Понятие температуры, история изобретения и виды термометров, термоскоп Галилея

Понятие температуры вводится для характеристики различной степени нагретости тел. Представление о температуре, как и представление о силе, вошло в науку через посредство наших чувственных восприятий. Наши ощущения позволяют различать качественные градации нагретости: теплый, холодный, горячий и пр.

Все испытывали неприятное ощущение холода при медленном вхождении в холодную воду во время купания, быстро исчезающее и сменяющееся чувством бодрости и удовольствия после того, как в результате полного погружения в воду тело купающегося немного охладится. Чувственная оценка температуры сильно зависит от теплопроводности тела.

Чувственная оценка температуры применима только в весьма узком температурном интервале. Она не годится в случае очень горячих и очень холодных тел. Ничего хорошего не получится при попытке определить на ощупь степень нагретости расплавленного железа или жидкого воздуха.

Температура – это мера относительного нагрева тела по сравнению с другими телами. Мы неосознанно делаем сравнения с температурой нашего тела, или с температурой воздуха, или с точками кипения или замерзания воды.

Первый термометр

Нет более красивого способа измерить температуру, чем термометр Галилея. Хотя это не самый точный прибор, он, безусловно, один из самых привлекательных. Этот прибор основан на термоскопе, изобретенном Галилео Галилеем.

В отличие от обычного стеклянного ртутного термометра, который представляет собой узкую колбу, сделанную из ртути, которая расширяется и сжимается, термометр Галилея намного сложнее.

Он состоит из нескольких стеклянных сфер, каждая из которых заполнена цветной жидкой смесью, которая часто содержит спирт, но может быть даже просто водой с добавлением пищевого красителя. Эти плавающие шары тонут или плавают в окружающей воде.

Ассортимент термометров (термоскопов) Галилея различных размеров, чем больше размер, тем точнее инструмент

Современная наука считает Галилео Галилея основоположником термодинамики, а также первым человеком, изобретшим термометр. Непосредственно, в его сочинениях нет ни одного упоминания о технологии создания термометра, но ученики Галилея, Нелли и Вивиани, подтвердили то, что в 1597 году Галилей создал прибор, подобный термобароскопу (термоскопу).

Целью Галилея было придумать такое устройство, которое позволяло бы измерять степени тепла. Во время создания он вдохновился идеями Герона Александрийского, который в своих работах описал похожую технологию для поднятия уровня воды путем нагрева. В те времена термоскопом называлась следующая конструкция: маленький шарик из стекла, припаянный к стеклянной трубке.

Принцип его действия достаточно прост. Сначала шарик нагревали на несколько градусов, а конец трубки погружали в емкость, наполненную водой. По истечении некоторого времени, давление в шарике уменьшалось, а вода в трубке меняла свою высоту из-за атмосферного давления. Затем, когда температура повышалась, давление в шарике вырастало, а уровень воды в трубке уменьшался.

У созданного термоскопа было несколько отрицательных сторон:

1. Во-первых, он не позволял измерить точную температуру, так как на приборе не имелось никаких шкал.

2. Во-вторых, нужно было учитывать атмосферное давление, которое действовало на уровень воды в трубке, и только 60 лет спустя, в небольшом итальянском городке Флоренции, который славится выдающимися личностями, ученые смогли модернизировать термоскоп.

Из бусинок изготовили шкалу, способную показывать температуру, и создали в шарике и трубке безвоздушное пространство, путем простой откачки воздуха. Такие новшества позволили измерить разность температур различных тел.

На этом усовершенствование модели термоскопа не закончилось. Спустя несколько лет шарик опустили вниз прибора, воду заменили этиловым спиртом (так как, при температуре ниже нуля, емкость лопалась), а сам сосуд отсоединили. Такой прибор уже работал по принципу «расширения мер», наиболее высокие и низкие показатели температур (в летний и зимний период, соответственно) брали за точки постоянства.

Интересен тот факт, что создателями первого термометра могли оказаться такие гении мысли, как: Фрэнсис Бэкон, Роберт Фладд или Саломон де Каус. Последний, известен тем, что лично знал Галилея и находился с ним в приятельских отношениях. Придуманные ими термометры были воздушными, а значит, показания термометра зависели от температуры и атмосферного давления.

Коллекция стеклянных ртутных термометров

Температура, как физическая величина

Температура принадлежит к таким физическим величинам, которые не поддаются непосредственному измерению. Поэтому для измерения ее всегда преобразуют в какую-либо другую измеряемую физическую величину.

С этой целью (в зависимости от диапазона измеряемых температур и условий измерения) используют то или иное термометрическое свойство тел, т. е. зависимость от температуры соответствующим образом выбранной физической характеристики тела.

Чаще всего температуру преобразуют в какую-либо электрическую величину. Термоприемник, осуществляющий преобразование температуры в другую физическую величину, иногда называют преобразователем.

Используемые для измерения высоких температур термометрические свойства тел весьма разнообразны. Этому обстоятельству способствует то, что при изменении температуры меняются многие физические свойства тел, что дает широкую возможность выбора термометрических свойств, удобных для использования в определенных условиях. В зависимости от выбранного термометрического свойства используют тот или иной метод измерения высоких температур.

Самые известные температурные шкалы: Фаренгейта, Реомюра, Цельсия, Кельвина.

Абсолютная термодинамическая шкала (шкала Кельвина) является основной температурной шкалой в физике.

До революции 1917 г. в России была принята шкала Реомюра, поэтому термометры Реомюра использовались повсеместно. И лишь в начале 30-х годов прошлого века они были вытеснены термометрами Цельсия.

До середины прошлого века шкала Фаренгейта широко использовалась в англоязычных странах в промышленности, медицине, метеорологии и др. Приоритетной шкала Фаренгейта по-прежнему остается в США.

История развития температурных шкал была ранее описана в статье Бориса Аладышкина — Датчики температуры

Термометры Фаренгейта и Цельсия

Ковертер температур в Excel

Простой конвертер температур (Шкалы Цельсия, Реомюра, Кельвина, Фаренгейта, Ренкина) перевод из одной шкалы в другую.

Виды термометров

Термометр — прибор, предназначенный для измерения температур.

Сегодня различают следующие виды термометров:

1. Жидкостные

Принцип их действия состоит в том, что при повышении температуры, изменяется объем налитой в емкость термометра жидкости (спирта или ртути). Ртутные термометры способны измерять температуру от -30°С до +500°С, а спиртовые от -130°С до +60°С. Однако, сейчас действует запрет на использование ртути в бытовых условиях, поэтому ученые активно занимаются разработкой новых жидкостей для наполнения таких термометров.

2. Механические

Основа действия таких термометров — это явление теплового расширения тел. Такие термометры бывают дилатометрическими и биметаллическими.

3. Электрические

Такие термометры сокращают время на измерение температуры, а их принцип действия — изменение сопротивления проводника при повышении или понижении окружающей температуры.

4. Оптические (пирометры)

Их работа основывается на изменении параметров тела при повышении или понижении температуры. Используют такие термометры в жарких местах.

5. Инфракрасные

Такие термометры измеряют излучение тепла объекта. Такие термометры безопасны в использовании, имеют очень низкую погрешность измерения, температура ими измеряется за доли секунды, и что самое главное – они позволяют собирать данные сразу с нескольких объектов одновременно.

В электрической группе в качестве термометров чаще всего используются:

термометры сопротивления (измерение электрического сопротивления) ;

термопары (термоэлектрический эффект ).

В литературе можно найти подробную классификацию методов и приборов для измерения температур по принципу действия, а также по структурному и функциональному признакам, и классификацию контактных методов и приборов для измерения высоких температур.

Измерения температуры в промышленности

В настоящее время во многих отраслях промышленности применение высоких температур является неотъемлемой частью технологического процесса и качество продукции в большой степени определяется надежностью результатов измерений или регулирования температур.

Аналогичное положение наблюдается во многих областях научных исследований, где надежность результатов измерений высоких температур — один из факторов, определяющих успех исследований.

Чрезвычайное разнообразие объектов исследования, условий измерения температур в этих объектах, различие требований к диапазону и точности измерения высоких температур — все это исключает возможность создания универсальных методов и приборов.

Важнейшими задачами современного приборостроения и современной измерительной техники являются разработка надежных методов измерения температуры применительно к различным производствам.

Термопары на производстве

Термография

Инфракрасная термография – это наука использования электронно-оптических устройств для регистрации и измерения излучения и сопоставления его с температурой поверхностей

Тепловое излучение – это передача тепла посредством электромагнитных волн. Основное отличие между различными волнами их длина.

Все объекты, обследуемые с помощью тепловизора, испускают энергию в инфракрасной области спектра. По мере того, как объект нагревается, он испускает больше энергии. Очень горячие объекты испускают достаточно энергии, чтобы ее можно было увидеть человеческим глазом.

Тепловизоры чаще всего используются для проверки состояния электрических систем, поскольку они позволяют проводить обследование быстро и без непосредственного контакта.

Тепловизионное обследование высоковольтного электрооборудования должно производиться с безопасного расстояния.

Подробнее про бесконтактные термометры:

Обследование оборудования с помощью тепловизора

Термометр Галилея: история про красивую науку

Фото: Flickr, Mugley

Галилео Галилей был знаменитым итальянским физиком, математиком, астрономом и философом, сыгравшим ключевую роль в развитии науки 16 века. Именно он впервые открыл, что плотность жидкости меняется в зависимости от снижения или повышения температуры.

Фото: Flickr, Tadek

Фото: Flickr, Gingko

Термометр, прозванный в честь великого ученого, сделан из запаянного стеклянного цилиндра. Емкость наполнена жидкостью, в которой плавает несколько буйков. К каждому из буйков привязана бирка. В зависимости от температуры воды эти поплавки либо опускаются на дно, либо поднимаются под потолок сосуда. Однако с эстетической точки зрения термометр Галилео намного привлекательнее своей функциональности – он прекрасен сам по себе!

Фото: Flickr, Tuchodi

Фото: Flickr, Kansas City Royalty

И хотя это устройство не было изобретено самим Галилео, его назвали в честь выдающегося итальянского ученого за то, что конструкция не существовала бы без открытий Галилео. Эти градусники начали делать в 17 веке как раз на основании научных трудов Галилео.

Фото: Flickr, Steve 2.0

Напомним, что на всех буйках есть этикетки. На каждой из этих бирок выгравированы цифра и символ градуса. Вес каждого поплавка четко отрегулирован и откалиброван. Подкрашенная жидкость в буйках играет свою отдельную роль в уравнивании веса поплавков, но для простого обывателя это в первую очередь очень красивое зрелище.

Фото: Flickr, Steve 2.0

Математический принцип, применяемый в термометре Галилео, действует в соответствии с правилом прямо пропорциональной зависимости. Узнать температуру по этому градуснику можно благодаря тому, что каждый буек наполнен жидкостью в разной мере, что влияет на среднюю плотность каждого поплавка. У предмета, плавающего выше всех, плотность ниже, чем у зависающего над самым дном. Но удельный вес этих буйков не сильно отличается от аналогичного параметра жидкости, в которой они пребывают.

Фото: Flickr, jhritz

Фото: Flickr, anujraj

Когда температура в комнате падает, охлаждается и вода в термометре. Жидкость в емкости сжимается, а ее плотность повышается. И, как известно, тела, чья плотность меньше плотности окружающей их среды, стремятся вверх. Поэтому когда вода нагревается, буйки тонут, а когда в комнате становится прохладнее, поплавки всплывают под потолок колбы. В итоге температура воздуха определяется по самому нижнему буйку с соответствующей биркой.

Фото: Flickr, daisee

Фото: Flickr, Rachel D

Фото: Flickr, Anna Ghislaine

На этом видео можно понаблюдать за происходящим в этом устройстве в режиме замедленной съемки:

Термометр Галилео – настоящий образец воплощения красоты в научном мире. И хотя актуальность такого устройства в современном мире уже давно утрачена, этот градусник все еще можно встретить в некоторых квартирах ценителей оригинального интерьера.

Фото: Flickr, Matthew Boyle