Термометр — это устройство, измеряющее температуру (горячесть или холодность объекта) или температурный градиент (скорость изменения температуры в пространстве). Термометр состоит из двух важных элементов: (1) температурный датчик (например, шарик ртутного стеклянного термометра или пирометрический датчик инфракрасного термометра ), в котором происходит некоторое изменение при изменении температуры; и (2) некоторые средства преобразования этого изменения в числовое значение (например, видимая шкала, нанесенная на ртутный стеклянный термометр, или цифровое считывание на инфракрасной модели). Термометры широко используются в технике и промышленности для контроля процессов, в метеорологии , в медицине ( медицинский термометр ) и в научных исследованиях.
В то время как отдельный термометр способен измерять степень жара, показания двух термометров нельзя сравнивать, если они не соответствуют согласованной шкале. Сегодня существует абсолютная термодинамическая температурная шкала. Согласованные на международном уровне температурные шкалы разработаны для ее точного приближения на основе фиксированных точек и интерполирующих термометров. Самая последняя официальная температурная шкала — Международная температурная шкала 1990 года . Она простирается от 0,65 К (−272,5 °C; −458,5 °F) до приблизительно 1358 К (1085 °C; 1985 °F).
Скудные и противоречивые исторические записи затрудняют точное определение изобретения термометра какому-либо конкретному человеку или дате. Кроме того, учитывая многочисленные параллельные разработки в истории термометра и его многочисленные постепенные усовершенствования с течением времени, этот инструмент лучше всего рассматривать не как единое изобретение, а как развивающуюся технологию .
Ранние пневматические устройства и идеи античности послужили источником вдохновения для изобретения термометра в эпоху Возрождения.
В III веке до нашей эры Филон Византийский задокументировал свой эксперимент с трубкой, погруженной в емкость с жидкостью с одного конца и соединенной с герметичной полой сферой с другого. Когда воздух в сфере нагревается свечой или подвергается воздействию солнца, расширяющийся воздух выходит из сферы и создает пузырьки в сосуде. По мере того, как воздух в сфере охлаждается, создается частичный вакуум, всасывающий жидкость в трубку. Любые изменения в положении жидкости теперь будут указывать на то, становится ли воздух в сфере горячее или холоднее.
Переводы эксперимента Филона с древнегреческого оригинала были использованы Робертом Фладдом где-то около 1617 года и легли в основу его воздушного термометра. [2] : 15
В своей книге «Пневматика » Герон Александрийский (10–70 гг. н. э.) приводит рецепт создания «Фонтана, который струится под действием солнечных лучей», более сложной версии пневматического эксперимента Филона, но работающей по тому же принципу нагревания и охлаждения воздуха для перемещения воды. [3] Переводы древнего труда «Пневматика» были представлены в Италии в конце XVI века и изучались многими, включая Галилео Галилея , который прочитал его к 1594 году. [2] : 5
Римско-греческий врач Гален считается автором двух концепций, важных для разработки шкалы температур и последующего изобретения термометра. Во-первых, у него была идея, что жар или холод можно измерить «степенями тепла и холода». Он также придумал фиксированную эталонную температуру, смесь равного количества льда и кипящей воды, с четырьмя градусами тепла выше этой точки и четырьмя градусами холода ниже. Врач XVI века Иоганн Хаслер разработал шкалы температуры тела, основанные на теории градусов Галена, чтобы помочь ему смешивать необходимое количество лекарств для пациентов. [2] : 3
В конце XVI и начале XVII веков несколько европейских ученых, в частности Галилео Галилей [4] и итальянский физиолог Санторио Санторио [5], разработали устройства с заполненной воздухом стеклянной колбой, соединенной с трубкой, частично заполненной водой. По мере того, как воздух в колбе нагревается или охлаждается, высота столба воды в трубке падает или поднимается, что позволяет наблюдателю сравнивать текущую высоту воды с предыдущими высотами, чтобы обнаружить относительные изменения тепла в колбе и ее непосредственном окружении. Такие устройства, не имеющие шкалы для присвоения числового значения высоте жидкости, называются термоскопами, поскольку они обеспечивают наблюдаемое указание явного тепла (современное понятие температуры еще не возникло). [2]
Разница между термоскопом и термометром в том, что у последнего есть шкала. [6] [2] : 4
Термометр — это просто термоскоп со шкалой. ... Я предлагаю считать аксиомой, что «измеритель» должен иметь шкалу или что-то эквивалентное. ... Если это признать, то проблема изобретения термометра становится более простой; проблема изобретения термоскопа остается такой же неясной, как и прежде.
— У. Э. Ноулз Миддлтон, История термометра и его использования в метеорологии
Учитывая это, возможными изобретателями термометра обычно считаются Галилей, Санторио, голландский изобретатель Корнелис Дреббель или британский математик Роберт Фладд . [2] : 5 Хотя Галилея часто называют изобретателем термометра, не сохранилось ни одного документа, подтверждающего, что он действительно создал какой-либо подобный прибор.
Первая ясная схема термоскопа была опубликована в 1617 году Джузеппе Бьянкани (1566 – 1624); [2] : 10 первым, показывающим шкалу и, таким образом, составляющим термометр, был Санторио Санторио в 1625 году. [5] Это была вертикальная трубка, закрытая баллоном воздуха сверху, с нижним концом, открывающимся в сосуд с водой. Уровень воды в трубке контролировался расширением и сжатием воздуха, поэтому это было то, что мы сейчас называем воздушным термометром. [7]
Слово термометр (во французской форме) впервые появилось в 1624 году в работе «Математическое развлечение» Жана Лерешона , который описал термометр со шкалой в 8 градусов. [8] Слово происходит от греческих слов θερμός, термос , что означает «горячий» и μέτρον, метрон , что означает «мера».
Вышеуказанные приборы страдали от недостатка, поскольку они также были барометрами , т. е. чувствительными к давлению воздуха. В 1629 году Джозеф Соломон Дельмедиго , ученик Галилея и Санторио в Падуе, опубликовал то, что, по-видимому, является первым описанием и иллюстрацией герметичного жидкостно-стеклянного термометра. Он описывается как имеющий шарик на дне герметичной трубки, частично заполненной бренди. Трубка имела пронумерованную шкалу. Дельмедиго не утверждал, что изобрел этот инструмент. Он также не называл никого другого в качестве его изобретателя. [9] Около 1654 года Фердинандо II Медичи, великий герцог Тосканский (1610–1670) действительно создал такой инструмент, первый термометр современного типа, зависящий от расширения жидкости и не зависящий от давления воздуха. [8] Многие другие ученые экспериментировали с различными жидкостями и конструкциями термометров. Однако каждый изобретатель и каждый термометр были уникальны — не существовало стандартной шкалы .
Ранние попытки стандартизации добавляли единую точку отсчета, такую как точка замерзания воды. Считается, что использование двух точек отсчета для градуировки термометра было введено Иоахимом Даленцем в 1668 году [10] , хотя Христиан Гюйгенс (1629–1695) в 1665 году уже предлагал использовать градуировки, основанные на точках плавления и кипения воды в качестве стандартов [11] , а в 1694 году Карло Ренальдини (1615–1698) предложил использовать их в качестве фиксированных точек вдоль универсальной шкалы. В 1701 году Исаак Ньютон (1642–1726/27) предложил шкалу из 12 градусов между точкой плавления льда и температурой тела .
В 1714 году учёный и изобретатель Даниэль Габриэль Фаренгейт изобрел надёжный термометр, используя ртуть вместо смесей спирта и воды . В 1724 году он предложил температурную шкалу , которая теперь (с небольшими изменениями) носит его имя . В 1742 году Андерс Цельсий (1701–1744) предложил шкалу с нулем в точке кипения и 100 градусами в точке замерзания воды, [12] хотя шкала, которая теперь носит его имя, имеет их наоборот. [13] Французский энтомолог Рене Антуан Фершо де Реомюр изобрел спиртовой термометр и температурную шкалу в 1730 году, которые в конечном итоге оказались менее надёжными, чем ртутный термометр Фаренгейта.
Первым врачом, использовавшим термометрические измерения в клинической практике, был Герман Бурхаве (1668–1738). [14] В 1866 году сэр Томас Клиффорд Олбатт (1836–1925) изобрел клинический термометр , который давал показания температуры тела за пять минут, а не за двадцать. [15] В 1999 году доктор Франческо Помпеи из корпорации Exergen представил первый в мире термометр височной артерии — неинвазивный датчик температуры , который сканирует лоб примерно за две секунды и обеспечивает точную с медицинской точки зрения температуру тела. [16] [17]
Традиционные термометры были нерегистрирующими термометрами. То есть термометр не сохранял показания температуры после того, как его переместили в место с другой температурой. Определение температуры кастрюли с горячей жидкостью требовало от пользователя оставлять термометр в горячей жидкости до снятия показаний. Если нерегистрирующий термометр вынимали из горячей жидкости, то температура, указанная на термометре, немедленно начинала меняться, отражая температуру новых условий (в данном случае температуру воздуха). Регистрирующие термометры предназначены для сохранения температуры в течение неопределенного времени, так что термометр можно было бы снять и снять показания позднее или в более удобном месте. Механические регистрирующие термометры сохраняют либо самую высокую, либо самую низкую зафиксированную температуру до тех пор, пока ее не снимут вручную, например, встряхнув ртутный стеклянный термометр, или пока не будет достигнута еще более экстремальная температура. Электронные регистрирующие термометры могут быть предназначены для запоминания самой высокой или самой низкой температуры или для запоминания любой температуры, которая была в указанный момент времени.
В термометрах все чаще используются электронные средства для обеспечения цифрового отображения или ввода данных в компьютер.
Термометры можно описать как эмпирические или абсолютные. Абсолютные термометры калибруются численно по термодинамической абсолютной шкале температур. Эмпирические термометры в общем случае не обязательно точно согласуются с абсолютными термометрами относительно показаний их числовой шкалы, но чтобы вообще считаться термометрами, они должны согласовываться с абсолютными термометрами и друг с другом следующим образом: если взять любые два тела, изолированные в их отдельных соответствующих термодинамических состояниях равновесия, все термометры согласятся относительно того, какое из них имеет более высокую температуру, или что эти два имеют равные температуры. [18] Для любых двух эмпирических термометров это не требует, чтобы соотношение между их числовыми показаниями шкалы было линейным, но требует, чтобы это соотношение было строго монотонным . [19] Это фундаментальная характеристика температуры и термометров. [20] [21] [22]
Как обычно утверждается в учебниках, так называемый « нулевой закон термодинамики », взятый сам по себе, не может предоставить эту информацию, но формулировка нулевого закона термодинамики Джеймса Серрина в 1977 году, хотя и довольно абстрактная с математической точки зрения, более информативна для термометрии: «Нулевой закон — существует топологическая линия , которая служит координатным многообразием поведения материалов. Точки многообразия называются «уровнями нагретости» и называются «универсальным многообразием нагретости». [23] К этой информации необходимо добавить ощущение большей нагретости; это ощущение может быть получено, независимо от калориметрии , термодинамики и свойств конкретных материалов, из закона смещения Вина для теплового излучения : температура ванны теплового излучения пропорциональна , посредством универсальной константы, частоте максимума ее частотного спектра ; эта частота всегда положительна, но может иметь значения, стремящиеся к нулю . Другой способ определения более горячих и более холодных условий основан на принципе Планка , согласно которому, когда процесс изохорной адиабатической работы является единственным средством изменения внутренней энергии замкнутой системы, конечное состояние системы никогда не бывает холоднее начального состояния; за исключением фазовых переходов со скрытой теплотой, оно горячее начального состояния. [24] [25] [26]
Существует несколько принципов, на которых построены эмпирические термометры, перечисленных в разделе этой статьи под названием «Первичные и вторичные термометры». Несколько таких принципов по сути основаны на конститутивном отношении между состоянием подходящим образом выбранного конкретного материала и его температурой. Только некоторые материалы подходят для этой цели, и их можно считать «термометрическими материалами». Радиометрическая термометрия, напротив, может лишь немного зависеть от конститутивных отношений материалов. В некотором смысле радиометрическую термометрию можно считать «универсальной». Это потому, что она основывается главным образом на универсальном характере термодинамического равновесия, то есть на универсальном свойстве производить излучение черного тела .
Существуют различные виды эмпирических термометров, основанные на свойствах материала.
Многие эмпирические термометры полагаются на конститутивное соотношение между давлением, объемом и температурой их термометрического материала. Например, ртуть расширяется при нагревании.
Если термометрический материал используется для определения связи между давлением, объемом и температурой, он должен обладать тремя свойствами:
(1) Его нагревание и охлаждение должны быть быстрыми. То есть, когда некоторое количество тепла входит или выходит из тела материала, материал должен расшириться или сжаться до своего конечного объема или достичь своего конечного давления и должен достичь своей конечной температуры практически без задержки; часть тепла, которое входит, можно считать изменением объема тела при постоянной температуре, и называется скрытой теплотой расширения при постоянной температуре ; а остальная его часть может считаться изменением температуры тела при постоянном объеме, и называется удельной теплотой при постоянном объеме . Некоторые материалы не обладают этим свойством, и им требуется некоторое время, чтобы распределить тепло между изменением температуры и объема. [27]
(2) Его нагревание и охлаждение должны быть обратимыми. То есть, материал должен иметь возможность нагреваться и охлаждаться неограниченно часто одним и тем же увеличением и уменьшением тепла, и при этом каждый раз возвращаться к своему первоначальному давлению, объему и температуре. Некоторые пластики не обладают этим свойством; [28]
(3) Его нагрев и охлаждение должны быть монотонными. [19] [29] То есть, во всем диапазоне температур, для которых он предназначен, чтобы работать,
При температурах около 4 °C вода не обладает свойством (3) и, как говорят, ведет себя в этом отношении аномально; таким образом, вода не может использоваться в качестве материала для этого вида термометрии для температурных диапазонов около 4 °C. [21] [30] [31] [32] [33]
Газы, с другой стороны, все имеют свойства (1), (2) и (3)(a)(α) и (3)(b)(α). Следовательно, они являются подходящими термометрическими материалами, и именно поэтому они были важны для развития термометрии. [34]
Согласно Престону (1894/1904), Реньо нашел воздушные термометры постоянного давления неудовлетворительными, поскольку они требовали сложных поправок. Поэтому он построил воздушный термометр постоянного объема. [35] Термометры постоянного объема не позволяют избежать проблемы аномального поведения, как у воды при температуре около 4 °C. [33]
Закон Планка очень точно количественно описывает спектральную плотность мощности электромагнитного излучения внутри полости с жесткими стенками в теле, сделанном из материала, который полностью непрозрачен и плохо отражает, когда он достиг термодинамического равновесия, как функцию только абсолютной термодинамической температуры. Достаточно маленькое отверстие в стенке полости испускает достаточно почти черное излучение, спектральная яркость которого может быть точно измерена. Стенки полости, при условии, что они полностью непрозрачны и плохо отражают, могут быть из любого материала безразлично. Это обеспечивает хорошо воспроизводимый абсолютный термометр в очень широком диапазоне температур, способный измерять абсолютную температуру тела внутри полости.
Термометр называется первичным или вторичным в зависимости от того, как измеряемая им физическая величина отображается на температуру. Как резюмируют Кауппинен и др., «Для первичных термометров измеряемое свойство вещества известно настолько хорошо, что температуру можно вычислить без каких-либо неизвестных величин. Примерами этого являются термометры, основанные на уравнении состояния газа, на скорости звука в газе, на тепловом шумовом напряжении или токе электрического резистора и на угловой анизотропии гамма - излучения определенных радиоактивных ядер в магнитном поле ». [36]
Напротив, «Вторичные термометры наиболее широко используются из-за их удобства. Кроме того, они часто гораздо более чувствительны, чем первичные. Для вторичных термометров знания измеряемого свойства недостаточно, чтобы позволить прямой расчет температуры. Их необходимо калибровать по первичному термометру по крайней мере при одной температуре или при ряде фиксированных температур. Такие фиксированные точки, например, тройные точки и сверхпроводящие переходы, происходят воспроизводимо при одной и той же температуре». [36]
Термометры можно калибровать либо сравнивая их с другими калиброванными термометрами, либо сверяя их с известными фиксированными точками на температурной шкале. Наиболее известными из этих фиксированных точек являются точки плавления и кипения чистой воды. (Обратите внимание, что точка кипения воды меняется в зависимости от давления, поэтому это необходимо контролировать.)
Традиционный способ нанесения шкалы на жидкостный стеклянный или жидкостно-металлический термометр состоял из трех этапов:
Другими фиксированными точками, используемыми в прошлом, являются температура тела (здорового взрослого мужчины), которая изначально использовалась Фаренгейтом в качестве верхней фиксированной точки (96 °F (35,6 °C) — число, делящееся на 12), и самая низкая температура, заданная смесью соли и льда, которая изначально определялась как 0 °F (−17,8 °C). [37] (Это пример охлаждающей смеси .) Поскольку температура тела меняется, шкала Фаренгейта позже была изменена, чтобы использовать верхнюю фиксированную точку кипения воды при 212 °F (100 °C). [38]
Теперь они были заменены определяющими точками в Международной температурной шкале 1990 года , хотя на практике точка плавления воды используется чаще, чем ее тройная точка, последняя сложнее в управлении и, таким образом, ограничена критическим стандартным измерением. В настоящее время производители часто используют термостатическую ванну или твердый блок, где температура поддерживается постоянной относительно калиброванного термометра. Другие термометры, которые необходимо откалибровать, помещают в ту же ванну или блок и дают им прийти в равновесие, затем отмечают шкалу или регистрируют любое отклонение от шкалы прибора. [39] Для многих современных устройств калибровка будет указывать некоторое значение, которое будет использоваться при обработке электронного сигнала для преобразования его в температуру.
Точность или разрешение термометра — это просто то, с какой долей градуса возможно сделать показание. Для высокотемпературных работ может быть возможно измерение только с точностью до 10 °C или более. Клинические термометры и многие электронные термометры обычно имеют точность до 0,1 °C. Специальные приборы могут давать показания с точностью до одной тысячной градуса. [ 40] Однако эта точность не означает, что показание является верным или точным, это означает лишь, что можно наблюдать очень небольшие изменения.
Термометр, откалиброванный по известной фиксированной точке, является точным (т.е. дает истинные показания) в этой точке. Изобретение технологии измерения температуры привело к созданию шкал температуры . [41] Между фиксированными точками калибровки используется интерполяция , обычно линейная. [39] Это может привести к значительным различиям между различными типами термометров в точках, удаленных от фиксированных точек. Например, расширение ртути в стеклянном термометре немного отличается от изменения сопротивления платинового термометра сопротивления, поэтому эти два показателя будут немного расходиться при температуре около 50 °C. [42] Могут быть и другие причины, связанные с несовершенствами прибора, например, в жидкостно-стеклянном термометре, если диаметр капиллярной трубки меняется. [42]
Для многих целей важна воспроизводимость. То есть, дает ли один и тот же термометр одинаковые показания для одной и той же температуры (или сменные или несколько термометров дают одинаковые показания)? Воспроизводимое измерение температуры означает, что сравнения действительны в научных экспериментах, а промышленные процессы последовательны. Таким образом, если один и тот же тип термометра откалиброван одинаковым образом, его показания будут действительными, даже если они немного неточны по сравнению с абсолютной шкалой.
Примером эталонного термометра, используемого для проверки других термометров на соответствие промышленным стандартам, может служить платиновый термометр сопротивления с цифровым дисплеем до 0,1 °C (его точность), который был откалиброван по 5 точкам в соответствии с национальными стандартами (−18, 0, 40, 70, 100 °C) и сертифицирован с точностью ±0,2 °C. [43]
Согласно Британским стандартам , правильно откалиброванные, используемые и обслуживаемые жидкостные стеклянные термометры могут достигать погрешности измерения ±0,01 °C в диапазоне от 0 до 100 °C и большей погрешности за пределами этого диапазона: ±0,05 °C до 200 или до −40 °C, ±0,2 °C до 450 или до −80 °C. [44]
Термометры используют ряд физических эффектов для измерения температуры. Датчики температуры используются в самых разных научных и инженерных приложениях, особенно в измерительных системах. Температурные системы в основном либо электрические, либо механические, иногда неотделимые от системы, которую они контролируют (как в случае ртутного стеклянного термометра). Термометры используются на дорогах в холодном климате, чтобы помочь определить, существуют ли условия обледенения. В помещениях термисторы используются в системах климат-контроля, таких как кондиционеры , морозильники, обогреватели , холодильники и водонагреватели . [56] Термометры Галилея используются для измерения температуры воздуха в помещениях из-за их ограниченного диапазона измерений.
Подобные жидкокристаллические термометры (в которых используются термохромные жидкие кристаллы) также используются в кольцах настроения и для измерения температуры воды в аквариумах.
Датчики температуры на основе волоконно-оптической решетки Брэгга используются на ядерных энергетических объектах для контроля температуры активной зоны реактора и предотвращения возможности расплавления ядерных реакторов . [57]
Нанотермометрия — это новая область исследований, занимающаяся изучением температуры в субмикрометровом масштабе. Обычные термометры не могут измерить температуру объекта, который меньше микрометра , и необходимо использовать новые методы и материалы. В таких случаях используется нанотермометрия. Нанотермометры классифицируются как люминесцентные термометры (если они используют свет для измерения температуры) и нелюминесцентные термометры (системы, в которых термометрические свойства не связаны напрямую с люминесценцией). [58]
Термометры, используемые специально для низких температур.
На протяжении всей истории использовались различные термометрические методы, такие как термометр Галилея и тепловизионная съемка. [45] Медицинские термометры , такие как ртутные стеклянные термометры, инфракрасные термометры, таблеточные термометры и жидкокристаллические термометры , используются в медицинских учреждениях для определения наличия у людей лихорадки или гипотермии .
Термометры важны для безопасности пищевых продуктов , поскольку пища при температуре от 41 до 135 °F (от 5 до 57 °C) может быть подвержена потенциально опасному росту бактерий через несколько часов, что может привести к пищевым заболеваниям . Это включает в себя мониторинг температур охлаждения и поддержание температуры в пище, подаваемой под инфракрасными лампами или ваннами с горячей водой. [56] Кулинарные термометры важны для определения того, правильно ли приготовлена пища. В частности, термометры для мяса используются для помощи в приготовлении мяса до безопасной внутренней температуры, предотвращая при этом пережаривание. Они обычно используются с использованием либо биметаллической катушки, либо термопары или термистора с цифровым показанием. Конфетные термометры используются для помощи в достижении определенного содержания воды в сахарном растворе на основе его температуры кипения.
Спиртовые термометры , инфракрасные термометры , ртутные стеклянные термометры, самопишущие термометры , термисторы и термометры Сикса (максимально-минимальный термометр) используются в метеорологии и климатологии на различных уровнях атмосферы и океанов. Самолеты используют термометры и гигрометры для определения наличия условий обледенения в атмосфере вдоль траектории полета . Эти измерения используются для инициализации моделей прогноза погоды . Термометры используются на дорогах в холодном климате для определения наличия условий обледенения и в помещениях в системах климат-контроля.
ртутные термометры были основой многих испытательных лабораторий. При правильном использовании и правильной калибровке некоторые типы ртутных термометров могут быть невероятно точными. Ртутные термометры можно использовать в диапазоне температур от -38 до 350 °C. Использование смеси ртути и таллия может продлить низкотемпературное использование ртутных термометров до -56 °C. (...) Тем не менее, было обнаружено, что немногие жидкости имитируют термометрические свойства ртути по повторяемости и точности измерения температуры . Хотя она может быть токсичной, когда дело доходит до LiG [жидкостных стеклянных] термометров, ртуть все еще трудно превзойти.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
