Scara Internațională de Temperatură din 1990

Scara Internațională de Temperatură din 1990 (SIT-90, engleză ITS-90) este un standard pentru calibrarea scărilor Kelvin și Celsius ale instrumentelor de măsurare a temperaturii. SIT-90 este o aproximare a scării termodinamice de temperatură care facilitează comparabilitatea și compatibilitatea măsurării temperaturii pe plan internațional. SIT-90 definește puncte fixe de la 0,65 K până la circa 1358 K (−272,5 °C la 1085 °C) și este subîmpărțită în mai multe domenii de temperatură, care se suprapun în oarecare măsură.

Prima Scară Internațională de Temperatură a fost adoptată în 1927. și revizuită succesiv în 1948, 1968 și 1990. Scările precedente au fost cunoscute drept Scara Internațională Practică de Temperatură (SIPT-48, respectiv SIPT-68) (engleză International Practical Temperature Scale - IPTS-48, IPTS-68).^[1]

Scara ITS-90 a fost adoptată de Comitetul Internațional de Măsuri și Greutăți la Conferința sa din 1989^[2] la recomandarea celei de a 18-a Conferințe Generale de Măsuri și Greutăți din 1987.^[3] Această scară a înlocuit SIPT-68,^[2]^[4]^[5] republicată în 1976 și Scara Provizorie de Temperatură de la 0,5 K la 30 K. Oficial, scara SIT-90 a intrat în vigoare la 1 ianuarie 1990.^[1]

Detalii

SIT-90 definește temperatura Kelvin internațională (T₉₀) dar, din considerente istorice, utilizează și temperatura Celsius internațională, (t₉₀). SIT-90 este definită astfel încât să aproximeze cât mai exact în domeniul său scara de temperatură absolută termodinamică (începând de la zero absolut). Acoperirea întregului său domeniu necesită patru tipuri diferite de termometre:^[6]

termometru cu presiune de vapori^[6] (saturați, de heliu),
termometru cu gaz^[6] (cu heliu gazos),
termometru cu rezistență din platină^[6] standard,
termometru de radiație.^[6]

Deși scările Kelvin și Celsius sunt definite pe baza a două puncte fixe: zero absolut (0 K) și punctul triplu al apei (273,16 K, respectiv 0,01 °C), această definiție este nepractică la temperaturi mult diferite de cea a punctului triplu al apei. SIT-90 folosește mai multe puncte fixe definite, toate bazate pe stări de echilibru termodinamic ale unui număr de 14 elemente chimice pure și unei substanțe compuse, apa. Multe puncte se bazează pe transformări de fază, în special de topire/solidificare a elementelor chimice pure. Cele mai joase puncte criogenice se bazează exclusiv pe relația dintre temperatură și presiunea de saturație a heliului și a izotopilor săi, în timp ce restul punctelor reci (sub temperatura camerei) se bazează pe punctele triple. Exemple ale altor puncte fixe sunt punctul triplu al hidrogenului (−259,3467 °C) și punctul de solidificare al aluminiului (660,323 °C).

Definirea SIT-90

SIT-90 a adus nou față de SIPT-68 definirea modului de etalonare sub punctul triplu al hidrogenului și precizarea valorilor celorlalte puncte fixe, diferențele fiind însă destul de mici, sub 1 la mie.^[7]

Între 0,65 K și 5,0 K

Între 0,65 K și 5,0 K SIPT-90 este definită prin relația dintre temperatură și presiunea de saturație pentru ³He (heliu-3) și ⁴He (heliu-4). Termometrul etalon pentru măsurarea temperaturilor Între 0,65 K și 5 K este cel cu presiune de vapori de heliu.^[8]

Punctul critic al ³He este la 3,32 K, iar al ⁴He este la 5,19 K, astfel că, practic, se pot măsura temperaturi până la 5 K.^[9]

Coeficienții *A_i, B, C*
	³He 0,65 – 3,2 K	⁴He 1,25 – 2,1768 K	⁴He 2,1768 – 5,0 K
A₀	1,053377	1,392408	3,146631
A₁	0,980106	0,527153	1,357655
A₂	0,676380	0,166756	0,413923
A₃	0,372602	0,050988	0,091159
A₄	0,151856	0,026514	0,016349
A₅	-0,002263	0,001975	0,001826
A₆	0,006596	-0,017976	-0,004325
A₇	0,088966	0,005409	-0,004973
A₈	-0,004770	0,013259	0,0
A₉	-0,054943	0,0	0,0
B	7,3	5,6	10,3
C	4,3	2,9	1,9

Formula de interpolare a temperaturii $T_{90}\,$ pe curba de saturație a ³He și ⁴He este:

T_{90}=\sum _{i=0}^{9}A_{i}\left[{\frac {\ln p-B}{C}}\right]^{i}

unde presiunea este în Pa, iar coeficienții A_i, B, C sunt cei din tabelul alăturat. Schimbarea coeficienților la temperatura de 2,1768 K reflectă tecerea He de la starea normală (He_I) la starea superfluidă (He_II) (punctul λ).^[10]

Între 3,0 K și 24,5561 K

Între 3,0 K și 24,5561 K (punctul triplu al neonului) SIT-90 este definită de termometrul cu presiune de heliu gazos etalonat în trei puncte fixe din domeniu: al neonului, al hidrogenului (v. domeniul următor) și un punct între 3 – 5 K determinat cu termometrul cu presiune de vapori de heliu (v. domeniul precedent).^[8] Se propune ca în viitor, punctul de etalonare cu vapori de heliu să fie între 4,2 K și 5 K.^[10]

Dacă drept gaz termometric se folosește ⁴He, formula de interpolare a temperaturii $T_{90}\,$ în funcție de temperatură este o parabolă:

T_{90}=a+bp+cp^{2}\,

unde coeficienții a, b și c se obțin din valorile presiunii măsurate în punctele de etalonare.^[10]

Dacă drept gaz termometric se folosește un amestec de ³He și ⁴He, formula de interpolare este mai complexă.^[10]

Între 13,8033 K și 1234,93 K

Între 13,8033 K (punctul triplu al hidrogenului) și 1234,93 K (961,78 °C, punctul de solidificare al argintului) SIT-90 este definită de termometrul cu rezistență de platină standard, etalonat în punctele fixe și folosind metode de interpolare specifice.^[11]

Puncte fixe

Tabelul de mai jos prezintă punctele fixe ale SIT-90.

Substanța și starea sa	Punctul definit în kelvin (interval)	Punctul definit în grade Celsius (interval)
Relația dintre temperatură și presiunea vaporilor saturați ai heliului-3	(0,65 la 3,2)	(−272,50 la −269,95)
Relația dintre temperatură și presiunea vaporilor saturați ai heliului-4 sub punctul său lambda	(1,25 la 2,1768)	(−271,90 la −270,9732)
Relația dintre temperatură și presiunea vaporilor saturați ai heliului-4 deasupra punctului său lambda	(2,1768 la 5,0)	(−270,9732 la −268,15)
Relația dintre temperatură și presiunea vaporilor saturați ai heliului	(3 la 5)	(−270,15 la −268,15)
Punctul triplu al hidrogenului	13,8033	−259,3467
Punctul triplu al neonului	24,5561	−248,5939
Punctul triplu al oxigenului	54,3584	−218,7916
Punctul triplu al argonului ¹	83,8058	−189,3442
Punctul triplu al mercurului ¹	234,3156	−38,8344
Punctul triplu al apei ^1, ^2, ³	273,16	0,01
Punctul de topire^1, ⁴ al galiului	302,9146	29,7646
Punctul de solidificare ^1,⁴ al indiului	429,7485	156,5985
Punctul de solidificare al staniului ¹	505,078	231,928
Punctul de solidificare al zincului ¹	692,677	419,527
Punctul de solidificare al aluminiului ¹	933,473	660,323
Punctul de solidificare al argintului ¹	1234,93	961,78
Punctul de solidificare al aurului	1337,33	1064,18
Punctul de solidificare al cuprului ¹	1357,77	1084,62

¹ Realizate și în cadrul Laboratorul Termometrie al Institutului Român de Metrologie.^[6]

² În practică punctul triplu al apei este frecvent înlocuit cu punctul de topire al gheții în condiții de presiune și temperatură normală (1 atm, 0 ºC), ulterior introducându-se o corecție pentru diferența de 0,01 ºC ^[12]

³ Compoziția izotopică a apei este cea definită în VSMOW.

⁴ Punctul de topire se deosebește de cel de solidificare prin direcția schimbului de căldură în timpul măsurării temperaturii.

Formulele de interpolare a temperaturii $T_{90}\,$ în funcție de raportul dintre rezistența măsurată și rezistența în punctul de etalonare a termometrului cu rezistență din platină se găsesc în documentație.^[11]

Peste 1234,93 K

Deasupra 1234,93 K (punctul de solidificare al argintului) temperatura $T_{90}\,$ este definită prin punctele fixe și legea lui Planck (de radiație):

{\frac {L_{\lambda }(T_{90})}{L_{\lambda }[T_{90}(X)]}}={\frac {e^{\frac {c_{2}}{\lambda [T_{90}(X)]}}-1}{e^{\frac {c_{2}}{\lambda T_{90}}}-1}}

unde $T_{90}(X)\,$ este una din temperaturile punctelor fixe ale argintului, aurului sau cuprului, $L_{\lambda }\,$ sunt radianțele spectrale ale corpului negru pentru lungimea de undă $\lambda \,$ la temperaturile respective, iar : $c_{2}\,$ = 0,014388 m K.^[13]

Termometrul etalon pentru acest domeniu este pirometrul de radiație monocromatică.^[14]

Note

^ ^a ^b About Temperature Measurement, gov.hk, accesat 2010-08-22
^ ^a ^b en Resolution 3 of the 19th meeting of the CGPM (1991), bipm.org, accesat 2010-07-25
^ en Resolution 7 of the 18th meeting of the CGPM (1987), bipm.org, accesat 2010-07-25
^ Preston-Thomas, p. 3
^ Asavinei, pp. 13-16
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Laboratorul Termometrie al Institutului Român de Metrologie, inm.ro, accesat 2010-07-24
^ Asavinei, p. 15
^ ^a ^b Preston-Thomas, p. 4
^ en Yonghua Huang, Guobang Chen, Vincent Arp, Ray Radebaugh Equation of State and Thermophysical Properties of Helim-3, Prague: Proceedings of the ICEC-21, Vol. CR06-379, pp. 1-6, 17-21 iulie 2006
^ ^a ^b ^c ^d Preston-Thomas, p. 5
^ ^a ^b Preston-Thomas, pp. 6-8
^ John Zwak - Using an Ice Bath to Approximate the Triple Point of Water When Calibrating Secondary Standars Platinum Resistance Thermometers Arhivat în 2 martie 2011, la Wayback Machine., burnsengineering.com, accesat 2010-07-20
^ Preston-Thomas, p. 8
^ H. Preston-Thomas, P. Bloembergen, T. J. Quinn, Radiation Thermometry, bipm.org, accesat 2010-08-27

Bibliografie

en H. Preston-Thomas - International Temperature Scale of 1990, Metrologia, 1990, 27(1), 3-10, Springer Verlag, 1990
en Supplementary Information for the International Temperature Scale of 1990, bipm.org, 1990 (republicat 1997), ISBN 92-822-2111-3
Ion Asavinei, Cornelia Niculescu - Măsurarea temperaturilor înalte - Metode pirometrice, București: Editura Tehnică, 1989, ISBN 973-31-0097-8

Legături externe

en ITS-90 (by Omega Engineering)
en About Temperature Sensors (information repository) Arhivat în 16 decembrie 2018, la Wayback Machine.
en Platinum resistance thermometer By Burns Engineering
en Very high-end temperature measurement products
en Secondary Standard Platinum Resistance Thermometer and Metrology Arhivat în 17 aprilie 2008, la Wayback Machine.
en The Internet ITS-90 Resource (by ISOTech Ltd) Arhivat în 15 august 2009, la Wayback Machine.
en NIST ITS-90 Thermocouple Database (by USA National Institute of Science & Technology)

[scl-1] About Temperature Measurement, gov.hk, accesat 2010-08-22

[B19-2] Resolution 3 of the 19th meeting of the CGPM (1991), bipm.org, accesat 2010-07-25

[3] Resolution 7 of the 18th meeting of the CGPM (1987), bipm.org, accesat 2010-07-25

[4] Preston-Thomas, p. 3

[A-5] Asavinei, pp. 13-16

[inm-6] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Laboratorul Termometrie al Institutului Român de Metrologie, inm.ro, accesat 2010-07-24

[7] Asavinei, p. 15

[PT4-8] Preston-Thomas, p. 4

[HCAR-9] Yonghua Huang, Guobang Chen, Vincent Arp, Ray Radebaugh Equation of State and Thermophysical Properties of Helim-3, Prague: Proceedings of the ICEC-21, Vol. CR06-379, pp. 1-6, 17-21 iulie 2006

[PT5-10] Preston-Thomas, p. 5

[PT68-11] Preston-Thomas, pp. 6-8

[12] John Zwak - Using an Ice Bath to Approximate the Triple Point of Water When Calibrating Secondary Standars Platinum Resistance Thermometers Arhivat în 2 martie 2011, la Wayback Machine., burnsengineering.com, accesat 2010-07-20

[13] Preston-Thomas, p. 8

[14] H. Preston-Thomas, P. Bloembergen, T. J. Quinn, Radiation Thermometry, bipm.org, accesat 2010-08-27

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]