Измерение температуры 21.04.2014 15:29

В древности люди измеряли температуру, только используя параметры холодно, тепло, горячо. Приборов, показывающих уровень температуры окружающей среды, веществ, тел, не было. Историю можно начать с изобретения Г. Галилеем в 1592 г. простого устройства - термоскопа. Человечество должно быть благодарно Галилею за его гениальную идею - судить об изменениях температуры по изменениям других свойств тела, "косвенным". Измерение называется косвенным, если непосредственно измеряется не сама величина, а другие величины, связанные с нею функционально. Сам Галилей предложил измерять температуру по расширению воздуха. В его первом термоскопе показания искажались изменением барометрического давления. Вскоре был изобретен газовый термоскоп постоянного объема, он оказался значительно более чувствительным и более точным. Вместо воздуха трубку стали заполнять жидкостью: сначала водой, потом спиртом и, наконец, ртутью. Ртуть оказалась настолько удобной, что один физик XVIII столетия заявил в порыве восторга: "Определенно, природа создала ртуть для изготовления термометров..." Триста лет назад флорентийские академики открыли, что в смеси воды и льда температура постоянна. Спустя 50 лет стеклодув Д.Фаренгейт установил, что температура кипения воды остается постоянной, если давление не меняется. Эти две постоянные температурные точки дали возможность прокалибровать термоскоп,превратив его в "термометр". Воздушный термоскоп постоянного объема, изобретенный в 1702 г. Воздух в шаре (его диаметр примерно 8 см) отсечен от внешнего воздуха ртутью, находящейся в нижней части шара и в узкой трубке (ее диаметр примерно 1 мм). Давление в шаре изменялось, когда изменялась температура. Происходило это практически при постоянном объеме воздуха. Современные гелиевые термометры работают тоже при постоянном объеме. Жидкостные термоскопы XVII в. Двести лет назад приборы, отмечавшие изменение температуры, делались красивыми, но форма шарика у резервуара для жидкости была неудачна. Такая форма замедляет наступление термического равновесия между термоскопом и исследуемым телом. При заданном объеме шар из всех геометрических фигур имеет наименьшую поверхность. "Шарик" современных жидкостных термометров - сплющенный вытянутый цилиндр. Первый прибор для наблюдений за изменением температуры термоскоп придумал итальянский ученый Галилео Галилей примерно в 1597 г. Этот прибор 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 по 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. Следовательно, при помощи этого прибора можно было судить только об изменении степени нагретости тела: числовых значений температуры он не показывал, ибо 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.Позже прибор был изменен. Его перевернули шариком вниз, в трубку вместо воды налили спирт и удалили сосуд. Действие этого прибора основывалось на расширении спирта при нагревании, причем показания прибора не зависели от атмосферного давления. Это был один из первых термометров. В XVII веке термоскопы стали изготавливать в виде герметично запаянной трубки, заполненной ртутью или спиртом. По изменению их уровня и судили об изменениях температуры. С этого момента показания термоскопов перестали зависеть от атмосферного давления. Показания термометров того времени не согласовывались друг с другом, так как не было договоренности о том, как градуировать их шкалы. Например, в качестве "постоянных" точек брали температуры наиболее жаркого летнего и наиболее холодного зимнего дня. Постоянные точки термометра были установлены в XVIII веку. К этому времени уже было известно, что при атмосферном давлении температуры таяния льда и кипения воды постоянны. Эти сведения использовались при усовершенствовании термометров. В 1714 г. голландский ученый Д.Фаренгейт изготовил ртутный термометр. Погрузив его в смесь льда и поваренной соли, ученый обозначил 0 oF. Затем он принял точку таяния льда за 32 oF, а точка кипения воды оказалась равной 212 oF. Термометром Фаренгейта пользуются в наше время в США. В 1730 г. французский физик Р. Реомюр предложил спиртовый термометр с постоянными точками таяния льда (0 oR) и кипения воды (80 oR). Примерно в это же время в Швеции физик А. Цельсий пользовался ртутным термометром, у которого промежуток между точками таяния льда и кипения воды был разделен на 100 градусов. Чтобы избежать отрицательных чисел при измерении низких температур, он принял точку замерзания воды за 100 градусов, а точку кипения воды за 0 градусов. Однако более удобной оказалась "перевернутая" шкала, на которой температуру таяния льда обозначили 0 oС, а температуру кипения воды 100 oС. Таким термометром впервые пользовались шведские ученые ботаник К. Линней и астроном М. Штремер. Этот термометр получил широкое распространение. Усилиями А.Цельсия и другого шведского ученого, К.Линнея, была создана шкала, которой мы пользуемся и сегодня. В ней имеются две постоянные точки: 0 °С – температура сосуществования воды и льда, 100 °С – температура кипения чистой воды при нормальном атмосферном давлении. Расстояние между этими так называемыми реперными точками шкалы, поделенное на 100 равных частей, называется градусом температуры (лат. "градус" – шаг, ступень). Таким образом, ученые XVIII века называли температурой то, что показывал их собственный термометр. В разных странах были приняты различные температурные шкалы. Единство измерений температуры стало возможным лишь век спустя, благодаря усилиям английского физика У.Томсона. Он вошел в историю физики тем, что ввел так называемую абсолютную шкалу температуры. Градуирование термометра. Так называется процедура разметки шкалы будущего термометра в единицах температуры. Проведем ее на примере шкалы Цельсия. Сначала поместим термометр в смесь воды и льда. Поставим отметку 0 °С. Затем опустим его в воду, кипящую при нормальном атмосферном давлении. Поставим отметку 100 °С. Расстояние между отметками разделим на 100 равных частей. В результате образуются деления, каждое из которых будет отмерять 1 градус Цельсия. Вообразим, что, пользуясь этим правилом, мы самостоятельно изготовили два термометра: ртутный и спиртовой. Поместим их в стакан с кипятком. Разумеется, они покажут 100 °С. Подождем, пока вода остынет, и ртутный термометр покажет 50 °С. Удивительно, но спиртовой термометр будет показывать 43 °С . Да, на 7 градусов ниже! Это объясняется тем, что ртуть и спирт неодинаково расширяются при одинаковом изменении температуры. Вообще говоря, тепловое расширение различных веществ, как правило, неодинаково. Эту особенность приходится учитывать на практике, особенно при изготовлении измерительных приборов, которым необходимо работать в широком диапазоне температур. Выбор термометрического тела. Как мы только что выяснили, показания термометров зависят от выбора термометрического тела: ртути, спирта и т.д. Преодолевая этот недостаток, ученые стали искать другие способы измерения температуры. Их внимание остановилось на газовом термометре. Выяснилось, что газовый термометр показывает одно и то же значение температуры вне зависимости от того, каким газом заполнен. Например, водородом, кислородом, воздухом или каким-либо другим газом. Поэтому газовый термометр условились считать эталонным (образцовым) термометром.Показаниям газового термометра наиболее близко соответствуют показания ртутных термометров. Они гораздо более компактны, и потому очень широко применяются в технике. Спиртовые термометры менее точны, чем ртутные. Термодинамическое равновесие. Проводя измерения, следует помнить, что любой термометр всегда измеряет свою собственную температуру. Например, газовый термометр показывает температуру не пламени, а воздуха внутри себя! Когда термометр приводят в контакт с изучаемым телом, мы видим разного рода изменения: движется "столбик" жидкости, меняется объема газа и т.п. Но вскоре между термометром и телом обязательно наступает термодинамическое равновесие – состояние, при котором остаются постоянными все величины, характеризующие эти тела: их массы, объемы, давления и т.д. С этого момента времени термометр показывает не только свою собственную температуру, но и температуру изучаемого тела.