المقياس الدولي لدرجة الحرارة لعام 1990
المقياس الدولي لدرجة الحرارة لعام 1990 ( ITS-90 ) هو معيار لمعايرة الأجهزة حددته اللجنة الدولية للأوزان والمقاييس (CIPM) لإجراء القياسات على مقياسي كلفن وسيلسيوس . وهو تقريب لدرجة الحرارة الديناميكية الحرارية ، مما يسهل مقارنة وتوافق قياسات درجة الحرارة دوليًا. ويحدد أربعة عشر نقطة معايرة تتراوح من0.65 ألف إلى1357.77 ألف (-272.50 درجة مئوية إلىيبلغ الحد الأدنى لدرجة الحرارة 0.62 درجة مئوية ، وينقسم إلى نطاقات حرارية متعددة تتداخل في بعض الحالات. يُعدّ مقياس ITS-90 أحدث سلسلة من مقاييس درجات الحرارة الدولية التي اعتمدتها اللجنة الدولية للأوزان والمقاييس (CIPM) منذ عام 1927. [ 1 ] وقد اعتُمد في المؤتمر العام للأوزان والمقاييس عام 1989، ليحل محل المقياس العملي الدولي لدرجة الحرارة لعام 1968 (النسخة المعدلة لعام 1975) ومقياس درجة الحرارة المؤقت من 0.5 كلفن إلى 30 كلفن لعام 1976. كما نشرت لجنة درجات الحرارة المركزية (CCT) العديد من الأدلة الإرشادية الإلكترونية للمساعدة في تطبيق مقياس ITS-90. تبلغ أدنى درجة حرارة يغطيها مقياس ITS-90 0.65 كلفن. وفي عام 2000، تم توسيع نطاق المقياس الحراري إلى 0.9 ملي كلفن، من خلال اعتماد مقياس تكميلي يُعرف باسم مقياس درجات الحرارة المنخفضة المؤقت لعام 2000 (PLTS-2000). [ 2 ]
في عام ٢٠١٩، أُعيد تعريف الكلفن . ومع ذلك، كان التغيير طفيفًا جدًا مقارنةً بعدم اليقين في مقياس ITS-90، ولذلك يبقى مقياس ITS-90 هو المقياس العملي الموصى به لدرجة الحرارة دون أي تغييرات جوهرية. ومن المتوقع أن يؤدي إعادة التعريف، بالإضافة إلى تحسينات في طرق قياس درجة الحرارة الأساسية، إلى الاستغناء تدريجيًا عن مقياسي ITS-90 وPLTS-2000 في المستقبل. [ ٣ ]
تفاصيل
صُمم مقياس الحرارة ITS-90 لتمثيل مقياس درجة الحرارة الديناميكية الحرارية (المطلقة) (بالرجوع إلى الصفر المطلق ) بأكبر قدر ممكن من الدقة في نطاقه. ويتطلب تغطية هذا النطاق الكامل استخدام العديد من أنواع مقاييس الحرارة المختلفة، بما في ذلك مقاييس حرارة ضغط بخار الهيليوم، ومقاييس حرارة غاز الهيليوم، ومقاييس حرارة المقاومة البلاتينية القياسية (المعروفة اختصارًا بـ SPRTs)، ومقاييس حرارة الإشعاع أحادية اللون .
على الرغم من أن مقياسي درجة الحرارة كلفن وسيلسيوس كانا (حتى عام 2019) يُحددان باستخدام النقطة الثلاثية للماء (273.16 ألف أو(0.01 درجة مئوية )، من غير العملي استخدام هذا التعريف عند درجات حرارة تختلف اختلافًا كبيرًا عن النقطة الثلاثية للماء. وبناءً على ذلك، يستخدم نظام ITS-90 العديد من النقاط المحددة، والتي تستند جميعها إلى حالات التوازن الديناميكي الحراري المختلفة لأربعة عشر عنصرًا كيميائيًا نقيًا ومركب واحد (الماء). تستند معظم النقاط المحددة إلى انتقال طوري ؛ وتحديدًا نقطة انصهار / تجمد عنصر كيميائي نقي. ومع ذلك، تستند أعمق النقاط المبردة حصريًا إلى علاقة ضغط البخار /درجة الحرارة للهيليوم ونظائره، بينما تستند بقية نقاطه الباردة (تلك الأقل من درجة حرارة الغرفة) إلى النقاط الثلاثية . ومن أمثلة النقاط المحددة الأخرى النقطة الثلاثية للهيدروجين المتوازن (13.8033 كيلو أو(-259.3467 درجة مئوية ) ونقطة تجمد الألومنيوم (933.473 ألف أو660.323 درجة مئوية ).
تشير النقاط الثابتة المحددة لمعيار ITS-90 إلى عينات كيميائية نقية ذات تركيبات نظائرية محددة. [ 4 ] ونتيجة لذلك، يحتوي معيار ITS-90 على عدة معادلات [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] لتصحيح تغيرات درجة الحرارة الناتجة عن الشوائب والتركيب النظائري.
تستخدم موازين الحرارة المُعايرة وفقًا لمعيار ITS-90 معادلات رياضية معقدة للتقريب بين نقاطه المُحددة. [ 8 ] يُحدد معيار ITS-90 تحكمًا دقيقًا في المتغيرات لضمان قابلية التكرار من مختبر لآخر. على سبيل المثال، يتم تعويض التأثير الطفيف للضغط الجوي على نقاط الانصهار المختلفة (وهو تأثير لا يتجاوز عادةً نصف ملي كلفن عبر الارتفاعات والضغوط الجوية المختلفة المُحتملة). كما يُعوض المعيار تأثير الضغط الناتج عن عمق غمر مسبار الحرارة في العينة. يُميز معيار ITS-90 أيضًا بين نقطتي "التجمد" و"الانصهار". يعتمد هذا التمييز على ما إذا كانت الحرارة تدخل إلى العينة ( انصهار) أو تخرج منها (تجمد) عند إجراء القياس. يُقاس الغاليوم فقط عند نقاط انصهاره؛ أما جميع المعادن الأخرى ذات النقاط الثابتة المُحددة على معيار ITS-90 فتُقاس عند نقاط تجمدها.
يتمثل أحد الآثار العملية لنظام ITS-90 في أن النقاط الثلاثية ونقاط التجمد/الانصهار لعناصره الكيميائية الثلاثة عشر معروفة بدقة لجميع قياسات درجة الحرارة المعايرة وفقًا لنظام ITS-90 نظرًا لأن هذه القيم الثلاثة عشر ثابتة بحكم التعريف.
القيود
غالبًا ما توجد اختلافات طفيفة بين القياسات المُعايرة وفقًا لمعيار ITS-90 ودرجة الحرارة الديناميكية الحرارية . على سبيل المثال، تُظهر القياسات الدقيقة أن درجة غليان ماء VSMOW تحت ضغط جوي قياسي واحد هي في الواقع 373.1339 كلفن (99.9839 درجة مئوية) عند الالتزام التام بتعريف درجة الحرارة الديناميكية الحرارية بنقطتين. عند المعايرة وفقًا لمعيار ITS-90، حيث يجب الاستيفاء بين نقاط تعريف الغاليوم والإنديوم، تكون درجة غليان ماء VSMOW أقل بحوالي 10 ملي كلفن، أي حوالي 99.974 درجة مئوية. تكمن ميزة معيار ITS-90 في سهولة قياس نفس درجة الحرارة في أي مختبر آخر في أي مكان في العالم، وذلك بفضل مزايا معيار معايرة دولي شامل يتميز بالعديد من نقاط التعريف المتباعدة بشكل ملائم والقابلة للتكرار والتي تغطي نطاقًا واسعًا من درجات الحرارة.
على الرغم من أن "المقياس الدولي لدرجة الحرارة لعام 1990" يحمل كلمة "مقياس" في عنوانه، إلا أن هذا المصطلح مضلل وقد يكون مُضللاً. فالمقياس الدولي لدرجة الحرارة لعام 1990 ليس مقياسًا، بل هو معيار لمعايرة الأجهزة . ويمكن التعبير عن درجات الحرارة المقاسة بأجهزة مُعايرة وفقًا لهذا المقياس بأي مقياس حراري آخر، مثل سيليزيوس أو كلفن أو فهرنهايت أو رانكين. فعلى سبيل المثال، يمكن قياس درجة حرارة باستخدام جهاز مُعاير وفقًا لمعيار المقياس الدولي لدرجة الحرارة لعام 1990 القائم على الكلفن، ثم تحويل هذه القيمة إلى قيمة على مقياس فهرنهايت والتعبير عنها (مثلاً: 211.953 درجة فهرنهايت).
لا يتناول معيار ITS-90 المعدات والإجراءات المتخصصة للغاية المستخدمة لقياس درجات الحرارة القريبة جدًا من الصفر المطلق. فعلى سبيل المثال، لقياس درجات الحرارة في نطاق النانوكلفن (أجزاء من مليار من الكلفن)، يستخدم العلماء معدات ليزر الشبكة البصرية لتبريد الذرات تبريدًا أديباتيًا ، ثم يطفئون ليزرات الحصر، ويقيسون ببساطة المسافة التي تقطعها الذرات بمرور الوقت لتحديد درجة حرارتها. ذرة السيزيوم التي تتحرك بسرعة 7 مم/ثانية تعادل درجة حرارة حوالي 700 نانوكلفن (وهي أدنى درجة حرارة مسجلة حققها المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا عام 1994).
نُشرت تقديرات الفروقات بين درجة الحرارة الديناميكية الحرارية ودرجة الحرارة الدولية ITS-90 ( T - T90 ) في عام 2010. وقد اتضح أن ITS-90 انحرفت بشكل كبير عن PLTS-2000 في نطاق التداخل من 0.65 كلفن إلى 2 كلفن . ولمعالجة هذا الأمر، تم اعتماد مقياس جديد لضغط بخار الهيليوم -3 ، يُعرف باسمPTB-2006 . بالنسبة لدرجات الحرارة الأعلى، تكون القيم المتوقعة لـ T − T 90 أقل من 0.1 ملي كلفن لدرجات حرارة تتراوح بين 4.2 كلفن و 8 كلفن، وتصل إلى 8 ملي كلفن عند درجات حرارة قريبة من 130 كلفن، وإلى 0.1 ملي كلفن [ 3 ] عند النقطة الثلاثية للماء (273.1600 كلفن)، ولكنها ترتفع مرة أخرى إلى 10 ملي كلفن عند درجات حرارة قريبة من 430 كلفن، وتصل إلى 46 ملي كلفن عند درجات حرارة قريبة من 1150 كلفن. [ 9 ]
مقاييس الحرارة القياسية ذات الاستيفاء ونطاقاتها
| (ك) السفلي | العلوي (ك) | الاختلافات | ميزان الحرارة | استراتيجية المعايرة والاستيفاء |
|---|---|---|---|---|
| 0.65 | 3.2 | 1 | مقياس حرارة ضغط بخار الهيليوم-3 | العلاقة بين ضغط البخار ودرجة الحرارة محددة بواسطة دالة معينة. [ 10 ] |
| 1.25 | 2.1768 | 1 | مقياس حرارة ضغط بخار الهيليوم-4 | العلاقة بين ضغط البخار ودرجة الحرارة محددة بواسطة دالة معينة. [ 10 ] |
| 2.1768 | 5.0 | 1 | مقياس حرارة ضغط بخار الهيليوم-4 | العلاقة بين ضغط البخار ودرجة الحرارة محددة بواسطة دالة معينة. [ 10 ] |
| 3 | 24.5561 | 1 | مقياس حرارة غاز الهيليوم | تمت معايرتها عند ثلاث نقاط ثابتة في هذا النطاق واستيفاؤها بطريقة محددة. [ 11 ] |
| 13.8033 | 1234.93 | 11 | مقياس حرارة مقاوم للبلاتين | تمت معايرة المقاومة عند نقاط ثابتة مختلفة واستيفاؤها بطريقة محددة. تم تحديد أحد عشر إجراءً مختلفًا للمعايرة. [ 8 ] |
| 1234.93 | 3 | مقياس حرارة إشعاعي | تتم معايرتها عند نقطة ثابتة واحدة، ويتم استقراءها وفقًا لقانون بلانك . يمكن معايرتها عند نقطة تجمد الفضة أو الذهب أو النحاس. [ 12 ] |
النقاط الحاسمة
يسرد الجدول أدناه النقاط الثابتة المميزة لنظام ITS-90.
| المادة وحالتها | درجة الحرارة وفقًا لمعيار ITS-90 | درجة الحرارة الفعلية | |||
|---|---|---|---|---|---|
| ك | درجة مئوية | °R | درجة فهرنهايت | ك | |
| النقطة الثلاثية للهيدروجين | 13.8033 | -259.3467 | 24.8459 | -434.8241 | |
| نقطة ثلاثية من النيون | 24.5561 | -248.5939 | 44.2010 | -415.4690 | |
| نقطة الأكسجين الثلاثية | 54.3584 | -218.7916 | 97.8451 | -361.8249 | |
| النقطة الثلاثية للأرجون | 83.8058 | -189.3442 | 150.8504 | -308.8196 | |
| النقطة الثلاثية للزئبق | 234.3156 | -38.8344 | 421.7681 | -37.9019 | |
| النقطة الثلاثية للماء [ ملاحظة 1 ] | 273.16 | 0.01 | 491.69 | 32.02 | 273.1600(1) ك |
| نقطة انصهار الغاليوم [ ملاحظة 2 ] | 302.9146 | 29.7646 | 545.2463 | 85.5763 | |
| نقطة تجمد الإنديوم [ ملاحظة 2 ] | 429.7485 | 156.5985 | 773.5473 | 313.8773 | |
| نقطة تجمد القصدير [ ملاحظة 2 ] | 505.078 | 231.928 | 909.140 | 449.470 | |
| نقطة تجمد الزنك [ ملاحظة 2 ] | 692.677 | 419.527 | 1,246.819 | 787.149 | |
| نقطة تجمد الألومنيوم [ ملاحظة 2 ] | 933.473 | 660.323 | 1,680.251 | 1,220.581 | |
| نقطة تجمد الفضة [ ملاحظة 2 ] | 1234.93 | 961.78 | 2,222.87 | 1,763.20 | |
| نقطة تجمد الذهب [ ملاحظة 2 ] | 1337.33 | 1,064.18 | 2407.19 | 1947.52 | |
| نقطة تجمد النحاس [ ملاحظة 2 ] | 1,357.77 | 1,084.62 | 2,443.99 | 1984.32 | |
انظر أيضاً
- درجة الحرارة الديناميكية الحرارية (المطلقة) - "درجة الحرارة الحقيقية" التي يحاول نظام ITS-90 تقريبها.
- مقياس درجة الحرارة المنخفضة المؤقت لعام 2000 (PLTS-2000) - مقياس درجة حرارة أحدث لنطاق من 0.0009 كلفن إلى 1 كلفن، بناءً على ضغط انصهار الهيليوم -3 .
- كلفن
- نقطة ثلاثية
- مياه المحيط القياسية المتوسطة فيينا (VSMOW)
- مقياس حرارة مقاومي
- مقياس حرارة مقاوم للبلاتين
- موضع بلانك § المقياس الدولي لدرجة الحرارة – كيف أثرت المراجعات المتتالية لمقياس درجة الحرارة على العلاقة بين طيف ودرجة حرارة الجسم الأسود
مراجع
- ↑ "ابتداءً من عام 1927، اعتمدت اللجنة الدولية للأوزان والمقاييس، التي تعمل تحت سلطة المؤتمر العام للأوزان والمقاييس، ومنذ عام 1937، بناءً على نصيحة اللجنة الاستشارية لقياس درجة الحرارة، سلسلة من المقاييس الدولية لدرجة الحرارة. وبعد مقياس عام 1927، تم اعتماد مقاييس جديدة في أعوام 1948 و1968 و1990، مع بعض التعديلات الطفيفة في السنوات الفاصلة."
- ↑ «أُجريت أبحاثٌ مُستفيضة لوضع مقياسٍ لدرجة الحرارة يمتد إلى درجات حرارة أقل من 0.65 كلفن؛ وكان مقياس PLTS-2000 هو النتيجة النهائية، حيث يُعرّف درجة الحرارة من 1 كلفن إلى 0.9 ملي كلفن. يُعدّ PLTS-2000 مقياسًا مؤقتًا، نظرًا لعدم اتساق مجموعات البيانات التي استند إليها المقياس إلى حدٍ ما دون 10 ملي كلفن. في نطاق درجة الحرارة من 0.65 كلفن إلى 1 كلفن، يُمكن تعريف درجة الحرارة إما باستخدام مقياس ITS-90 أو PLTS-2000. كلا المقياسين مقبول؛ وعادةً ما يُحدّد اختيار المقياس بناءً على سهولة الاستخدام أو هامش الخطأ المُمكن تحقيقه. في حالاتٍ نادرةٍ يكون فيها استخدام أيٍّ من المقياسين مُناسبًا، يُعدّ T2000 تقريبًا أفضل لدرجة الحرارة الديناميكية الحرارية من T90 في منطقة التداخل.» اللجنة الاستشارية لعلم قياس الحرارة، « التطبيق العملي لتعريف الكلفن»، 2011.
- 1 2 " Mise en pratique for the definition of the kelvin in the SI" BIPM, May 2019.
- ↑ "الملحق الفني للمقياس الدولي لدرجة الحرارة لعام 1990 (ITS-90)" . المكتب الدولي للأوزان والمقاييس . 28 يونيو 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 يونيو 2021 .
- ↑ "الملحق الفني للمقياس الدولي لدرجة الحرارة لعام 1990 (ITS-90)" . المكتب الدولي للأوزان والمقاييس . 28 يونيو 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 يونيو 2021 .
- ↑ "دليل تحقيق معيار ITS-90 - النقاط الثلاث للمياه" . المكتب الدولي للأوزان والمقاييس . 1 يناير 2018. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 يونيو 2021 .
- ↑ "دليل تحقيق معيار ITS-90 - النقاط الثابتة: تأثير الشوائب" . المكتب الدولي للأوزان والمقاييس . 1 يناير 2018. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 يونيو 2021 .
- 1 2 "دليل تحقيق معيار ITS-90 - مقياس الحرارة المقاوم بالبلاتين" . المكتب الدولي للأوزان والمقاييس . 27 مايو 2021. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 يونيو 2021 .
- ↑ تقديرات الفروقات بين درجة الحرارة الديناميكية الحرارية و ITS-90 (2010)
- 1 2 3 "دليل تطبيق معيار ITS-90 - مقاييس ضغط البخار وقياسات الضغط" . المكتب الدولي للأوزان والمقاييس . 1 يناير 2018. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 يونيو 2021 .
- ↑ "دليل تحقيق معيار ITS-90 - قياس درجة حرارة الغاز ذي الحجم الثابت باستخدام الاستيفاء" . المكتب الدولي للأوزان والمقاييس . 1 يناير 2018. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 يونيو 2021 .
- ↑ "دليل تنفيذ معيار ITS-90 - قياس درجة الحرارة بالإشعاع" . المكتب الدولي للأوزان والمقاييس . 1 يناير 2018. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 يونيو 2021 .
- بريستون-توماس هـ، مترولوجيا، 1990، 27(1)، 3-10 (نسخة معدلة).
- " التطبيق العملي لتعريف الكلفن" (ملف PDF) . سيفر ، فرنسا: اللجنة الاستشارية لعلم قياس الحرارة (CCT)، اللجنة الدولية للأوزان والمقاييس (CIPM). 2011. تاريخ الاطلاع: 25 يونيو 2013 .
- اللجنة الاستشارية لعلم قياس الحرارة (1989). "المقياس الدولي لدرجة الحرارة لعام 1990 (ITS-90)" (ملف PDF) . وقائع الاجتماع الثامن والسبعين للجنة الدولية للأوزان والمقاييس . سيفر ، فرنسا: اللجنة الدولية للأوزان والمقاييس (CIPM) . تاريخ الاطلاع: 25 يونيو 2013 .
روابط خارجية
- مورد الإنترنت ITS-90 (من شركة ISOTech المحدودة)
- ITS-90 (من المعهد السويدي الوطني للاختبار والبحوث)
- حول مجسات درجة الحرارة (مستودع معلومات) مؤرشف بتاريخ 16 ديسمبر 2018 على موقع Wayback Machine
- قاعدة بيانات المزدوجات الحرارية NIST ITS-90 (من إعداد وزارة التجارة الأمريكية، المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا) مؤرشفة بتاريخ 15 يوليو 2012 على موقع Wayback Machine
- التحويل بين مقاييس درجات الحرارة الدولية المختلفة؛ المعادلات والخوارزميات.
- النشرة الرسمية للجنة الدولية للأوزان والمقاييس (CIPM) للتقرير الفني الدولي رقم 90 (ITS-90) في اجتماعها الثامن والسبعين عام 1989. مؤرشفة بتاريخ 23 أغسطس 2020 على موقع Wayback Machine.
- درجة حرارة