Міжнаро́дна температу́рна шкала́ 1990 ро́ку або МТШ-90 () — це стандарт для калібрування обладнання, визначений Міжнародним комітетом мір і ваг (МКМВ) для проведення вимірювань температури за шкалами Кельвіна та Цельсія. Вона слугує апроксимацією температурної шкали, що забезпечує порівнянність та сумісність вимірювань температури на міжнародному рівні. МТШ-90 визначається чотирнадцятьма визначальними реперними точкам, які базуються на станах термодинамічної рівноваги, у діапазоні від 0,65 K до 1357,77 K (від −272,50 °C до 1084,62 °C) і є найновішою в серії міжнародних температурних шкал, що ухвалювалися з 1927 року.
Загальні принципи та призначення Стандартизована практична температурна шкала є фундаментальною основою для забезпечення відтворюваності та порівнянності температурних вимірювань у різних лабораторіях та країнах. Без єдиного, міжнародно узгодженого методу, результати наукових досліджень та якість технологічних процесів були б поставлені під сумнів.
МТШ-90 є саме таким стандартом для калібрування обладнання, а не фундаментальною шкалою як такою. Її головне призначення — максимально точно відтворити термодинамічну (абсолютну) температурну шкалу практичними та досяжними методами. Хоча до 2019 року кельвін теоретично визначався через потрійну точку води (273,16 К або 0,01 °C), використання цього визначення є непрактичним для температур, що значно відрізняються від цієї точки. Саме для подолання цього обмеження МТШ-90 і була розроблена як система, що використовує низку легко відтворюваних реперних точок та стандартизовані методи інтерполяції для побудови практичної шкали.
Шкала побудована на основі низки з чотирнадцяти точно визначених і відтворюваних станів термодинамічної рівноваги чистих хімічних елементів та води. Ці стани, відомі як визначальні реперні точки, є фазовими переходами (наприклад, плавлення або тверднення), які слугують надійними еталонами. Для вимірювання температури між цими фіксованими точками шкала передбачає використання конкретних типів еталонних термометрів з визначеними математичними методами інтерполяції.
Історія та зв'язок з попередніми шкалами Міжнародна температурна шкала 1990 року є результатом тривалої еволюції у прагненні до створення все точніших практичних стандартів температури, що почалася у 1927 році. Кожна нова версія шкали відображала прогрес у галузі термометрії та дозволяла точніше апроксимувати термодинамічну температуру.
Ухвалена в 1989 році, МТШ-90 замінила Міжнародну практичну температурну шкалу 1968 року (МПТШ-68) (з поправками 1975 року) та тимчасову Температурну шкалу від 0,5 К до 30 К від 1976 року.
У 2019 році відбулося перевизначення кельвіна, що базується на фіксації значення сталої Больцмана2018 CODATA Recommended Values of the Fundamental Constants of Physics and Chemistry — 2019. Однак ця зміна була настільки незначною порівняно з невизначеностями самої МТШ-90, що шкала залишилася рекомендованим практичним стандартом без будь-яких суттєвих змін. Разом з тим, очікується, що в майбутньому вдосконалення методів первинної термометрії (наприклад, акустичної газової термометрії або термометрії на основі шуму джонсонівського шуму) дозволить безпосередньо вимірювати термодинамічну температуру з достатньою точністю, поступово зменшуючи залежність від практичних шкал, як-от МТШ-90.
Між МТШ-90 та її попередницею МПТШ-68 існують систематичні розбіжності, що є результатом точнішого наближення МТШ-90 до термодинамічної температури. Ці відмінності варіюються по всьому діапазону. Наприклад, відповідно до ДСТУ 4017-2001 (таблиця Б.1), при температурі 100 °C за МТШ-90, відповідне значення за МПТШ-68 було на 26 мК вищим (100,026 °C), оскільки різниця (t90 — t68) становить –0,026 °C.
Історична послідовність шкал та їхнє постійне вдосконалення ґрунтуються на дедалі точнішому визначенні та реалізації цих фундаментальних реперних точок.
У 2000 році температурну шкалу було розширено до 0,9 мК шляхом прийняття додаткової шкали, відомої як (PLTS-2000).
Визначальні реперні точки Основою МТШ-90 є набір визначальних реперних точок. Це стани термодинамічної рівноваги, що відповідають фазовим переходам (потрійним точкам, точкам плавлення або тверднення) надчистих речовин. Ці точки є надзвичайно стабільними та відтворюваними, що дозволяє використовувати їх як фундаментальні «опори» для калібрування еталонних термометрів по всьому діапазону шкали.
{| class="wikitable" |- !rowspan=2| Речовина та її стан !colspan=4| Температура за МТШ-90 ! Актуальна температура |- ! K ! °C ! °R ! °F ! K |- | Потрійна точка водню
| Потрійна точка неону
| Потрійна точка кисню
| Потрійна точка аргону
| Потрійна точка ртуті
| Потрійна точка
| Температура плавлення<ref group=note name=mpvsfp>Температури плавлення та замерзання розрізняються тим, чи надходить тепло до зразка, чи виходить з нього під час вимірювання його температури. З усіх металів лише галій використовується у точці плавлення, тоді як для решти металів реперними є точки тверднення.</ref> галію
| Точка затвердіння індію
| Точка затвердіння олова
| Точка затвердіння цинку
| Точка затвердіння алюмінію
| Точка затвердіння срібла
| Точка затвердіння золота
| Точка затвердіння міді | |}Виноски:Цінність цих теоретичних значень полягає у можливості їх точного відтворення в лабораторних умовах за допомогою стандартизованих методик.
Практична реалізація реперних точок Точність та відтворюваність МТШ-90 повністю залежать від ретельності експериментальних процедур, що використовуються для реалізації визначальних реперних точок. Ці методики, детально описані в таких стандартах, як ДСТУ 4017-2001, є ключовими для досягнення термодинамічної рівноваги та забезпечення найвищої точності калібрування.
Потрійна точка води (0,01 °C) Потрійна точка води реалізується у герметичних скляних ампулах, що містять воду високої чистоти. Процедура передбачає формування шару льоду (крижаної мантії) навколо термометричного каналу шляхом його охолодження зсередини. Після цього проводиться часткове розплавлення цього шару, що створює тонку плівку води на межі «лід-канал». Ампулі дають стабілізуватися протягом доби, щоб зняти напруження в кристалах льоду. Дуже важливо захищати ампулу від зовнішнього випромінювання (сонячного або штучного світла), оскільки воно може спричинити значне підвищення температури.
Критичним фактором є ізотопний склад води. Різниця у вмісті дейтерію між океанською та континентальною водою може призводити до розбіжностей у температурі потрійної точки до 0,250 мК.
Точки плавлення та тверднення металів Для реалізації реперних точок металів використовують виливки високої чистоти (99,999 % і вище), розміщені у графітових тиглях. Тигель, у свою чергу, поміщають у герметичну або відкриту ампулу, заповнену інертним газом (зазвичай аргоном) для захисту металу від окиснення. Процедура передбачає створення мантії твердого металу навколо рідкої фази. Це забезпечує стабільне температурне плато під час фазового переходу.
Однією з ключових проблем є явище переохолодження, коли метал залишається в рідкому стані нижче температури тверднення. Для ініціації кристалізації застосовують спеціальні методи: тимчасове виймання термометра з каналу або переміщення ампули в холоднішу зону печі.
Приклад: Точка плавлення галію (29,7646 °C) Галій є винятком, оскільки його реперною точкою є точка плавлення, а не тверднення. Причиною є його надзвичайна схильність до переохолодження, що може досягати 70 К. Іншою унікальною властивістю галію є збільшення об'єму на 3,1 % під час тверднення. Це вимагає використання гнучких ампул (наприклад, з фторопласту), які можуть деформуватися без руйнування.
Приклад: Точка тверднення олова (231,928 °C) Олово є прикладом металу зі значним переохолодженням (20-30 К). Для успішної реалізації його точки тверднення необхідна примусова ініціація кристалізації. Методика передбачає, що ампулу з розплавленим оловом тимчасово переміщують у холоднішу зону печі. Це викликає початок кристалізації біля зовнішніх стінок. Після цього ампулу повертають у робочу зону для формування стабільного плато тверднення.
Ці ретельно реалізовані реперні точки слугують фундаментальними опорами, між якими температура інтерполюється за допомогою визначених стандартних приладів.
Стандартні інтерполяційні термометри МТШ-90 не покладається на один прилад для всього діапазону температур. Натомість шкала визначає конкретні типи еталонних термометрів, кожен з яких використовується для інтерполяції температури у визначених піддіапазонах. Вибір термометра залежить від температурної області, що забезпечує максимальну точність вимірювань. Нижня межа (K) Верхня межа (K) Тип термометра Метод калібрування та інтерполяції 0,65 3,2 гелію-3 Зв'язок між тиском пари та температурою, що фіксується заданою функцією 1,25 2,1768 гелію-4 Зв'язок між тиском пари та температурою, що фіксується заданою функцією 2,1768 5,0 гелію-4 Зв'язок між тиском пари та температурою, що фіксується заданою функцією 3 24,5561 Гелієвий газовий термометр Відкалібровано за трьома фіксованими точками в цьому діапазоні та інтерпольовано визначеним способом 13.8033 1234,93 Платиновий термометр опору Опір, відкалібрований за різними фіксованими точками та інтерпольований у визначений спосібВизначено одинадцять різних процедур калібрування 1234,93 Радіаційний термометр (пірометр) Калібровано в одній фіксованій точці та екстрапольовано відповідно до закону Планка Можна калібрувати за точкою затверднення Ag, Au або Cu
Еталонні платинові термометри опору Еталонні платинові термометри опору (ПТО, ) є основними інструментами для реалізації МТШ-90 у найширшому діапазоні температур. Існує декілька їхніх типів: капсульні ПТО — для низьких температур (від 13,8 К до 273,16 К); стрижневі ПТО — для середніх та високих температур (від 83 К до 933 К); високотемпературні ПТО — спеціально розроблені для вимірювань до точки тверднення срібла (1234,93 К).
До цих термометрів висуваються надзвичайно жорсткі вимоги. Чутливий елемент виготовляється з платинового дроту високої чистоти (не менше 99,999 %), а його конструкція має забезпечувати вільне кріплення без механічних напружень, які могли б вплинути на опір. Перед використанням термометри проводять процедуру стабілізуючого відпалу для забезпечення довготривалої стабільності показів.
Використання цих стандартних приладів дозволяє з високою точністю відтворювати шкалу, однак вона все ще має певні відомі відхилення від істинної термодинамічної температури.
Обмеження та відмінності від термодинамічної температури Незважаючи на те, що МТШ-90 є найкращим практичним стандартом на сьогодні, важливо розуміти, що вона є лише апроксимацією істинної термодинамічної температури і має певні обмеження та відомі відхилення: відхилення від термодинамічної температури. Існують невеликі, але вимірювані різниці (T − T90) між значеннями за МТШ-90 та термодинамічною температурою. Наприклад, точні вимірювання показують, що температура кипіння води за стандартного атмосферного тиску, визначена за МТШ-90 (близько 99,974 °C), приблизно на 10 мК нижча за її термодинамічне значення (99,9839 °C); проблема розширення до нижчих температур. МТШ-90 визначена до температури 0,65 К. Для вимірювань у нижчому діапазоні (до 0,9 мК) використовується Тимчасова низькотемпературна шкала 2000 року (PLTS-2000), яка доповнює МТШ-90; непридатність для екстремально низьких температур.'' Шкала не охоплює область наднизьких температур (нанокельвіновий діапазон), де використовуються принципово інші методи вимірювання, наприклад, засновані на адіабатичному охолодженні атомів у лазерних пастках.
Попри ці обмеження, головна перевага МТШ-90 полягає в тому, що вона надає надійний, відтворюваний та загальнодоступний стандарт, що дозволяє лабораторіям по всьому світу проводити точні та порівняльні вимірювання температури.
Див. також Термодинамічна температура Потрійна точка Кельвін
Джерела ДСТУ 4017-2001 (ГОСТ 8.157-2001) Метрологія. Шкали температурні
Примітки
Посилання