Escala Internacional de Temperaturas de 1990

miniatura|Célula de vidro usada para a realização do ponto triplo da água

A Escala Internacional de Temperaturas de 1990 (ITS-90) é uma escala de temperatura definida adotada pelo Comitê Internacional de Pesos e Medidas (CIPM) para a realização e a disseminação de medições expressas em kelvins e graus Celsius. As temperaturas que ela define, T90 em kelvins e t90 em graus Celsius, aproximam a temperatura termodinâmica e permitem que medições feitas em laboratórios diferentes sejam comparáveis.

A ITS-90 abrange temperaturas a partir de 0,65 K até as temperaturas mais altas que podem ser determinadas na prática por meios radiométricos. Sua definição contém exatamente 17 pontos de definição e utiliza relações entre pressão de vapor e temperatura, instrumentos de interpolação e equações especificadas. Acima do ponto de congelamento da prata, a escala é realizada por termometria de radiação com base na lei de Planck. A ITS-90 é dividida em faixas e subfaixas que em alguns casos se sobrepõem.

A ITS-90 é a mais recente das escalas internacionais de temperatura adotadas desde 1927. Escalas posteriores à primeira foram adotadas em 1948, 1968 e 1990, além de modificações feitas entre essas datas. O CIPM adotou a ITS-90 em 1989, atendendo à Resolução 7 da 18.ª Conferência Geral de Pesos e Medidas de 1987. Ela entrou em vigor em 1 de janeiro de 1990 e substituiu a Escala Prática Internacional de Temperaturas de 1968, em sua edição emendada de 1975, e a Escala Provisória de Temperaturas de 0,5 K a 30 K de 1976. O texto oficial da ITS-90 é o francês. A versão inglesa publicada em Metrologia foi autorizada pelo Comitê Consultivo de Termometria (CCT) e aprovada pelo CIPM. O CCT mantém guias destinados à realização prática da escala.

O limite inferior da ITS-90 é 0,65 K. Em 2000, o CIPM adotou a Escala Provisória de Baixas Temperaturas de 2000 (PLTS-2000), que cobre a faixa de 0,9 mK a 1 K e se baseia na pressão de fusão do 3He. As duas escalas se sobrepõem entre 0,65 K e 1 K. Nessa faixa, qualquer uma pode ser empregada. Quando as duas são igualmente convenientes, T2000 fornece uma aproximação mais próxima da temperatura termodinâmica.

A redefinição do kelvin, adotada em 2018, entrou em vigor em 20 de maio de 2019. O kelvin passou a ser definido por um valor exato da constante de Boltzmann. A nova definição não teve efeito imediato sobre o status da ITS-90 e da PLTS-2000, e os valores atribuídos aos pontos da ITS-90 permaneceram inalterados. O aperfeiçoamento da termometria primária permite que medições diretas da temperatura termodinâmica sejam usadas em mais situações. O CCT prevê que esses métodos sejam empregados com maior frequência à medida que suas incertezas diminuam.

Detalhes

A ITS-90 procura aproximar a temperatura termodinâmica, cuja origem é o zero absoluto, com alta reprodutibilidade em toda a faixa em que é usada. A medição direta da temperatura termodinâmica exige um termômetro primário baseado num sistema físico suficientemente conhecido para que a temperatura possa ser obtida a partir de outras grandezas mensuráveis. Esse tipo de termometria costuma ser trabalhoso e demorado e é pouco usado para disseminar o kelvin. As escalas internacionais de temperatura fornecem uma alternativa prática, por meio de estados físicos reprodutíveis, instrumentos prescritos e equações de interpolação ou extrapolação.

São necessários tipos diferentes de termômetro para realizar a ITS-90 em toda a sua extensão. Entre 0,65 K e 5 K são usados termômetros de pressão de vapor de hélio. Entre 3 K e 24,5561 K a escala pode ser realizada com um termômetro de gás de hélio. Entre 13,8033 K e 1.234,93 K são usados termômetros padrão de resistência de platina, conhecidos pela sigla SPRT. Acima de 1.234,93 K são usados termômetros de radiação monocromática.

Antes da redefinição do kelvin que entrou em vigor em 2019, a unidade era definida como 1/273,16 da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água. Uma realização baseada somente nesse estado de equilíbrio é pouco prática para temperaturas muito afastadas dele. A ITS-90 usa estados de equilíbrio termodinâmico de catorze elementos químicos puros e de um composto químico, a água.

Grande parte dos pontos de definição corresponde a transições de fase, como pontos triplos e pontos de fusão ou congelamento. Nas temperaturas criogênicas mais baixas, a escala usa relações entre a pressão de vapor e a temperatura do hélio e de seus isótopos. Entre os demais pontos de baixa temperatura estão pontos triplos de substâncias puras. O ponto triplo do hidrogênio em equilíbrio, por exemplo, recebe o valor exato de 13,8033 K, ou −259,3467 °C, na ITS-90. O ponto de congelamento do alumínio recebe o valor de 933,473 K, ou 660,323 °C.

A definição dos pontos fixos pressupõe substâncias idealmente puras. O Anexo Técnico da realização do kelvin estabelece composições isotópicas de referência para a água, o hidrogênio e o neônio e fornece funções de correção para diferenças entre as amostras usadas e essas composições. Os demais elementos são considerados com sua composição isotópica natural. Impurezas químicas também alteram as temperaturas realizadas e precisam ser avaliadas ou corrigidas.

Os termômetros calibrados pela ITS-90 usam fórmulas matemáticas para interpolar temperaturas entre os pontos de definição. As condições experimentais são controladas para que a realização seja reproduzível entre laboratórios. Nos pontos fixos metálicos, por exemplo, são aplicadas correções para os efeitos da pressão do gás e da pressão hidrostática. A profundidade de imersão do termômetro também precisa ser considerada.

A ITS-90 distingue os pontos de "fusão" e de "congelamento" pelo sentido do fluxo de calor durante a realização. No ponto de fusão, o calor entra na amostra. No ponto de congelamento, ele sai. Entre os metais empregados como pontos fixos, o gálio é realizado no ponto de fusão. Índio, estanho, zinco, alumínio, prata, ouro e cobre são realizados nos pontos de congelamento.

Os valores de T90 atribuídos aos pontos fixos são exatos por definição da escala. Eles não são alterados enquanto a ITS-90 estiver em vigor, mesmo quando medições posteriores de temperatura termodinâmica encontram pequenas diferenças entre T e T90.

Limitações

Existem pequenas diferenças entre as temperaturas da ITS-90 e a temperatura termodinâmica. Para a água com composição isotópica VSMOW, por exemplo, a temperatura ITS-90 correspondente ao ponto de ebulição sob uma atmosfera padrão é aproximadamente 373,124 K, ou 99,974 °C. A melhor estimativa da temperatura termodinâmica correspondente é cerca de 9,74 mK maior, aproximadamente 373,1337 K, ou 99,9837 °C. A utilidade prática da ITS-90 está na possibilidade de reproduzir temperaturas com procedimentos comuns em laboratórios diferentes.

A existência de faixas e subfaixas sobrepostas produz uma pequena não unicidade na realização da escala. Para as faixas dos termômetros padrão de resistência de platina, o BIPM distingue a não unicidade causada pelo uso de equações diferentes em subfaixas sobrepostas, a causada pela sobreposição de tipos diferentes de instrumentos e a causada por diferenças entre exemplares do instrumento de interpolação especificado. A segunda ocorre entre o ponto triplo do hidrogênio em equilíbrio, a 13,8033 K, e o ponto triplo do neônio, a 24,5561 K, onde se sobrepõem faixas dos SPRT e do termômetro de gás de volume constante. Os outros dois tipos podem contribuir com 0,5 mK ou mais para a incerteza das temperaturas interpoladas entre pontos fixos.

Na terminologia metrológica do BIPM, a ITS-90 é uma escala de temperatura definida. Ela estabelece as grandezas T90 e t90, mas não redefine o kelvin nem o grau Celsius. Os valores atribuídos aos pontos fixos são exatos dentro da escala, embora as temperaturas termodinâmicas correspondentes tenham incerteza.

A ITS-90 não cobre os equipamentos e procedimentos especializados empregados para medir temperaturas extremamente próximas do zero absoluto. Em 1994, por exemplo, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos Estados Unidos resfriaram átomos de césio a cerca de 700 nK usando uma rede óptica produzida por lasers. Os átomos chegavam inicialmente a temperaturas próximas de 1 μK. A intensidade da luz era então reduzida, tornando a rede óptica menos íngreme e diminuindo a frequência das oscilações dos átomos. Esse processo de expansão adiabática reduzia ainda mais sua temperatura. Depois que os lasers eram desligados, a temperatura era determinada pela distância percorrida pelos átomos num intervalo conhecido. A velocidade típica era de aproximadamente 7 mm/s.

Estimativas de T − T90 foram reunidas pelo CCT em 2010 e publicadas em 2011. Novas medições levaram a uma revisão dos valores abaixo de 335 K em 2022. Nessa revisão, a melhor estimativa para a temperatura termodinâmica do ponto triplo da água permanece 273,1600(1) K. Entre 0,65 K e 2 K, o CCT recomenda usar a escala de pressão de vapor de 3He denominada PTB-2006 para estimar a diferença. Abaixo de 1 K, T2006 coincide com T2000. Entre 2 K e 4 K, a diferença recomendada é zero.

Entre os valores tabulados, T − T90 é estimado em 0,00 mK a 4,2 K, 0,27 mK a 8 K, −7,30 mK a 130 K e −0,07 mK no ponto triplo da água, a 273,16 K. Em temperaturas mais altas, a diferença estimada é 10,1 mK no ponto de congelamento do índio, 46,3 mK a 1.150 K e 52,1 mK no ponto de congelamento do cobre, a 1.357,77 K.

Termômetros de interpolação padrão e suas faixas

Limite inferior (K) Limite superior (K) Variantes Termômetro Calibração e interpolação 0,65 3,2 1 Hélio-3 em termômetro de pressão de vapor A relação entre pressão de vapor e temperatura é fixada por uma função especificada. 1,25 2,1768 1 Hélio-4 em termômetro de pressão de vapor A relação entre pressão de vapor e temperatura é fixada por uma função especificada. 2,1768 5,0 1 Hélio-4 em termômetro de pressão de vapor A relação entre pressão de vapor e temperatura é fixada por uma função especificada. 3 24,5561 1 Termômetro de gás de hélio É calibrado em três pontos fixos da faixa e interpolado pelo procedimento especificado. 13,8033 1.234,93 11 Termômetro de resistência de platina A resistência é calibrada em conjuntos de pontos fixos e interpolada pelo procedimento especificado. Há onze procedimentos de calibração. 1.234,93 sem limite superior especificado 3 Termômetro de radiação É calibrado em um dos pontos fixos da prata, do ouro ou do cobre, e T90 é determinado pela relação de radiâncias espectrais dada pela lei de Planck.

Pontos de definição

A ITS-90 possui 17 pontos de definição. O primeiro corresponde às relações entre pressão de vapor e temperatura do hélio na faixa de 3 K a 5 K. Dois outros, próximos de 17 K e 20,3 K, podem ser realizados pela pressão de vapor do hidrogênio em equilíbrio ou por termometria de gás. Os demais correspondem a pontos triplos, ao ponto de fusão do gálio e a pontos de congelamento de metais.

Os valores próximos de 17,035 K e 20,27 K são valores nominais convenientes. Quando esses pontos são realizados pela pressão de vapor do hidrogênio em equilíbrio, o valor preciso de T90 é obtido das relações especificadas entre pressão e temperatura. As relações são válidas em faixas estreitas em torno desses valores.