Как устроен термоскоп: Термоскоп — Википедия – Attention Required! | Cloudflare

Термоскоп — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Термоско́п (греч. θέρμη [термо] «тепло» + σκοπέω [скопео] «смотрю») — устройство, которое показывает изменения температуры, родоначальник современных термометров. Типичная конструкция термоскопа представляет собой трубку, в которой жидкость поднимается и опускается при изменении температуры. В начале XVIII века был оснащён шкалой, приблизившись к виду современных термометров.

Существуют оценки, что первый термоскоп сконструировал итальянский физик Галилео Галилей примерно в 1592—1600 годах[1]. В то же время во времена Галилея уже использовались устройства, основанные на использовании расширения тел от тепла и давления, они применялись как в медицине, так и для сооружения фонтанов[2]. Сам принцип действия термоскопа был известен ещё в Древней Греции, о нём упоминал, в частности, Эмпедокл в своей книге «О природе» в 460 г. до н. э[2].

Большие термоскопы, размещенные на открытом воздухе, создавали иллюзию работы «вечного двигателя»

[2].

Работа Галилея с термоскопом привела его к разработке атомистической концепции тепловых процессов, опубликованной в книге Il Saggiator в 1623 году[2].

Прибор Галилея был очень простым. Он состоял из стеклянной трубки, к концу которой был припаян стеклянный шарик. Немного подогрев шарик, свободный конец трубки Галилей опускал в сосуд с водой. Когда воздух в шарике остывал, давление воздуха в нём становился меньше, и вода под воздействием атмосферного давления поднималась вверх по трубке. И в зависимости от того, на какую высоту поднималась вода, можно было определить температуру. Этот прибор назвали термоскопом. Конечно, он тоже показывал весьма приблизительные значения температуры.  Кроме того, его показания зависели от величины атмосферного давления.

Друг Галилея, врач из Падуи Санторио, в своём труде «Комментарий к врачебному искусству Галена», вышедшем в 1612 году, описал схему устройства ртутного термометра[1]. Вскоре после этого, в 1617 году, схему термометра описал также астроном и математик Джузеппе Бьянкани. Термометры того времени не могли быть использованы для количественного измерения температуры, и использовали свойство воздуха расширяться или сжиматься при изменении температуры, перемещая столб воды[1].

Дальнейшее совершенствование устройства термометра принадлежит немецкому учёному Отто фон Герике (1602—1686) веке

[1]. По предложению Фердинандо II Медичи, великого герцога Тосканского, фон Герике стал использовать в термометрах вместо воздуха окрашенный спирт[1].

По некоторым данным, друг Галилея венецианский математик Франческо Сагредо[en] ввёл в термоскоп первый вариант шкалы, по-видимому, то же сделал в Англии физик Роберт Фладд в 1638 году[3][4]. В 1701 году датский физик и астроном Оле Рёмер добавил в термоскоп температурную шкалу, которая стала прообразом шкалы Фаренгейта, который посещал Рёмера в 1708 году[5].

  • The Galileo Project, «The Thermometer»
  • Benedict, Robert P., 1984. Chapter 1, «Early attempts to measure degrees of heat», in Fundamentals of Temperature, Pressure and Flow Measurement, 3rd ed, Wiley ISBN 0-471-89383-8.

Термометр — Википедия

Ртутный медицинский термометр Электронный медицинский термометр Инфракрасный термометр

Термо́метр (греч. θέρμη «тепло» + μετρέω «измеряю») — прибор для измерения температуры воздуха, почвы, и так далее. Существует несколько видов термометров:

  • жидкостные;
  • механические;
  • электронные;
  • оптические;
  • газовые;
  • инфракрасные.

Изобретателем термометра принято считать Галилея: в его собственных сочинениях нет описания этого прибора, но его ученики, Нелли и Вивиани, засвидетельствовали, что уже в 1597 году он сделал нечто вроде термобароскопа (термоскоп). Галилей изучал в это время работы Герона Александрийского, у которого уже описано подобное приспособление, но не для измерения степеней тепла, а для поднятия воды при помощи нагревания. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной к нему стеклянной трубкой. Шарик слегка нагревали и конец трубки опускали в сосуд с водой. Через некоторое время воздух в шарике охлаждался, его давление уменьшалось и вода под действием атмосферного давления поднималась в трубке вверх на некоторую высоту. В дальнейшем при потеплении давление воздуха в шарике увеличивалось и уровень воды в трубке понижался при охлаждении же вода в ней поднималась. При помощи термоскопа можно было судить только об изменении степени нагретости тела: числовых значений температуры он не показывал, так как не имел шкалы. Кроме того, уровень воды в трубке зависел не только от температуры, но и от атмосферного давления. В 1657 г. термоскоп Галилея был усовершенствован флорентийскими учеными. Они снабдили прибор шкалой из бусин и откачали воздух из резервуара (шарика) и трубки. Это позволило не только качественно, но и количественно сравнивать температуры тел. Впоследствии термоскоп был изменен: его перевернули шариком вниз, а в трубку вместо воды налили бренди и удалили сосуд. Действие этого прибора основывалось на расширении тел, в качестве «постоянных» точек брали температуры наиболее жаркого летнего и наиболее холодного зимнего дня.

Изобретение термометра также приписывают лорду Бэкону, Роберту Фладду, Санториусу, Скарпи, Корнелиусу Дреббелю, Порте и Саломону де Коссу, писавшим позднее и частью имевшим личные отношения с Галилеем. Все эти термометры были воздушные и состояли из сосуда с трубкой, содержащего воздух, отделённый от атмосферы столбиком воды, они изменяли свои показания и от изменения температуры, и от изменения атмосферного давления.

Термометры с жидкостью описаны в первый раз в 1667 г. «Saggi di naturale esperienze fatte nell’Accademia del Cimento», где о них говорится как о предметах, давно изготовляемых искусными ремесленниками, которых называют «Confia», разогревающими стекло на раздуваемом огне лампы и выделывающими из него удивительные и очень нежные изделия. Сначала эти термометры наполняли водой, но они лопались, когда она замерзала; употреблять для этого винный спирт начали в 1654 году по мысли великого герцога тосканского Фердинанда II. Флорентийские термометры не только изображены в «Saggi», но сохранились в нескольких экземплярах до нашего времени в Галилеевском музее, во Флоренции; их приготовление описывается подробно.

Сначала мастер должен был сделать деления на трубке, соображаясь с её относительными размерами и размерами шарика: деления наносились расплавленной эмалью на разогретую на лампе трубку, каждое десятое обозначалось белой точкою, а другие чёрными. Обыкновенно делали 50 делений таким образом, чтобы при таянии снега спирт не опускался ниже 10, а на солнце не поднимался выше 40. Хорошие мастера делали такие термометры настолько удачно, что все они показывали одно и то же значение температуры при одинаковых условиях, однако такого не удавалось достигнуть, если трубку разделяли на 100 или 300 частей, чтобы получить большую точность. Наполняли термометры посредством подогревания шарика и опускания конца трубки в спирт, заканчивали наполнение при помощи стеклянной воронки с тонко оттянутым концом, свободно входившим в довольно широкую трубку. После регулирования количества жидкости, отверстие трубки запечатывали сургучом, называемым «герметическим». Из этого ясно, что эти термометры были большими и могли служить для определения температуры воздуха, но были ещё неудобны для других, более разнообразных опытов, и градусы разных термометров были не сравнимы между собою.

В 1703 г. Амонтон (Guillaume Amontons) в Париже усовершенствовал воздушный термометр, измеряя не расширение, а увеличение упругости воздуха, приведённого к одному и тому же объёму при разных температурах подливанием ртути в открытое колено; барометрическое давление и его изменения при этом принимались во внимание. Нулём такой шкалы должна была служить «та значительная степень холода», при которой воздух теряет всю свою упругость (то есть современный абсолютный нуль), а второй постоянной точкой — температура кипения воды. Влияние атмосферного давления на температуру кипения ещё не было известно Амонтону, а воздух в его термометре не был освобождён от водяных газов; поэтому из его данных абсолютный нуль получается при −239,5° по шкале Цельсия. Другой воздушный термометр Амонтона, выполненный очень несовершенно, был независим от изменений атмосферного давления: он представлял сифонный барометр, открытое колено которого было продолжено кверху, снизу наполнено крепким раствором поташа, сверху нефтью и оканчивалось запаянным резервуаром с воздухом.

Современную форму термометру придал Фаренгейт и описал свой способ приготовления в 1723 г. Первоначально он тоже наполнял свои трубки спиртом и лишь под конец перешёл к ртути. Нуль своей шкалы он поставил при температуре смеси снега с нашатырём или поваренной солью, при температуре «начала замерзания воды» он показывал 32°, а температура тела здорового человека во рту или под мышкой была эквивалентна 96°. Впоследствии он нашёл, что вода кипит при 212° и эта температура была всегда одна и та же при том же состоянии барометра. Сохранившиеся экземпляры термометров Фаренгейта отличаются тщательностью исполнения.

Окончательно установил обе постоянные точки, тающего льда и кипящей воды, шведский астроном, геолог и метеоролог Андерс Цельсий в 1742 г. Но первоначально он ставил 0° при точке кипения, а 100° при точке замерзания. В своей работе Цельсий «Observations of two persistent degrees on a thermometer» рассказал о своих экспериментах, показывающих, что температура плавления льда (100°) не зависит от давления. Он также определил с удивительной точностью, как температура кипения воды варьировалась в зависимости от атмосферного давления. Он предположил, что отметку 0 (точку кипения воды) можно откалибровать, зная на каком уровне относительно моря находится термометр.

Позже, уже после смерти Цельсия, его современники и соотечественники ботаник Карл Линней и астроном Мортен Штремер использовали эту шкалу в перевёрнутом виде (за 0° стали принимать температуру плавления льда, а за 100° — кипения воды). В таком виде шкала оказалась очень удобной, получила широкое распространение и используется до нашего времени.

По одним сведениям, Цельсий сам перевернул свою шкалу по совету Штремера. По другим сведениям, шкалу перевернул Карл Линней в 1745 году. А по третьим — шкалу перевернул преемник Цельсия М.Штремер и в XVIII веке такой термометр был широко распространён под именем «шведский термометр», а в самой Швеции — под именем Штремера, но известнейший шведский химик Иоганн Якоб в своем труде «Руководства по химии» по ошибке назвал шкалу М. Штремера цельсиевой шкалой и с тех пор стоградусная шкала стала носить имя Андерса Цельсия.

Работы Реомюра в 1736 г. хотя и повели к установлению 80° шкалы, но были скорее шагом назад против того, что сделал уже Фаренгейт: термометр Реомюра был громадный, неудобный в употреблении, а его способ разделения на градусы был неточным и неудобным.

После Фаренгейта и Реомюра дело изготовления термометров попало в руки ремесленников, так как термометры стали предметом торговли.

В 1848 г. английский физик Вильям Томсон (лорд Кельвин) доказал возможность создания абсолютной шкалы температур, нуль которой не зависит от свойств воды или вещества, заполняющего термометр. Точкой отсчета в «шкале Кельвина» послужило значение абсолютного нуля: −273,15° С. При этой температуре прекращается тепловое движение молекул. Следовательно, становится невозможным дальнейшее охлаждение тел.

Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объёма жидкости, которая залита в термометр (обычно это спирт или ртуть), при изменении температуры окружающей среды.

Жидкостные термометры подразделяются на ртутные и термометры с не ртутным заполнением. Последние применяются не только из-за экономических соображений, а также из-за использования широкого диапазона температур. Так, в термометрии, в качестве нертутного заполнения термометров используются вещества: спирты (этиловый, метиловый, пропиловый), пентан, толуол, сероуглерод, ацетон, таллиевая амальгама и галлий.[1]

В связи с тем, что с 2020 года ртуть будет под запретом во всём мире[2][3] из-за её опасности для здоровья[4], во многих областях деятельности ведётся поиск альтернативных наполнений для бытовых термометров. Например, такой заменой стал галинстан (сплав металлов: галлия, индия, олова и цинка). Галлий применяют для измерения высоких температур. Также ртутные термометры все чаще с большим успехом заменяются платиновыми или медными термометрами сопротивления. Также все шире применяются и другие типы термометров.

Об удалении разлившейся ртути из разбитого термометра см. статью Демеркуризация
Механический термометр Оконный механический термометр

Термометры этого типа действуют по тому же принципу, что и жидкостные, но в качестве датчика обычно используется металлическая спираль или лента из биметалла.

Уличный электронный термометр

Принцип работы электронных термометров основан на изменении сопротивления проводника при изменении температуры окружающей среды.

Электронные термометры более широкого диапазона основаны на термопарах (контакт между металлами с разной электроотрицательностью создаёт контактную разность потенциалов, зависящую от температуры).

Домашняя метеостанция

Наиболее точными и стабильными во времени являются термометры сопротивления на основе платиновой проволоки или платинового напыления на керамику. Наибольшее распространение получили PT100 (сопротивление при 0 °C — 100Ω) PT1000 (сопротивление при 0 °C — 1000Ω) (IEC751). Зависимость от температуры почти линейна и подчиняется квадратичному закону при положительной температуре и уравнению 4 степени при отрицательных (соответствующие константы весьма малы, и в первом приближении эту зависимость можно считать линейной). Температурный диапазон −200 — +850 °C.

RT=R0[1+AT+BT2+CT3(T−100)](−200∘C<T<0∘C),{\displaystyle R_{T}=R_{0}\left[1+AT+BT^{2}+CT^{3}(T-100)\right]\;(-200\;{}^{\circ }\mathrm {C} <T<0\;{}^{\circ }\mathrm {C} ),}
RT=R0[1+AT+BT2](0∘C≤T<850∘C).{\displaystyle R_{T}=R_{0}\left[1+AT+BT^{2}\right]\;(0\;{}^{\circ }\mathrm {C} \leq T<850\;{}^{\circ }\mathrm {C} ).}

Отсюда, RT{\displaystyle R_{T}} сопротивление при T °C, R0{\displaystyle R_{0}} сопротивление при 0 °C, и константы (для платинового сопротивления) —

A=3.9083×10−3∘C−1{\displaystyle A=3.9083\times 10^{-3}\;{}^{\circ }\mathrm {C} ^{-1}}
B=−5.775×10−7∘C−2{\displaystyle B=-5.775\times 10^{-7}\;{}^{\circ }\mathrm {C} ^{-2}}
C=−4.183×10−12∘C−4.{\displaystyle C=-4.183\times 10^{-12}\;{}^{\circ }\mathrm {C} ^{-4}.}

Оптические термометры позволяют регистрировать температуру благодаря изменению уровня светимости, спектра и иных параметров (см. Волоконно-оптическое измерение температуры) при изменении температуры. Например, инфракрасные измерители температуры тела.

Инфракрасные термометры[править | править код]

Инфракрасный термометр позволяет измерять температуру без непосредственного контакта с человеком. В 2014 году Россия подписала Минаматскую конвенцию о ртути к 2030 году Россия откажется от производства ртутных термометров.[5]В некоторых странах уже давно имеется тенденция отказа от ртутных термометров в пользу инфракрасных не только в медицинских учреждениях, но и на бытовом уровне.

Технические термометры используются на предприятиях в сельском хозяйстве, нефтехимической, химической, горно-металлургической промышленностях, в машиностроении, жилищно- коммунальном хозяйстве, транспорте, строительстве, медицине, словом во всех жизненных сферах.

Выделяют такие виды технических термометров:

  • термометры технические жидкостные
  • термометры биметаллические ТБ, ТБТ, ТБИ;
  • термометры сельскохозяйственные ТС-7А-М
  • термометры максимальные СП-83;
  • термометры для спецкамер низкоградусные СП-100;
  • термометры специальные вибростойкие СП-1;
  • термометры ртутные электроконтактные ТПК;
  • термометры лабораторные ТЛ;
  • термометры для нефтепродуктов ТН;
  • термометры для испытаний нефтепродуктов ТИН.

Максимальные и минимальные термометры[править | править код]

По виду фиксации предельного значения температуры термометры разделяются на максимальные, минимальные и нефиксирующие[6]. Минимальный/максимальный термометр показывает минимальное/максимальное значение температуры, достигнутое с момента сброса. Так, медицинский ртутный термометр является максимальным — он показывает максимальное значение температуры, достигнутое в ходе измерения, благодаря узкой «шейке» между ртутным резервуаром и капилляром, в которой при уменьшении температуры столбик ртути разрывается, и ртуть не уходит обратно в резервуар из капилляра. Перед измерением фиксирующий (максимальный или минимальный) термометр должен быть сброшен (приведён к значению заведомо ниже/выше измеряемой температуры).

Газовый термометр — прибор для измерения температуры, основанный на законе Шарля.

В 1703 году Шарль установил, что одинаковое нагревание любого газа приводит к почти одинаковому повышению давления, если при этом объём остается постоянным. При изменении температуры по шкале Кельвина давление идеального газа в постоянном объёме прямо пропорционально температуре. Отсюда следует, что давление газа (при V = const) можно принять в качестве количественной меры температуры. Соединив сосуд, в котором находится газ, с манометром и проградуировав прибор, можно измерять температуру по показаниям манометра.

В широких пределах изменений концентраций газов и температур и малых давлениях температурный коэффициент давления разных газов примерно одинаков, поэтому способ измерения температуры с помощью газового термометра оказывается малозависящим от свойств конкретного вещества, используемого в термометре в качестве рабочего тела. Наиболее точные результаты получаются, если в качестве рабочего тела использовать водород или гелий.

Термоскоп Википедия

Термоско́п (греч. θέρμη [термо] «тепло» + σκοπέω [скопео] «смотрю») — устройство, которое показывает изменения температуры, родоначальник современных термометров. Типичная конструкция термоскопа представляет собой трубку, в которой жидкость поднимается и опускается при изменении температуры. В начале XVIII века был оснащён шкалой, приблизившись к виду современных термометров.

Функции[ | ]

Существуют оценки, что первый термоскоп сконструировал итальянский физик Галилео Галилей примерно в 1592—1600 годах[1]. В то же время во времена Галилея уже использовались устройства, основанные на использовании расширения тел от тепла и давления, они применялись как в медицине, так и для сооружения фонтанов[2]. Сам принцип действия термоскопа был известен ещё в Древней Греции, о нём упоминал, в частности, Эмпедокл в своей книге «О природе» в 460 г. до н. э[2].

Большие термоскопы, размещенные на открытом воздухе, создавали иллюзию работы «вечного двигателя»[2].

Работа Галилея с термоскопом привела его к разработке атомистической концепции тепловых процессов, опубликованной в книге Il Saggiator в 1623 году[2].

Принцип работы[ | ]

Прибор Галилея был очень простым. Он состоял из стеклянной трубки, к концу которой был припаян стеклянный шарик. Немного подогрев шарик, свободный конец трубки Галилей опускал в сосуд с водой. Когда воздух в шарике остывал, давление воздуха в нём становился меньше, и вода под воздействием атмосферного давления поднималась вверх по трубке. И в зависимости от того, на какую высоту поднималась вода, можно было определить температуру. Этот прибор назвали термоскопом. Конечно, он тоже показывал весьма приблизительные значения температуры.  Кроме того, его показания зависели от величины атмосферного давления.

Дальнейшая история[ | ]

Друг Галилея, врач из Падуи Санторио, в своём труде «Комментарий к врачебному искусству Галена», вышедшем в 1612 году, описал схему устройства ртутного термометра[1]. Вскоре после этого, в 1617 году, схему термометра описал также астроном и математик Джузеппе Бьянкани. Термометры того времени не могли быть использованы для количественного измерения температуры, и использовали свойство воздуха расширяться или сжиматься при изменении температуры, перемещая столб воды[1].

Дальнейшее совершенствование устройства термометра принадлежит немецкому учёному Отто фон Герике (1602—1686) веке[1]. По предложению Фердинандо II Медичи, великого герцога Тосканского, фон Герике стал использовать в термометрах вместо воздуха окрашенный спирт[1].

По некоторым данным, друг Галилея венецианский математик Франческо Сагредо[en] ввёл в термоскоп первый вариант шкалы, по-видимому, то же сделал в Англии физик Роберт Фладд в 1638 году[3][4]. В 1701 году датский физик и астроном Оле Рёмер добавил в термоскоп температурную шкалу, которая стала прообразом шкалы Фаренгейта, который посещал Рёмера в 1708 году[5].

См. также[

Термоскоп Википедия

Термоско́п (греч. θέρμη [термо] «тепло» + σκοπέω [скопео] «смотрю») — устройство, которое показывает изменения температуры, родоначальник современных термометров. Типичная конструкция термоскопа представляет собой трубку, в которой жидкость поднимается и опускается при изменении температуры. В начале XVIII века был оснащён шкалой, приблизившись к виду современных термометров.

Функции

Существуют оценки, что первый термоскоп сконструировал итальянский физик Галилео Галилей примерно в 1592—1600 годах[1]. В то же время во времена Галилея уже использовались устройства, основанные на использовании расширения тел от тепла и давления, они применялись как в медицине, так и для сооружения фонтанов[2]. Сам принцип действия термоскопа был известен ещё в Древней Греции, о нём упоминал, в частности, Эмпедокл в своей книге «О природе» в 460 г. до н. э[2].

Большие термоскопы, размещенные на открытом воздухе, создавали иллюзию работы «вечного двигателя»[2].

Работа Галилея с термоскопом привела его к разработке атомистической концепции тепловых процессов, опубликованной в книге Il Saggiator в 1623 году[2].

Принцип работы

Прибор Галилея был очень простым. Он состоял из стеклянной трубки, к концу которой был припаян стеклянный шарик. Немного подогрев шарик, свободный конец трубки Галилей опускал в сосуд с водой. Когда воздух в шарике остывал, давление воздуха в нём становился меньше, и вода под воздействием атмосферного давления поднималась вверх по трубке. И в зависимости от того, на какую высоту поднималась вода, можно было определить температуру. Этот прибор назвали термоскопом. Конечно, он тоже показывал весьма приблизительные значения температуры.  Кроме того, его показания зависели от величины атмосферного давления.

Дальнейшая история

Друг Галилея, врач из Падуи Санторио, в своём труде «Комментарий к врачебному искусству Галена», вышедшем в 1612 году, описал схему устройства ртутного термометра[1]. Вскоре после этого, в 1617 году, схему термометра описал также астроном и математик Джузеппе Бьянкани. Термометры того времени не могли быть использованы для количественного измерения температуры, и использовали свойство воздуха расширяться или сжиматься при изменении температуры, перемещая столб воды[1].

Дальнейшее совершенствование устройства термометра принадлежит немецкому учёному Отто фон Герике (1602—1686) веке[1]. По предложению Фердинандо II Медичи, великого герцога Тосканского, фон Герике стал использовать в термометрах вместо воздуха окрашенный спирт[1].

По некоторым данным, друг Галилея венецианский математик Франческо Сагредо[en] ввёл в термоскоп первый вариант шкалы, по-видимому, то же сделал в Англии физик Роберт Фладд в 1638 году[3][4]. В 1701 году датский физик и астроном Оле Рёмер добавил в термоскоп температурную шкалу, которая стала прообразом шкалы Фаренгейта, который посещал Рёмера в 1708 году[5].

См. также

Примечания

От термоскопа Галилея к оптоволокну, или Чем и как измеряют температуру

Перед тем как выйти на улицу, мы обычно смотрим на термометр за окном, чтобы выбрать одежду по погоде. Можно, конечно, этого не делать, но тогда есть вероятность простудиться, и поневоле придётся воспользоваться термометром. Сейчас, правда, многие предпочитают узнавать температуру «за бортом» с экрана телевизора, смартфона или планшета. Но чтобы градусы Цельсия появились на экране, кто-то должен измерить температуру на улице, ведь не интернет же это делает? Хотя, к слову сказать, температуру можно определить и «интернетом» — с помощью оптоволоконных линий. Об этом мы расскажем чуть позже, а пока разберёмся с классическими методами.

Огромный термометр на одной из башен главного здания Московского государственного университета на Воробьёвых горах внешне похож на механический термометр со стрелкой, но устроен совсем по-другому. Шестиметровую стрелку приводит в движение электродвигатель через систему механических приводов. Показания температуры выставляются по сигналу с терморезистивного датчика, установленного на высоте 2 м в сквере МГУ. Фото Андрея Лисинского.

Термометр Галилея в современном исполнении. Фото: [email protected]/Wikimedia Commons/CC-BY-SA-2.5.

Температуру внутри бифштекса, приготовленного на углях, легко измерить с помощью механического термометра, внутри которого находится биметаллическая спираль. Фото: Wavebreak Media / Фотобанк Лори.

Терморезистивный датчик температуры (слева) и термопарный датчик (справа) используют разные эффекты, связанные с изменением электрических свойств объекта при нагревании.

Гремучая змея регистрирует инфракрасное излучение, которое испускают все нагретые тела, точно так же, как современный инфракрасный термометр.

Конусы Зегера (слева) и индикаторные полоски для контроля температуры при паровой стерилизации.

Самый простой способ измерить температуру, которым пользовались ещё в древности, называется «потрогать». Однако у него есть два существенных недостатка. Во-первых, этот способ далеко не всегда безопасен — можно обжечься. А во-вторых, измерения, основанные на субъективных ощущениях, неточны: для одного море с температурой воды +10оС — это всего лишь «прохладно», а для другого и +20оС сродни купанию у берегов Антарктиды. Тут показателен классический опыт: возьмите три ёмкости — с горячей, холодной и тёплой водой. Одну руку опустите в сосуд с горячей водой (естественно, вода не должна быть кипятком!), а другую — в сосуд с холодной, подержите их там некоторое время, а затем опустите обе руки одновременно в ёмкость с тёплой водой. В этот момент одна рука «скажет» вам, что вода холодная, другая — что горячая, а истина окажется, как это часто бывает, где-то посередине.

Способ «потрогать» удовлетворял далеко не всех. Измерять температуру нужно было как можно точнее и в цифрах. А значит, предстояло изобрести иной способ, который опирался бы не на ощущения, а на беспристрастные физические законы.

Стоит напомнить, что температура влияет на самые разные свойства материи: вещества могут плавиться и испаряться, менять цвет, форму и размер, вступать в химические реакции. Первые приборы для измерения температуры были основаны на том, что при нагревании большинство тел расширяются, а при охлаждении, наоборот, сжимаются. Известно, например, что во время полёта сверхзвуковой пассажирский лайнер «Конкорд» из-за нагрева фюзеляжа увеличивался в длину на 20 см. Так что, имея соответствующую таблицу, температуру самолёта можно было бы измерять обычной рулеткой.

Первым, кто заметил, что вещества меняют объём в зависимости от температуры, был Галилео Галилей. Нагревал он, правда, не сверхзвуковые «Конкорды», а самые обыкновенные жидкости. Если взять фиксированное количество жидкости, то при нагревании она начнёт расширяться, а при охлаждении сжиматься. Соответственно будет меняться и её плотность — холодные жидкости более плотные, чем горячие. На этом принципе — изменении плотности вещества при нагревании — был построен один из первых приборов для измерения температуры — термоскоп. Галилей изобрёл его в 1597 году. Термоскоп не давал точного значения температуры, а свидетельствовал об изменении степени нагретости тела. Жидкость в термоскопе поднималась и опускалась по стеклянной трубке не за счёт собственного расширения или сжатия, а из-за изменения объёма воздуха, находящегося в стеклянном шарике, который был припаян к концу трубки. Здесь использовался принцип зависимости давления газа от его температуры: чем выше температура, тем выше давление, а следовательно, газ стремится занять больший объём, вытесняя жидкость из трубки. Главный недостаток прибора состоял в том, что показания зависели не только от самой температуры, но ещё и от атмосферного давления.

Через полвека конструкцию термоскопа усовершенствовали флорентийские учёные. Они перевернули его с ног на голову, заменили газ жидкостью, откачали из стеклянного резервуара воздух, сделав прибор независимым от каких-либо перепадов давления, и снабдили шкалой. Здесь уже температуру определяли по уровню столба жидкости, который тем выше, чем выше сама температура. Это был описанный в 1667 году первый жидкостный термометр, который получил название «термометр Галилея». В слегка изменённом виде он дожил до наших дней, им продолжают измерять температуру за окном или температуру тела и по традиции называют градусником.

Обычные ртутные термометры до сих пор используют не только в быту, но и в экспериментальных лабораториях, поскольку они просты, надёжны и недороги.

Может возникнуть вопрос: почему вредная ртуть получила такое широкое распространение в термометрах? Причина в том, что ртуть, в отличие от органических жидкостей вроде спирта или глицерина, остаётся жидкой в большом интервале температур: от –39оС до +357оС. Но что ещё более важно, так это практически линейный рост её объёма с увеличением температуры. Что это значит? Например, вы взяли два термометра: ртутный и глицериновый, откалибровали их по двум точкам: 0оС и +100оС, а затем погрузили их в жидкость с температурой +50оС. Думаете, оба термометра покажут +50оС? А вот и нет! Показания ртутного термометра будут действительно практически совпадать с отметкой +50оС, а глицериновый покажет +47,6оС. Опустим теперь оба термометра в жидкости с температурами 0оС и +100оС — их показания совпадут. Почему? Ответ на эту загадку кроется в коэффициенте температурного расширения жидкостей. Как мы говорили, у ртути он практически не зависит от температуры, а вот у глицерина — зависит. Это значит, что при разных значениях температуры жидкость по-разному реагирует на изменение этой самой температуры: например, холодный глицерин, как мы видим, расширяется чуть медленнее, чем горячий.

Кроме бытовых жидкостных встречаются термометры другого типа — механические. В них вместо жидкости используется металлическая спираль с закреплённой на ней стрелкой. Работают механические термометры, хотя на первый взгляд это может показаться странным, по тому же принципу, что и жидкостные, — по принципу расширения вещества при нагревании. Вспомните про удлиняющийся от нагрева самолёт. Можно было бы, конечно, вместо самолёта взять небольшую проволочку и измерять, насколько она удлинится при нагревании на несколько градусов, но тогда пришлось бы воспользоваться микроскопом. Согласитесь, это не очень удобно, поэтому инженеры придумали ухищрение: они взяли две металлические ленты из разных материалов, соединили их вместе и скрутили в спираль. Если такую конструкцию нагревать, то за счёт разной величины расширения двух разных металлов спираль начнёт раскручиваться, а при охлаждении будет закручиваться обратно. Оставалось только закрепить один конец спирали на корпусе, а на другой установить стрелку и проградуировать шкалу. Простой механический термометр готов!

Но технический прогресс не стоял на месте. С развитием промышленности во многих областях измерение температуры стало насущной необходимостью. Взять хотя бы современный автомобиль, в котором можно навскидку найти десяток различных температурных датчиков, и сделаны они, к счастью, не из стекла и ртути.

Если в жидкостных и механических термометрах используется свойство тел расширяться при нагревании, то большинство современных температурных датчиков основано на принципе зависимости электрических свойств вещества от температуры. Самые распространённые — терморезистивные датчики. Их действие основано на том, что электрическое сопротивление проводника растёт с увеличением температуры. Чтобы такой датчик заработал, достаточно включить его в цепь, состоящую из источника тока и амперметра.

Другой принцип работы у термопарных датчиков. По сути, они представляют собой маленькую «батарейку», напряжение которой зависит от температуры. Эта «батарейка» состоит из двух металлических проводников, спаянных в одной точке. Если место спайки поместить в зону с высокой температурой, а свободные концы проводов оставить при комнатной, то, подключив к ним вольтметр, можно увидеть, что «батарейка» начала вырабатывать ток. Конечно, возникает соблазн использовать термопару для выработки электричества, а не просто для измерения температуры, однако из этой затеи ничего не выйдет: напряжение на выводах термопары составляет всего несколько милливольт, что в тысячу раз меньше, чем напряжение самой обычной пальчиковой батарейки. Зато температуру с помощью термопар можно измерять весьма точно и в большом диапазоне: от –250оС до +2500оС.

И жидкостные термометры, и терморезисторы, и термопары требуют физического контакта с объектом. Термометр необходимо погрузить в жидкость или другую среду либо обеспечить ему плотный контакт с телом. А как поступить, если нужно измерить температуру на расстоянии? Оказывается, в этом нет ничего невозможного.

Вспомните одно свойство материи: все вещества при нагревании испускают электромагнитное излучение. Вы наверняка видели, как выглядит раскалённое железо — оно светится красным, жёлтым или белым цветом. По цвету свечения можно определить температуру металла — этим пользуются кузнецы, чтобы соблюсти технологию ковки изделий. Однако не все нагретые тела светятся ярким светом, вернее, не всё излучение от нагретых тел мы способны увидеть невооружённым глазом. Например, горячий и холодный паяльники выглядят одинаково, хотя, будь наш глаз чувствителен к инфракрасным волнам, мы без проблем отличили бы горячий предмет от холодного.

А вот гремучие змеи могут «видеть» тепло — у них для этого есть специальный орган: два углубления на голове, чувствительные к инфракрасному излучению. Другими словами, рептилии могут найти добычу, например какого-нибудь теплокровного грызуна, в полной темноте, ориентируясь только на тепловые волны, которые испускает жертва. Надо сказать, что змея не видит мышь, как мы видим изображение на экране тепловизора, она лишь может определить направление и силу тепловыделения. По принципу зависимости состава спектра излучения тела от его температуры работают инфракрасные термометры. Чтобы измерить температуру объекта, достаточно направить на него прибор, и спустя буквально доли секунды он покажет температуру с высокой точностью. Быстро и удобно, правда, стоимость такого устройства из-за относительной сложности его конструкции выше, чем обычных термометров.

А как измерить температуру с помощью «интернета»? Развитие волоконно-оптических технологий передачи информации ушло так далеко вперёд, что оптоволокно стало основным каналом передачи трафика от локальных сетей до трансатлантических подводных кабелей. Как оказалось, форма сигнала, который передаётся по световоду, зависит от его температуры — это связано с особенностями рассеяния света на стенках оптического волокна. По виду сигнала, прошедшего через весь световод, можно узнать температуру на каждом его участке. К примеру, если вы проложили оптическую линию длиной 100 км, то даже на таком большом протяжении можно зафиксировать изменение температуры на один градус на отметке, скажем, 62 км 350 м.

Такие системы широко применяются в тех областях промышленности, где требуется непрерывный мониторинг температуры на большом протяжении. Огромный плюс — их надёжность и безопасность, к тому же им не страшны электрические и магнитные помехи. Достаточно один раз проложить оптоволоконный кабель, и в течение десятков лет он будет давать информацию о температуре, при этом систему не нужно обслуживать или менять вышедшие из строя датчики. Правда, и стóят подобные системы несравнимо дороже любого другого термометра.

И напоследок расскажем о самых дешёвых способах измерения температуры. Часто для решения многих задач нужно лишь знать, достигла температура заданного значения или нет. Например, обжигаете вы кирпичи в печи либо стерилизуете медицинские инструменты в автоклаве — и в том и в другом случае нужно убедиться, что объект прогрелся до определённой температуры. Чтобы кирпичи не получились по цене золотых слитков, придётся отказаться от идеи воткнуть в каждый из них по термопаре или дежурить сутками у печи с инфракрасным термометром. Для этих целей придуманы так называемые термоиндикаторы — дешёвые одноразовые устройства, единственная задача которых состоит в том, чтобы показать, достигнута требуемая температура или нет. Например, при обжиге глиняных изделий применяются конусы Зегера — небольшие пирамидки, которые меняют свою форму при достижении определённой температуры. Для автоклавной стерилизации применяют специальные индикаторы — полоски бумаги с нанесённым на них веществом, которое меняет цвет при заданной температуре.

Термоскоп Галилея и первые термометры

Что показывает жидкостный термометр?

   Термоскоп Галилея и первые термометры

    В 1592 году Галилео Галилей, которому тогда было 28 лет, получил место профессора математики в престижном и богатом университете г. Падуя. Однако круг интересов Галилея отнюдь не ограничивался математикой. Он активно занимался вопросами астрономии, механики и именно его работы положили начало развитию физики как науки.

    Галилей был блестящим преподавателем и его лекции всегда проходили в переполненных аудиториях. Заинтересовать студентов Галилею помогал, в частности, талант изобретателя, позволявший ему создавать прекрасные наглядные пособия. Одним из таких пособий был термоскоп – прибор, предназначенный для демонстрации известного ещё древним грекам свойства воздуха расширяться при нагревании.  

    Главной частью термоскопа Галилея (см. Рис. 1) был стеклянный шар размером примерно с куриное яйцо с припаянной к нему и опущенной в окрашенную жидкость (обычно это было красное вино) тонкой стеклянной трубкой. Когда воздух в шаре разогревался ладонями профессора, уровень жидкости в трубке опускался на величину, пропорциональную отношению объёма шара к площади сечения трубки. В этом и состояла главная суть изобретения Галилея, использованная затем всеми создателями термометров, основанных на тепловом расширении – делая трубку достаточно тонкой, можно получить вполне ощутимое снижение уровня даже при незначительных изменениях объёма газа. 

 

 

 

Рис. 1. Термоскоп Галилея

    Позднее Галилей существенно упростил конструкцию термоскопа — он использовал трубку настолько малого диаметра, чтобы капиллярные силы могли удерживать каплю жидкости в подвешенном состоянии, установил эту трубку над шаром и ввёл в неё сверху каплю подкрашенной воды, перемещение которой свидетельствовало о расширении воздуха.

    Демонстрации термоскопа на лекциях проводились Галилеем в первом десятилетии XVII века, а уже во втором десятилетии были сделаны попытки превратить его термоскоп в прибор, измеряющий нагретость воздуха, нанеся на трубку прибора шкалу – равноудалённые друг от друга метки.

 /*Известны публикации на эту тему старшего по возрасту коллеги Галилея по университету в Падуе профессора медицины Санторио и жившего в Венеции друга Галилея математика Сагредо*/.

    Авторы этих изобретений незаметно для себя дали первое количественное определение температуры воздуха – они предложили считать мерой нагретости  объём фиксированной массы воздуха, находящегося  в шаре и в прилегающей к нему части трубкиа величину объёма измерять положением уровня жидкости в трубке по шкале в некоторых условных единицах (градусах).

    Как мы знаем теперь, такое определение температуры некорректно, т.к. объём воздуха в шаре прибора зависит не только от степени нагрева, но и от атмосферного давления, которое может вполне ощутимо меняться как во времени, так и в зависимости от места измерения. Однако, в начале XVII века, когда ещё даже не было отчётливого представления об атмосферном давлении, воздушные термометры Санторио и Сагредо не получили распространения из-за их громоздкости и неудобства использования, а не по каким-либо теоретическим соображениям.

    Жидкостные термометры

    Следующий важный шаг был сделан в 1641 году жившим во Флоренции естествоиспытателем и изобретателем Фернандо Медичи, который был учеником и почитателем Галилея, а также, по случайному стечению обстоятельств, Великим герцогом Тосканским Фердинандом II.

    Медичи взял за основу главную находку Галилея, обеспечивавшую высокую чувствительность прибора – шар, соединённый с узкой трубкой. Как и в окончательном варианте термоскопа Галилея, трубка в приборе Медичи была расположена вертикально, шар подсоединялся к ней снизу, а верхний конец тубки был открыт в атмосферу. Главное же отличие изобретения Медичи от прототипа состояло в том, что шар наполнялся не воздухом, а специальной термометрической жидкостью, изменение объёма которой при нагреве определялось, как и в термометрах Санторио и Сагредо, с помощью равномерной шкалы, нанесенной на трубку.

    Интервал температур, в котором может работать жидкостный термометр, ограничен снизу точкой замерзания жидкости, а сверху – точкой кипения при атмосферном давлении. Поскольку главным назначением своего прибора Медичи видел измерение температуры атмосферного воздуха, он выбрал в качестве термометрической жидкости винный спирт, точка кипения которого (78 °С) вполне устраивала, а точка замерзания (– 114 °С) была в то время недостижима, так что он считался незамерзающей жидкостью. 

    В термометрах, изготовлявшихся в принадлежащих Медичи мастерских, роль шкалы играли бусинки, припаянные к трубке, или точки, нанесенные на разогретую трубку расплавленной эмалью. Обычно шкала имела 50 делений, который выбирались так, что 10 примерно соответствовало таянию снега, а 40 – максимальному нагреву прибора на солнце.

 

Рис. 1. Жидкостной термометр Медичи

    Заметив, что градуировка шкалы постоянно сбивается из-за испарения термометрической жидкости, Медичи в 1654 году решил верхний конец трубки запаять. Так появилась конструкция жидкостного термометра, широко используемая и в наши дни. Дальнейшие усовершенствования, проведенные во второй половине XVII и всего XVIII века  касались исключительно способов построения шкалы и, в частности, выбору двух фиксированных контрольных точек, температуру которых можно считать постоянной и стабильно воспроизводимой в различных условиях эксперимента. После нанесения на шкалу рисок, соответствующих обеим фиксированным точкам, оставалось только разделить промежуток между ними на заранее обусловленное число равных частей, называемых градусами

    В дальнейшем различными исследователями был опробован целый ряд вариантов термометрической жидкости. Так, например, Исаак Ньютон проводил эксперименты с льняным маслом. Позднее, уже в XVIII веке, когда активно проводились работы по созданию и использованию паровых машин и понадобилось измерять температуры, превышающие точку кипения воды при нормальном давлении, в качестве термометрической жидкости стала широко использоваться ртуть, имеющая самую высокую температуру кипения (357 °С) среди всех веществ, находящихся в жидком состоянии при нормальных условиях. При этом точка замерзания ртути (– 39 °С) была достаточно низкой для использования ртутных термометров в метеорологических исследованиях, кроме редких случаев экстремально низких температур.

    Легко воспроизводимые  фиксированные точки, пригодные как для спиртового, так и для ртутного термометра, после многочисленных экспериментов, проведенных в 1708-1724 годах предложил немецкий изобретатель и естествоиспытатель Даниэль Габриэль Фаренгейт. В качестве нижней фиксированной точки он взял температуру таяния льда, смешанного с нашатырём (примерно – 18 °С), в качестве верхней – температуру таяния чистого льда (0 °С), а промежуток между ними разделил на 32 градуса. Значительно позднее, в 1742 году шведский учёный Андерс Цельсий предложил свою шкалу с фиксированными точками, соответствующими таянию чистого льда (0 °С) и кипению воды при нормальном давлении (100 °С). Верхняя из этих точек была более удобна для ртутных термометров, но совершенно непригодна для спиртовых. 

    Почему жидкостный термометр является квазитермометром

   Поскольку величиной, непосредственно измеряемой с помощью прибора Медичи, является выраженный в градусах соответствующей шкалы удельный объём термометрической жидкости, сделанное в дальнейшем объявление этого прибора термометром равносильно введению определения понятия градус теплоты, состоящему из двух частей:

         градус теплоты термометрической жидкости равна её удельному объёму, выраженному в градусах принятой шкалы;

         градус теплоты любого тела равна показанию жидкостного термометра, находящегося с ним в состоянии теплового равновесия.

    Первая часть этого определения основана на предположении, что изменение удельного объёма при нагреве протекает одинаково у всех жидкостей, так что совпадение показаний термометра в фиксированных точках автоматически обеспечит совпадение и во всех других точках шкалы. Однако позднее, в 1739 году французский исследователь Реомюр (René Antoine Ferchault de Réaumur) обнаружил, что показания ртутного и спиртового термометров, вообще говоря, не совпадают, так что ртутный термометр показывает «ртутный градус теплоты», а спиртовый – «спиртовый градус теплоты» [Quinn, N.J. Temperature. London — San Diego. Academic Press. 1990.- 495 p.]. Более того, если учесть, что удельный объём жидкостей зависит не только от градуса теплоты (или, в современной терминологии, от температуры), но и от давления, а давление в полости, занятой термометрической жидкостью, может при нагреве или охлаждении жидкости меняться в широких пределах, зависящих от конструктивных параметров прибора, то окажется, что, строго говоря, показания каждого конкретного термометра не совпадают с показаниями других термометров.

   Что же касается второй части определения, то оно предполагает возможность состояния теплового равновесия между термометрической жидкостью и объектом измерения. В этом состоянии градус теплоты термометрической жидкости должен быть одинаков во всём занимаемом ею объёме и совпадать с градусом теплоты стеклянной оболочки термометра и градусом теплоты измеряемого объекта во всех точках области, прилегающей к поверхности термометра. Однако, поскольку такое равновесное состояние в макроскопических объёмах никогда не достигается, вся вторая часть определения теряет какой-либо смысл.

    Таким образом, жидкостные термометры основаны на некорректном определении понятия «градус теплоты» и являются квазитермометрами.

    Нужно отметить, что для подавляющего большинства имевших место в дальнейшем практических применений термометра (в метеорологии – для измерения температуры воздуха, в медицине – для измерения температуры тела и т.д.) абсолютно безразлично, что на самом деле этот прибор измеряет и каков физический смысл понятия «градус теплоты» или «температура». Важно только, чтобы в сходных условиях результаты измерений разными приборами, а также одним и тем же прибором, но в разное время, совпадали с приемлемой точностью. Жидкостные термометры этим требованиям удовлетворяли, что и обусловило их успешное применение на протяжении трёх с половиной веков, прошедших после изобретения.

Дата последнего обновления:  17.06.10

Мифы физики

 

Как делают ртутные градусники? | Журнал Популярная Механика

Градусник, или термометр, представляет собой прибор для измерения температуры воздуха, почвы, воды и многого другого. Существует несколько видов градусников: жидкостные, механические, электронные, оптические, газовые и инфракрасные. А этот познавательный видеоролик демонстрирует, как изготавливают ртутные термометры!

Изобретателем термометра принято считать Галилея: в его собственных сочинениях нет описания этого прибора, но его ученики засвидетельствовали, что уже в 1597 году он сделал некий термобароскоп, или термоскоп. Галилей изучал в это время работы Герона Александрийского, у которого уже описано подобное приспособление, но не для измерения степеней тепла, а для поднятия воды при помощи нагревания. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной к нему стеклянной трубкой. Шарик слегка нагревали и конец трубки опускали в сосуд с водой. Через некоторое время воздух в шарике охлаждался, его давление уменьшалось и вода под действием атмосферного давления поднималась в трубке вверх на некоторую высоту. В дальнейшем при потеплении давление воздуха в шарике увеличивалось и уровень воды в трубке понижался при охлаждении же вода в ней поднималась. А как изготавливают ртутные градусники?

Ещё больше по темам

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.