термометр

Інфрачервоні термометри [ правити | правити код ]
Максимальні і мінімальні термометри [ правити | правити код ]

термометр ( грец. θέρμη «тепло» + μετρέω «вимірюю») - прилад для вимірювання температури повітря, ґрунту, води і так далі. Існує кілька видів термометрів:

рідинні;
механічні;
електронні;
оптичні;
газові;
інфрачервоні.

Винахідником термометра прийнято вважати Галілея : В його власних творах немає опису цього приладу, але його учні, Неллі і Вівіані , Засвідчили, що вже в 1597 році він зробив щось на зразок термобароскопа ( термоскоп ). Галілей вивчав в цей час роботи Герона Олександрійського , У якого вже описано подібний пристрій, але не для вимірювання ступенів тепла, а для підняття води за допомогою нагрівання. Термоскоп був невеликим скляну кульку з припаяної до нього скляною трубкою. Шарик злегка нагрівали і кінець трубки опускали в посудину з водою. Через деякий час повітря в кульці охолоджувався, його тиск зменшувалася і вода під дією атмосферного тиску піднімалася в трубці вгору на деяку висоту. Надалі при потеплінні тиск повітря в кульці збільшувалася і рівень води в трубці знижувався при охолодженні ж вода в ній піднімалася. За допомогою термоскопа можна було судити тільки про зміну ступеня нагретости тіла: числових значень температури він не показував, тому що не мав шкали. Крім того, рівень води в трубці залежав не тільки від температури, але і від атмосферного тиску. У 1657 р термоскоп Галілея був удосконалений флорентійськими вченими. Вони забезпечили прилад шкалою з намистин і відкачали повітря з резервуара (кульки) і трубки. Це дозволило не тільки якісно, але і кількісно порівнювати температури тел. Згодом термоскоп був змінений: його перевернули кулькою вниз, а в трубку замість води налили бренді і видалили посудину. Дія цього приладу грунтувалося на розширенні тіл, як «постійних» точок брали температури найбільш жаркого літнього і найбільш холодного зимового дня.

Винахід термометра також приписують лорду Бекону , Роберту Фладда , Санторіусу , Скарпіа, Корнеліусу Дреббель , Порті і Саломону де Коссе , Який писав пізніше і частиною мали особисті стосунки з Галілеєм. Всі ці термометри були повітряні і складалися з посудини з трубкою, що містить повітря, відокремлений від атмосфери стовпчиком води, вони змінювали свої показання і від зміни температури, і від зміни атмосферного тиску.

Термометри з рідиною описані в перший раз в +1667 м «Saggi di naturale esperienze fatte nell'Accademia del Cimento», де про них йдеться як про предметах, давно виготовлених майстерними ремісниками, яких називають «Confia», розігріваючими скло на роздувати вогні лампи і робить його на дивовижні і дуже ніжні вироби. Спочатку ці термометри наповнювали водою, але вони лопалися, коли вона замерзала; вживати для цього винний спирт почали в 1654 році на думку великого герцога тосканського Фердинанда II . Флорентійські термометри не тільки зображені в «Saggi», але збереглися в кількох примірниках до нашого часу в галілеївсько музеї, у Флоренції; їх приготування описується докладно.

Спочатку майстер повинен був зробити ділення на трубці, порівнюючи з її відносними розмірами і розмірами кульки: ділення наносилися розплавленої емаллю на розігріту на лампі трубку, кожне десяте позначалося білою точкою, а інші чорними. Звичайно робили 50 поділок таким чином, щоб при таненні снігу спирт не опускався нижче 10, а на сонце не піднімався вище 40. Хороші майстри робили такі термометри настільки вдало, що всі вони показували одне і те ж значення температури при однакових умовах, проте такого не вдавалося досягти, якщо трубку поділяли на 100 або 300 частин, щоб отримати більшу точність. Наповнювали термометри за допомогою підігрівання кульки і опускання кінця трубки в спирт, закінчували наповнення за допомогою скляної лійки з тонко відтягнутим кінцем, вільно входили в досить широку трубку. Після регулювання кількості рідини, отвір трубки запечатувала сургучем, званим «герметичним». З цього ясно, що ці термометри були великими і могли служити для визначення температури повітря, але були ще незручні для інших, більш різноманітних дослідів, і градуси різних термометрів були непорівнянні між собою.

В 1703 м Амонтон (Guillaume Amontons) в Парижі удосконалив повітряний термометр, вимірюючи не розширення, а збільшення пружності повітря, приведеного до одного і того ж обсягу при різних температурах підливання ртуті у відкрите коліно; барометричний тиск і його зміни при цьому бралися до уваги. Нулем такої шкали повинна була служити «та значний ступінь холоду», при якій повітря втрачає всю свою пружність (тобто сучасний абсолютний нуль ), А другий постійної точкою - температура кипіння води. Вплив атмосферного тиску на температуру кипіння ще не було відомо Амонтону, а повітря в його термометрі ні звільнений від водяних газів; тому з його даних абсолютний нуль виходить при -239,5 ° за шкалою Цельсія. Інший повітряний термометр Амонтона, виконаний дуже недосконале, був незалежний від змін атмосферного тиску: він представляв сифонний барометр, відкрите коліно якого було продовжено догори, знизу наповнене міцним розчином поташу, зверху нафтою і закінчувалося запаяним резервуаром з повітрям.

Сучасну форму термометру надав Фаренгейт і описав свій спосіб приготування в 1723 р Спочатку він теж наповнював свої трубки спиртом і лише під кінець перейшов до ртуті. Нуль своєї шкали він поставив при температурі суміші снігу з нашатирем або кухонною сіллю, при температурі «початку замерзання води» він показував 32 °, а температура тіла здорової людини в роті або під пахвою була еквівалентна 96 °. Згодом він знайшов, що вода кипить при 212 ° і ця температура була завжди одна і та ж при тому ж стані барометра . Збережені екземпляри термометрів Фаренгейта відрізняються ретельністю виконання.

Остаточно встановив обидві постійні точки, танучого льоду і киплячої води, шведський астроном, геолог і метеоролог Андерс Цельсій в 1742 р Але спочатку він ставив 0 ° при точці кипіння, а 100 ° при точці замерзання. У своїй роботі Цельсій « Observations of two persistent degrees on a thermometer »Розповів про свої експерименти, які показують, що температура плавлення льоду (100 °) не залежить від тиску. Він також визначив з дивовижною точністю, як температура кипіння води варіювалася залежно від атмосферного тиску . Він припустив, що оцінку 0 ( точку кипіння води) можна відкалібрувати, знаючи на якому рівні щодо моря знаходиться термометр.

Пізніше, вже після смерті Цельсія, його сучасники і співвітчизники ботанік Карл Лінней і астроном Мортен Штремер використовували цю шкалу в перевернутому вигляді (за 0 ° стали приймати температуру плавлення льоду, а за 100 ° - кипіння води). У такому вигляді шкала виявилася дуже зручною, набула широкого поширення і використовується до нашого часу.

За одними відомостями, Цельсій сам перевернув свою шкалу за порадою Штремер. За іншими відомостями, шкалу перевернув Карл Лінней в 1745 році. А за третіми - шкалу перевернув наступник Цельсія М.Штремер і в XVIII столітті такий термометр був широко поширений під ім'ям «шведський термометр», а в самій Швеції - під ім'ям Штремер, але найвідоміший шведський хімік Іоганн Якоб в своїй праці «Керівництва по хімії» помилково назвав шкалу М. Штремер цельсіевой шкалою і з тих пір стоградусна шкала стала носити ім'я Андерса Цельсія.

роботи Реомюра в 1736 р хоча і повели до встановлення 80 ° шкали, але були скоріше кроком назад проти того, що зробив уже Фаренгейт: термометр Реомюра був величезний, незручний в користуванні, а його спосіб поділу на градуси був неточним і незручним.

Після Фаренгейта і Реомюра справу виготовлення термометрів потрапило в руки ремісників, так як термометри стали предметом торгівлі.

У 1848 р англійський фізик Вільям Томсон (Лорд Кельвін) довів можливість створення абсолютної шкали температур, нуль якої не залежить від властивостей води або речовини, що заповнює термометр. Точкою відліку в « шкалою Кельвіна »Послужило значення абсолютного нуля : -273,15 ° С. При цій температурі припиняється тепловий рух молекул. Отже, стає неможливим подальше охолодження тел.

Рідинні термометри засновані на принципі зміни об'єму рідини, яка залита в термометр (зазвичай це спирт або ртуть ), При зміні температури навколишнього середовища.

У зв'язку з тим, що з 2020 року ртуть буде під забороною в усьому світі [1] [2] через її небезпеки для здоров'я [3] в багатьох областях діяльності ведеться пошук альтернативних наповнень для побутових термометрів. Наприклад, такою заміною став галінстан (Сплав металів: галію , індію , олова і цинку ). Також все ширше застосовуються інші типи термометрів.

Про видалення ртуті, що розлилася з розбитого термометра див. Статтю демеркуризацію

Термометри цього типу діють за тим же принципом, що і рідинні, але в якості датчика зазвичай використовується металева спіраль або стрічка з біметалу .

Принцип роботи електронних термометрів заснований на зміні опору провідника при зміні температури навколишнього середовища.

Електронні термометри більш широкого діапазону засновані на термопарах (Контакт між металами з різною електронегативність створює контактну різницю потенціалів, що залежить від температури).

Найбільш точними і стабільними в часі є термометри опору на основі платинового дроту або платинового напилення на кераміку. Найбільшого поширення набули PT100 (Опір при 0 ° C - 100Ω) PT1000 (Опір при 0 ° C - 1000Ω) (IEC751). Залежність від температури майже лінійна і підпорядковується квадратичним законом при плюсовій температурі і рівняння 4 ступеня при негативних (відповідні константи дуже малі, і в першому наближенні цю залежність можна вважати лінійної). Температурний діапазон -200 - +850 ° C.

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

Звідси, R T {\ displaystyle R_ {T}} $Звідси, R T {\ displaystyle R_ {T}} опір при T ° C, R 0 {\ displaystyle R_ {0}} опір при 0 ° C, і константи (для платинового опору) -$ опір при T ° C, R 0 {\ displaystyle R_ {0}} опір при 0 ° C, і константи (для платинового опору) -

A = 3.9083 × 10 - 3 ∘ C - 1 {\ displaystyle A = 3.9083 \ times 10 ^ {- 3} \; {} ^ {\ circ} \ mathrm {C} ^ {- 1}} A = 3 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}.}

Оптичні термометри дозволяють реєструвати температуру завдяки зміні рівня світності , спектра та інших параметрів (див. Волоконно-оптичне вимірювання температури ) При зміні температури. Наприклад, інфрачервоні вимірювачі температури тіла.

Інфрачервоні термометри [ правити | правити код ]

Інфрачервоний термометр дозволяє вимірювати температуру без безпосереднього контакту з людиною. У 2014 році Росія підписала Мінаматскую конвенцію про ртуті до 2030 року Росія відмовиться від виробництва ртутних термометрів. [4] У деяких країнах вже давно є тенденція відмови від ртутних термометрів на користь інфрачервоних не тільки в медичних установах, а й на побутовому рівні.

Технічні термометри використовуються на підприємствах у сільському господарстві, нафтохімічної, хімічної, гірничо-металургійній промисловості, в машинобудуванні, житлово-комунальному господарстві, транспорті, будівництві, медицині, словом у всіх життєвих сферах.

Виділяють такі види технічних термометрів:

термометри технічні рідинні
термометри біметалеві ТБ, ТБТ, ТБИ;
термометри сільськогосподарські ТС-7А-М
термометри максимальні СП-83;
термометри для спецкамери низькоградусні СП-100;
термометри спеціальні вібростійкі СП-1;
термометри ртутні електроконтактні ТПК;
термометри лабораторні ТЛ;
термометри для нафтопродуктів ТН;
термометри для випробувань нафтопродуктів ТІН.

Максимальні і мінімальні термометри [ правити | правити код ]

По виду фіксації граничного значення температури термометри поділяються на максимальні, мінімальні та нефіксірующіе [5] . Мінімальний / максимальний термометр показує мінімальне / максимальне значення температури, досягнуте з моменту скидання. Так, медичний ртутний термометр є максимальним - він показує максимальне значення температури, досягнуте в ході вимірювання, завдяки вузькій «шийці» між ртутним резервуаром і капилляром , В якій при зменшенні температури стовпчик ртуті розривається, і ртуть не йде назад в резервуар з капіляра. Перед вимірюванням фіксує (максимальний або мінімальний) термометр повинен бути скинутий (приведений до значення свідомо нижче / вище вимірюваної температури).

газовий термометр - прилад для вимірювання температури, заснований на законі Шарля .

У 1703 року Шарль встановив, що однакове нагрівання будь-якого газу призводить до майже однаковому підвищенню тиску, якщо при цьому обсяг залишається постійним. При зміні температури по шкалою Кельвіна тиск ідеального газу в постійному об'ємі прямо пропорційно температурі. Звідси випливає, що тиск газу (при V = const) можна прийняти в якості кількісної міри температури. Поєднавши посудину, в якому знаходиться газ, з манометром і проградуювати прилад, можна вимірювати температуру за показаннями манометра.

У широких межах змін концентрацій газів і температур і малих тисках температурний коефіцієнт тиску різних газів приблизно однаковий, тому спосіб вимірювання температури за допомогою газового термометра виявляється малозавісящіе від властивостей конкретного речовини, що використовується в термометрі в якості робочого тіла. Найбільш точні результати виходять, якщо в якості робочого тіла використовувати водень або гелій.