению других постоянных, в определение которых они входят.

4. Предлагаемое новое определение единицы температуры носит достаточно абстрактный (искусственный) характер. Воспроизведение единицы температуры в соответствии с новым определением является не менее сложной задачей, чем аппроксимация к термодинамической температурной шкале.

Новое определение менее искусственно, чем старое. Как уже говорилось, самое естественное, что можно предложить для единицы температуры – это энергия в джоулях. Как известно именно из-за того, что средняя энергия поступательного движения молекул очень мала, был введен коэффициент пропорциональности k, связывающий температуру и энергию. Для определения кельвина можно зафиксировать значение температуры в определенном стабильном состоянии, например, в тройной точке воды ТТВ, и получить k ( что пока и делается), либо можно зафиксировать сам коэффициент k и получить значение температуры ТТВ. Поскольку значение температуры ТТВ зависит от конкретной ампулы, то фиксирование k представляется более естественным.

Воспроизведение термодинамической шкалы никак не усложняется. Даже имеет то преимущество, что не надо привязываться к измерениям в ТТВ для получения константы k. Главным преимуществом введения нового определения кельвина ККТ считает именно уточнение термодинамической шкалы в далеких от ТТВ областях. (см. все тот же документ ККТ). На воспроизведение МТШ-90 и точность передачи размера единицы температуры введение нового определения кельвина никак не повлияет.

5. Уточнение значения константы Больцмана в настоящее время связано с измерениями скорости звука в разреженных инертных газах при температуре тройной точки воды и использовании известного термодинамического выражения для связи скорости звука и произведения КБТ. Оценки доверительной погрешности этих измерений нуждаются в дополнительном анализе систематических погрешностей, связанных с неизоэнтропичностью распространения малых возмущений в газе, возможным влиянием гравитационного и магнитного поля Земли и т.п.

В разделе 5 уже многократно упомянутого документа ККТ приведены сведения о современных методах определения постоянной Больцмана. Их несколько. Наиболее точные данные действительно получаются методами акустической термометрии. Значение, рекомендованное CODATA в 2002 г. является взвешенным средним двух независимых экспериментов, проведенных в НИСТ и ПТБ. Неопределенность значения ur(k) = 1.8 x 10 -6. Таким образом, наибольший прогресс в этой области был достигнут в НИСТ (США) и ПТБ (Германия). На 4-м международном совещании «Прогресс в определении постоянной Больцмана», которое проходило в Турине, Италия, в национальном институте метрологии 22-24 сентября 2009 г. было представлено более 20 докладов об определении постоянной Больцмана. Никто из России участия не принимал. Тезисы докладов доступны по ссылке (Информация о семинаре публиковалась за полгода до его начала в разделе сайта «Конференции и семинары»). Можем ли мы кого-то учить, как анализировать погрешность их методов, не имея собственного опыта подобных экспериментов?

6. Новое определение приведет к заметной потере точности воспроизведения единицы температуры в наиболее измеряемом диапазоне температур.

Очень расплывчато и в корне неверно. В наиболее измеряемом диапазоне от -200 до 960 °С как раз вообще ничего не изменится. Во всех документах ККТ подчеркивается, что новое определение кельвина не требует замены МТШ-90! Температура ТТВ по-прежнему будет равна 273,16 К. Точность воспроизведения ТТВ и других точек будет определяться только их качеством и качеством аппаратуры.

Цитирую абзац из п.3.1. документа ККТ:
«For the foreseeable future, most temperature measurements in the core temperature range from about - 200 °C to 960 °C will continue to be made using standard platinum resistance thermometers calibrated according to ITS-90. Because ITS-90 will remain intact, with defined values of T90 for all of the fixed points, the uncertainties in T90 will not change: they will continue to be dominated by uncertainties in the fixed-point realizations (column 3 of Table I) and the non-uniqueness of the platinum resistance thermometers, typically totalling less than 1 mK.»

То, что само значение термодинамической температуры ТТВ 273,16 будет иметь неопределенность 0,25 мК никак не скажется на реализации практической шкалы и измерениях температуры в промышленности. Обратите внимание, что сейчас некоторые реперные точки имеют неопределенность значения термодинамической температуры более 10 мК.

7. Важным вопросом является оценка неопределенности термодинамической шкалы температур в целом в том случае, если KБ считать точной величиной.

Именно этот важный вопрос и рассмотрен в документе ККТ. посмотрите на приведенную в документе ККТ таблицу I , включающую неопределенностей всех термодинамических температур реперных точек МТШ-90 и их изменение после введения нового определения кельвина.

8. Многолетние усилия по совершенствованию международной температурной шкалы в части ее приближения к термодинамической температурной шкале не привели к заметным результатам в науке и промышленности. Более того, не сформулированы обоснованные требования к необходимой точности такого приближения. Поэтому, представляется целесообразным продолжая совершенствовать методы и средства измерения термодинамической температуры, исследуя отклонение действующей международной температурной шкалы от термодинамической, публиковать результаты в справочной литературе, но не вводить изменения в температурную шкалу.

Введение новой практической шкалы и нового определения кельвина – разные вещи. В ближайшее время введение новой международной практической шкалы не планируется. Причина именно в больших технологических изменениях и экономических и затратах для промышленности. Сейчас ККТ предлагает несколько другой подход, а именно учреждение законодательного документа, обобщающего практику реализации единицы температуры “Mise en pratique for the definition of the kelvin” (MePK). Основная идея в том, что МТШ-90 и ПНТШ-2000 не должны быть единственно возможными международными шкалами. Измерение температуры может осуществляться также первичными термометрами, реализующими термодинамическую шкалу. MePK будет включать оценку отклонения термодинамической шкалы от практических шкал. (см. раздел сайта «развитие МТШ-90»)

Обобщенный результат дискуссий по вопросу нового определения единицы температуры сформулирован как утверждение о том, что преждевременно принимать решение о переопределении единицы температуры на Генеральной конференции по мерам и весам в 2011 году. Это мнение, как мнение всех специалистов России, предлагается официально представить на заседании ККТ.

Возникает вопрос: А были ли реальные дискуссии? Кто конкретно высказал эти «мнения», не выдерживающие критики? Простите за прямоту. Не является ли это заключение мнением небольшой группы людей, которые не изучали научные публикации по определению постоянной Больцмана и документы ККТ в оригинале? По крайней мере, в настоящей редакции протокола Комиссии это выглядит именно так.

Я все еще надеюсь, что на заседаниях ученых советов были изложены более веские и действительно научные аргументы, затрагивающие проблемы перехода на новый кельвин, чем на заседании Комиссии. На мой взгляд, единственным аргументом в пользу того, чтобы притормозить переход на новое определение кельвина, может являться информация о появлении новых сверхточных методов измерения постоянной Больцмана, чтобы подождать несколько лет и зафиксировать ее с минимальной неопределенностью.

Очень хотелось бы видеть полный документ, который будет представлен от России официально на заседании ККТ в мае 2010. Приглашаю высказать свое мнение и возможно опубликовать какие-либо научные труды по этой проблеме всех заинтересованных специалистов, ученых, участников научных советов РАН, ученых советов Вузов и НИИ, обсуждавших проблему. Дискуссия в Интернете – это самый демократичный и современный вид дискуссии.

Гл.редактор портала Temperatures.ru
Моисеева Н.П.

Другие статьи раздела

Все статьи раздела "Полемические заметки"

Комментарии:

А.Магунов, | НИИПМТ

Сравнительно недавно был введен стандарт Вольта через излучение сверхпроводящих контактов Джозефсона. Необходимость единообразного определения единиц через универсальные константы понятна. Но черт всегда в деталях. Про новый Кельвин пишут туманно, как про нанотехнологии. Похоже, он попал в массовую кампанию по переопределению единиц, оставшихся без новых определений в 60-е – 80-е годы. Для сравнения можно прочесть ясные давние статьи (Н.Г.Басов и др.) по новым стандартам длины, времени и частоты. В документах ККТ (“Разработка нового определения”) много спекуляций: “Новое определение кельвина будет способствовать развитию…”, “Преимуществом переопределения единицы станет продвижение…”, “должно привести к повышению точности…” и т.д. Похоже, победить здесь нокаутом нельзя, но по очкам можно. Напор нового часто бывает решающим аргументом. Даже если замена единицы температуры выглядит извне как чиновничье мероприятие по типу “А чем мы хуже других?” Неясно вот что: какое значение имеет мнение организаций РФ для принятия решения? Требуется единогласное голосование? То, что сейчас в РФ нет установок для точного определения постоянной Больцмана, не может и не должно останавливать техническую эволюцию. Но, в общем, смена единицы восторга не вызывает. Нет в этой идее научного блеска, сравнимого с переходом к излучению атомов как стандарту длины или излучению молекул как стандарту частоты, и не видно отчетливых и неодолимых преимуществ у новой единицы температуры. Но и возражать неловко, поскольку тенденция неизбежна, а трудности преодолимы. Решать должны те, кто может и хочет сделать эталон и разработать процедуру. А вот само новое определение единицы температуры нигде, кажется, не сформулировано. Где его можно прочитать?

Моисеева,

Александр Николаевич, спасибо за комментарий. Я должна была привести новые варианты определения кельвина на сайте. Исправлюсь в ближайшее время. (Ошибкой было думать, что все найдут время и желание прочитать упомянутый многократно в заметке документ ККТ ) Вы правы, определение кельвина через фиксирование константы Больцмана не так впечатляет, как переопределение других констант. Кажется, что, переопределяя единицы, ученые пытаются вложить в них реальный физический смысл. Приобретет ли смысл определение единицы температуры? В существующем определении кельвин связан с температурой тройной точки воды, которой исключительно для удобства человечества присвоено значение 273,16. Нет связи с физическими законами вообще. Формулировка нового определения - это сложная задача. В многократно упомянутом документе ККТ этой задаче отводится целая глава. Рассмотрены четыре возможных варианта определения. Первый вариант – связать кельвин с тепловой энергией (The kelvin is the change of thermodynamic temperature T that results in a change of the thermal energy kT by exactly 1.380 65XX 10-23 joule, where k is the Boltzmann constant.) Второй вариант еще более физический: (The kelvin is the thermodynamic temperature at which the mean translational kinetic energy of atoms in an ideal gas at equilibrium is exactly (3/2) 1.380 65XX 10-23joule.) В настоящее время ККТ склоняется больше к наиболее формальному четвертому определению (The kelvin, unit of thermodynamic temperature, is such that the Boltzmann constant is exactly 1.380 65XX 10-23 joule per kelvin.), предполагая, что физический смысл константы Больцмана можно уточнить в документах по шкале mise en pratique. При этом отмечено, что если консультативный комитет по единицам примет решение о переопределении единиц ампера и моля, опираясь на их природу, то придется изменить решение в пользу первого, рассматриваемого в документе ККТ варианта Для меня лично, из всех рассматриваемых определений кажется наиболее понятным и связанным с физическими законами второй вариант. Советую все же найти время и заглянуть в документ ККТ, который представляет из себя отчет рабочей группы 2007 г. Почему я на него всегда ссылаюсь? Это обобщение дискуссий и опыта специалистов из многих стран, он включает также 40 источников и публикаций. С уважением, Моисеева Н.П. P.S. Да, безусловно, никто в ККТ мнения наших организаций, типа комиссий РАН, не спрашивает, но если это мнение будет все-таки доложено, то, как говорится, «за державу обидно».

А.Магунов, | НИИПМТ

Наталия Павловна, спасибо. Те четыре определения я, конечно, читал. Но там непонятна процедура. Прежде было хотя бы в принципе ясно, как делается единица. Интервал от нуля до тройной точки делится на 273 части – получается один градус. Или единица длины – путь, который проходит свет за надлежащую долю секунды. Здесь тоже ясно, что такое метр. Он практически остался тем же, чем был в виде платиновой линейки. Физический смысл единицы температуры как-то не выявляется. Температура все равно не измеряется прямо. При определении температуры через среднюю энергию надо и измерять, казалось бы, энергию, а не термоэдс или сопротивление Pt. Даже точное знание величины k не позволяет убедиться, что средняя энергия частиц изменилась так, как следует из определения Кельвина. Получаем, что в выражении для энергии E = (3/2)kT известно k, но неизвестны Е и Т. Наглядный смысл температура приобрела бы, если бы удалось измерять распределение по энергиям в системе частиц (Максвелл или Больцман). Надо построить экспериментальное распределение и найти температуру как параметр этого распределения. Мы именно так измеряем температуру по распределению Планка. Но вопрос о единице в любом случае был бы запутанный. Так что пока с новым Кельвином разобраться не удается.

Моисеева,

Александр Николаевич, спасибо за дискуссию. Я думаю, что многие разделяют Ваше мнение. Поэтому хочу ответить. Возможно мой ответ будет слишком упрощенным, но я стараюсь писать для всех посетителей. Помню, что мне в школе было не понять, как на самом деле получают один градус Кельвина. С Цельсием все ясно. Измеряют температуру замерзания воды и кипения воды градусником и делят на 100 частей. Как измерить температуру при абсолютном нуле, чтобы потом разделить интервал на 273 части? Ведь при абсолютном нуле все известные термометры не работают? Потом все встало на свои места. Оказалось, что 1/273,16 часть придумана как раз, чтобы ничего не делить, а просто присвоить тройной точке точное значение, которое когда-то в 1954 году было получено из экстраполяции показаний газового термометра, градуированного при 0 и 100 С к абсолютному нулю. Кстати, если бы мы измерили каким-то гипотетическим термометром 0 и 273,16 К, а потом разделили шкалу на 273,16 равные части, то кельвин мы бы получили, только если шкала термометра линейна, что очень трудно вообразить. Когда говорят об измерении температуры термометром сопротивления или термопарой всегда имеют ввиду практическую шкалу, типа МТШ-90. Она введена для удобства. Кстати правильнее обозначать Т практическую с символом 90, а Т термодинамическую просто как Т. Кельвин-единица термодинамической температуры. Температуру термодинамическую измеряют различными методами (один из которых Вы описали), общее то, что фактически всегда измеряют именно энергию «кТ». Вы правы, энергию измеряют не на прямую, как энергию движения частиц, а исходя из уравнений состояния. Если энергию измерили, то для получения «Т» нужно знать «к». Предлагается «к» фиксировать и таким образом облегчить работу именно Вам. По-моему люди, занимающиеся абсолютной термометрией по излучению должны двумя руками голосовать за новое определение кельвина. Ну а мы, практики, немного проиграем, т.к ТТВ будет уже с небольшой погрешностью. Но в обозримом будущем никто этого не почувствует. Тройная точка по-прежнему будет 273,16 К.

Добавить комментарий: