Термометр — это прибор, измеряющий температуру (степень тепла или холода объекта) или градиент температуры (скорость изменения температуры в пространстве). Термометр состоит из двух важных элементов: (1) датчика температуры (например, колбы ртутного стеклянного термометра или пирометрического датчика в инфракрасном термометре ), в котором при изменении температуры происходят некоторые изменения; и (2) некоторые средства преобразования этого изменения в числовое значение (например, видимая шкала, нанесенная на ртутном термометре, или цифровые показания на инфракрасной модели). Термометры широко используются в технике и промышленности для контроля процессов, в метеорологии , в медицине ( медицинский термометр ), в научных исследованиях.
Хотя отдельный термометр может измерять степень нагрева, 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 точного приближения к этому значению и основаны на фиксированных точках и интерполирующих термометрах. Последней официальной температурной шкалой является Международная температурная шкала 1990 года . Он простирается от 0,65 К (-272,5 ° C; -458,5 ° F) до примерно 1358 К (1085 ° C; 1985 ° F).
Скудные и противоречивые исторические записи не позволяют с уверенностью приписать изобретение термометра какому-либо отдельному человеку или дате. Кроме того, учитывая множество параллельных разработок в истории термометра и его многочисленные постепенные улучшения с течением времени, этот прибор лучше всего рассматривать не как отдельное изобретение, а как развивающуюся технологию .
Ранние пневматические устройства и идеи античности послужили вдохновением для изобретения термометра в период Возрождения.
В III веке до нашей эры Филон Византийский задокументировал свой эксперимент с трубкой, погруженной в контейнер с жидкостью на одном конце и соединенной с воздухонепроницаемой полой сферой на другом. Когда воздух в сфере нагревается свечой или подвергается воздействию солнца, расширяющийся воздух выходит из сферы и образует пузырьки в сосуде. Когда воздух в сфере охлаждается, создается частичный вакуум, втягивающий жидкость в трубку. Любые изменения в положении жидкости теперь будут указывать, становится ли воздух в сфере горячее или холоднее.
Переводы эксперимента Филона с древнегреческого оригинала были использованы Робертом Фладдом примерно в 1617 году и легли в основу его воздушного термометра. [2] : 15
В своей книге « Пневматика » Герой Александрийский (10–70 гг. н.э.) предлагает рецепт строительства «Фонтана, струящегося под действием солнечных лучей», более сложной версии пневматического эксперимента Филона, но работавшего по тому же принципу. нагрев и охлаждение воздуха для перемещения воды. [3] Переводы древнего труда «Пневматика» были представлены в Италии в конце 16 века и изучались многими, в том числе Галилео Галилеем , который прочитал его к 1594 году. [2] : 5
Римско-греческому врачу Галену приписывают введение двух концепций, важных для разработки шкалы температуры и, в конечном итоге, изобретения термометра. Во-первых, у него возникла идея, что теплота или холодность могут измеряться «градусами тепла и холода». Он также придумал фиксированную эталонную температуру — смесь равных количеств льда и кипящей воды с четырьмя градусами тепла выше этой точки и четырьмя градусами холода ниже. Врач 16-го века Иоганн Хаслер разработал шкалы температуры тела, основанные на градусной теории Галена, чтобы помочь ему приготовить необходимое количество лекарства для пациентов. [2] : 3
В конце 16 — начале 17 веков несколько европейских учёных, в частности Галилео Галилей [4] и итальянский физиолог Санторио Санторио [5] разработали устройства с наполненной 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 температуры. ближайшее окружение. Такие устройства, не имеющие шкалы для присвоения числового значения высоте жидкости, называются термоскопами, поскольку они обеспечивают наблюдаемую индикацию явного тепла (современное понятие температуры еще не возникло). [2]
Отличие термоскопа от термометра в том, что последний имеет шкалу. [6] [2] : 4
Термометр — это просто термоскоп со шкалой. ... Предлагаю считать аксиомой, что «метр» должен иметь шкалу или что-то равнозначное. ... Если это признать, проблема изобретения термометра станет более простой; история изобретения термоскопа остается столь же неясной, как и прежде.
- У. Э. Ноулз Миддлтон, История термометра и его использования в метеорологии.
Учитывая это, возможными изобретателями термометра обычно считают Галилея, Санторио, голландского изобретателя Корнелиса Дреббеля или британского математика Роберта Фладда . [2] : 5 Хотя Галилея часто называют изобретателем термометра, не сохранилось ни одного документа, подтверждающего, что он действительно создал какой-либо такой прибор.
Первую наглядную схему термоскопа опубликовал в 1617 году Джузеппе Бьянкани (1566–1624); [2] : 10 Первым, показывающим шкалу и, таким образом, представляющим собой термометр, был Санторио Санторио в 1625 году. [5] Это была вертикальная трубка, закрытая баллоном с воздухом сверху, с нижним концом, открывающимся в сосуд с воздухом. вода. Уровень воды в трубке контролировался расширением и сжатием воздуха, поэтому это было то, что мы сейчас называем воздушным термометром. [7]
Слово термометр (в его французской форме) впервые появилось в 1624 году в «Математическом отдыхе» Жана Лерешона , который описывает термометр со шкалой 8 градусов. [8] Это слово происходит от греческих слов θερμός, термос , что означает «горячий» и μέτρον, метрон , что означает «мера».
Вышеупомянутые приборы имели тот недостаток, что они были также барометрами , то есть чувствительными к давлению воздуха. В 1629 году Джозеф Соломон Дельмедиго , ученик Галилея и Санторио в Падуе, опубликовал, по-видимому, первое описание и иллюстрацию запечатанного жидкостного стеклянного термометра. Он описывается как имеющий колбу на дне запечатанной трубки, частично наполненной бренди. На трубке была пронумерованная шкала. Дельмедиго не утверждал, что изобрел этот инструмент. И при этом он не назвал кого-либо еще в качестве его изобретателя. [9] Примерно в 1654 году Фердинандо II Медичи, великий герцог Тосканы (1610–1670), действительно изготовил такой прибор, первый термометр современного типа, зависящий от расширения жидкости и не зависящий от давления воздуха. [8] Многие другие учёные экспериментировали с различными жидкостями и конструкциями термометров. Однако каждый изобретатель и каждый термометр были уникальны — стандартной шкалы не было .
Ранние попытки стандартизации добавляли единую точку отсчета, такую как температура замерзания воды. Говорят, что использование двух эталонов для градуировки термометра было введено Иоахимом Даленсом в 1668 году [10], хотя Христиан Гюйгенс (1629–1695) в 1665 году уже предложил использовать градуировку, основанную на температурах плавления и кипения воды. в качестве эталонов [11] , а в 1694 г. Карло Ренальдини (1615–1698) предложил использовать их в качестве фиксированных точек вселенской шкалы. В 1701 году Исаак Ньютон (1642–1726/27) предложил шкалу в 12 градусов между температурой плавления льда и температурой тела .
В 1714 году ученый и изобретатель Даниэль Габриэль Фаренгейт изобрел надежный термометр, используя ртуть вместо смеси спирта и воды . В 1724 году он предложил температурную шкалу , которая теперь (слегка скорректирована) носит его имя . В 1742 году Андерс Цельсий (1701–1744) предложил шкалу с нулем при температуре кипения и 100 градусами при температуре замерзания воды, [12] хотя в шкале, которая теперь носит его имя, все наоборот. [13] Французский энтомолог Рене Антуан Фершо де Реомюр в 1730 году изобрел спиртовой термометр и температурную шкалу , которые в конечном итоге оказались менее надежными, чем ртутный термометр Фаренгейта.
Первым врачом, применившим измерения термометра в клинической практике, был Герман Бурхааве (1668–1738). [14] В 1866 году сэр Томас Клиффорд Олбатт (1836–1925) изобрел клинический термометр , который измерял температуру тела за пять минут вместо двадцати. [15] В 1999 году доктор Франческо Помпеи из корпорации Exergen представил первый в мире термометр для височной артерии, неинвазивный датчик температуры , который сканирует лоб примерно за две секунды и обеспечивает точные с медицинской точки зрения температуру тела. [16] [17]
Все традиционные термометры были нерегистрирующими термометрами. То есть термометр не держал показания температуры после того, как его перенесли в место с другой температурой. Для определения температуры кастрюли с горячей жидкостью пользователь должен был оставлять термометр в горячей жидкости до тех пор, пока не снимет показания. Если бы нерегистрирующий термометр вынуть из горячей жидкости, то температура, указанная на термометре, сразу же начала бы меняться, отражая температуру ее новых условий (в данном случае — температуру воздуха). Регистрирующие термометры предназначены для удержания температуры неограниченное время, чтобы термометр можно было снять и снять показания позже или в более удобном месте. Механические регистрирующие термометры удерживают либо самую высокую, либо самую низкую зарегистрированную температуру до тех пор, пока она не будет повторно установлена вручную, например, путем встряхивания ртутного стеклянного термометра, или до тех пор, 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 присутствовала в определенный момент времени.
В термометрах все чаще используются электронные средства для обеспечения цифрового отображения или ввода данных в компьютер.
Термометры можно охарактеризовать как эмпирические или абсолютные. Абсолютные термометры калибруются численно по термодинамической шкале абсолютных температур. Эмпирические термометры, как правило, не обязательно находятся в точном согласии с абсолютными термометрами в отношении показаний их числовой шкалы, но для того, чтобы вообще считаться термометрами, они должны согласовываться с абсолютными термометрами и друг с другом следующим образом: если любые два тела изолированы в своих отдельных В соответствующих состояниях термодинамического равновесия все термометры сходятся во мнении относительно того, какой из двух термометров имеет более высокую температуру или что они имеют одинаковые температуры. [18] Для любых двух эмпирических термометров это не требует, чтобы соотношение между показаниями их числовых шкал было линейным, но требует, чтобы это соотношение было строго монотонным . [19] Это фундаментальный признак температуры и термометров. [20] [21] [22]
Как принято говорить в учебниках, так называемый « нулевой закон термодинамики » не может дать этой информации, но формулировка нулевого закона термодинамики Джеймсом Серрином в 1977 году, хотя и довольно математически абстрактна, но более информативна. для термометрии: «Нулевой закон: существует топологическая линия , которая служит координатным многообразием поведения материала. Точки многообразия называются «уровнями температуры» и называются «универсальным многообразием температуры». [23] К этой информации нужно добавить ощущение большей горячности; этот смысл можно получить, независимо от калориметрии , термодинамики и свойств конкретных материалов, из закона смещения Вина теплового излучения : температура ванны теплового излучения пропорциональна универсальной постоянной частоте максимума. его частотного спектра ; эта частота всегда положительна, но может иметь значения, стремящиеся к нулю . Другой способ идентифицировать более горячие условия в отличие от более холодных дает принцип Планка , согласно которому, когда процесс изохорно-адиабатической работы является единственным средством изменения внутренней энергии замкнутой системы, конечное состояние системы никогда не бывает холоднее начального. состояние; за исключением фазовых переходов со скрытой теплотой, оно горячее исходного состояния. [24] [25] [26]
Существует несколько принципов, на которых построены эмпирические термометры, которые перечислены в разделе этой статьи, озаглавленном «Первичные и вторичные термометры». Некоторые из таких принципов по существу основаны на определяющей зависимости между состоянием соответствующим образом выбранного конкретного материала и его температурой. Для этой цели подходят лишь некоторые материалы, и их можно рассматривать как «термометрические материалы». Радиометрическая термометрия, напротив, может лишь незначительно зависеть от конститутивных отношений материалов. В некотором смысле радиометрическую термометрию можно считать «универсальной». Это связано с тем, что оно основано главным образом на универсальном характере термодинамического равновесия и обладает универсальным свойством производить излучение абсолютно черного тела .
Существуют различные виды эмпирических термометров, основанные на свойствах материалов.
Многие эмпирические термометры полагаются на определяющее соотношение между давлением, объемом и температурой их термометрического материала. Например, ртуть при нагревании расширяется.
Если его использовать для определения связи между давлением, объемом и температурой, термометрический материал должен обладать тремя свойствами:
(1) Его нагрев и охлаждение должны быть быстрыми. То есть, когда некоторое количество тепла входит или покидает тело материала, материал должен расширяться или сжиматься до своего конечного объема или достигать своего конечного давления и должен достигать своей конечной температуры практически без задержки; Можно считать, что часть поступающего тепла изменяет объем тела при постоянной температуре и называется скрытой теплотой расширения при постоянной температуре ; а остальную часть можно считать изменением температуры тела при постоянном объеме, и это называется удельной теплоемкостью при постоянном объеме . Некоторые материалы не обладают этим свойством, и для распределения тепла между изменением температуры и объема требуется некоторое время. [27]
(2) Его нагрев и охлаждение должны быть обратимыми. Другими словами, материал должен иметь возможность нагреваться и охлаждаться бесконечно часто с одним и тем же приращением и уменьшением тепла, и при этом каждый раз возвращаться к исходному давлению, объему и температуре. Некоторые пластмассы 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 для работы,
При температуре 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 термометрии такого типа в диапазоне температур около 4 ° C. [21] [30] [31] [32] [33]
С другой стороны, все газы обладают свойствами (1), (2) и (3)(a)(α) и (3)(b)(α). Следовательно, они являются подходящими термометрическими материалами и поэтому сыграли важную роль в развитии термометрии. [34]
По словам Престона (1894/1904), Реньо счел воздушные термометры постоянного давления неудовлетворительными, поскольку они нуждались в трудной корректировке. Поэтому он построил воздушный термометр постоянного объема. [35] Термометры постоянного объема не позволяют избежать проблемы аномального поведения, например, у воды при температуре примерно 4 °C. [33]
Закон Планка очень точно количественно описывает спектральную плотность мощности электромагнитного излучения внутри полости с твердыми стенками в теле, сделанном из полностью непрозрачного и плохо отражающего материала, когда он достиг термодинамического равновесия, как функцию только абсолютной термодинамической температуры. Достаточно маленькое отверстие в стенке полости излучает достаточное количество излучения абсолютно черного тела, спектральное излучение которого можно точно измерить. Стенки полости, при условии, что они полностью непрозрачны и плохо отражают свет, могут быть из любого материала. 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 сопоставляется с температурой. Как резюмировали Кауппинен и др.: «Для первичных термометров измеряемые свойства вещества известны настолько хорошо, что температуру можно рассчитать без каких-либо неизвестных величин. Примерами таких термометров являются термометры, основанные на уравнении состояния газа, на скорости звука в газе, от теплового шума напряжения или тока электрического резистора и от угловой анизотропии гамма- излучения некоторых 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 знание измеряемого свойства недостаточно для прямого расчета температуры. Их необходимо калибровать. против первичного термометра, по крайней мере, при одной температуре или при нескольких фиксированных температурах. Такие фиксированные точки, например, тройные точки и сверхпроводящие переходы, возникают воспроизводимо при одной и той же температуре». [36]
Термометры можно калибровать либо путем сравнения их с другими калиброванными термометрами, либо путем сверки их с известными фиксированными точками на шкале температур. Наиболее известными из этих фиксированных точек являются температуры плавления и кипения чистой воды. (Обратите внимание, что температура кипения воды зависит от давления, поэтому ее необходимо контролировать.)
Традиционный способ нанесения шкалы на жидкостный стеклянный или жидкостный термометр состоял из трех этапов:
Другими фиксированными точками, использовавшимися в прошлом, являются температура тела (здорового взрослого мужчины), которая первоначально использовалась Фаренгейтом в качестве верхней фиксированной точки (96 ° F (35,6 ° C) — число, делящееся на 12) и самая низкая температура. дается смесью соли и льда, что первоначально было определением 0 ° F (-17,8 ° C). [37] (Это пример охлаждающей смеси .) Поскольку температура тела варьируется, шкала Фаренгейта позже была изменена, чтобы использовать верхнюю фиксированную точку кипения воды при температуре 212 ° F (100 ° C). [38]
Теперь они были заменены определяющими точками Международной температурной шкалы 1990 года , хотя на практике чаще используется точка плавления воды, чем ее тройная точка, причем с последней труднее управлять, и поэтому она ограничивается критически важными стандартными измерениями. В настоящее время производители часто используют термостатическую ванну или твердый блок, в которых температура поддерживается постоянной по сравнению с калиброванным термометром. Другие термометры, подлежащие калибровке, помещают в ту же ванну или блок и дают им прийти в равновесие, затем маркируют шкалу или записывают 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 , до какой доли градуса можно получить показания. При работе при высоких температурах возможно измерение только с точностью до 10 °C или более. Клинические термометры и многие электронные термометры обычно имеют погрешность до 0,1 °C. Специальные приборы могут давать показания с точностью до одной тысячной градуса. [40] Однако такая точность не означает, что показания верны или точны, это означает лишь то, что можно наблюдать очень небольшие изменения.
Термометр, откалиброванный по известной фиксированной точке, является точным (т.е. дает истинные показания) в этой точке. Изобретение техники измерения температуры привело к созданию температурных шкал . [41] Между фиксированными точками калибровки используется интерполяция , обычно линейная. [39] Это может привести к значительным различиям между термометрами разных типов в точках, удаленных от фиксированных точек. Например, расширение ртути в стеклянном термометре немного отличается от изменения сопротивления платинового термометра сопротивления, поэтому эти два значения немного расходятся при температуре около 50 ° C. [42] Могут быть и другие причины, связанные с несовершенством прибора, например, в стеклянном жидкостном термометре, если диаметр капиллярной трубки различается. [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 термометры или несколько термометров дают одинаковые показания)? Воспроизводимое измерение температуры означает, что сравнения действительны в научных экспериментах, а промышленные процессы последовательны. Таким образом, если термометр одного и того же типа откалиброван таким же образом, его показания будут действительными, даже если они будут немного неточными по сравнению с абсолютной шкалой.
Примером эталонного термометра, используемого для проверки других промышленных стандартов, может служить платиновый термометр сопротивления с цифровым дисплеем с точностью 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 термометры могут достигать погрешности измерения ±0,01 °C в диапазоне от 0 до 100 °C и большей погрешности за пределами этого диапазона: от ±0,05 °C до 200 или до –40 °С, ±0,2 °С до 450 или до –80 °С. [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 бывают электрическими или механическими, иногда неотделимыми от системы, которой они управляют (как в случае со стеклянным ртутным термометром). Термометры используются на дорогах в холодном климате, чтобы определить наличие обледенения. В помещении термисторы используются в системах климат-контроля, таких как кондиционеры , морозильники, обогреватели , холодильники и водонагреватели . [56] Термометры Galileo используются для измерения температуры воздуха в помещении из-за их ограниченного диапазона измерения.
Такие жидкокристаллические термометры (в которых используются термохромные жидкие кристаллы) также используются в кольцах настроения и для измерения температуры воды в аквариумах.
Датчики температуры с волоконными брэгговскими решетками используются на атомных энергетических установках для контроля температуры активной зоны реактора и предотвращения возможности ядерного расплавления . [57]
Нанотермометрия — это новая область исследований, занимающаяся изучением температуры в субмикрометрическом масштабе. Обычные термометры не могут измерить температуру объекта размером менее микрометра , поэтому необходимо использовать новые методы и материалы. В таких случаях используется нанотермометрия. Нанотермометры подразделяются на люминесцентные термометры (если они используют свет для измерения температуры) и нелюминесцентные термометры (системы, термометрические свойства которых не связаны напрямую с люминесценцией). [58]
Термометры, используемые специально для низких температур.
На протяжении всей истории использовались различные термометрические методы, такие как термометр Галилея для тепловидения. [45] Медицинские термометры , такие как стеклянные ртутные термометры, инфракрасные термометры, таблетированные термометры и жидкокристаллические термометры, используются в медицинских учреждениях для определения наличия у людей лихорадки или гипотермии .
Термометры играют важную роль в обеспечении безопасности пищевых продуктов , поскольку продукты питания при температуре от 41 до 135 °F (от 5 до 57 °C) могут быть подвержены потенциально опасному уровню роста бактерий через несколько часов, что может привести к болезням пищевого происхождения . Это включает в себя мониторинг температуры охлаждения и поддержание температуры пищевых продуктов, подаваемых под нагревательными лампами или ваннами с горячей водой. [56] Кулинарные термометры важны для определения правильности приготовления пищи. В частности, термометры для мяса используются для помощи в приготовлении мяса до безопасной внутренней температуры, предотвращая при этом переваривание. Обычно в них используется биметаллическая катушка, термопара или термистор с цифровым индикатором. Конфетные термометры используются для определения определенного содержания воды в растворе сахара в зависимости от температуры его кипения.
Спиртовые термометры , инфракрасные термометры , стеклянные ртутные термометры, записывающие термометры , термисторы и термометры Сикса (термометр максимум-минимум) применяются в метеорологии и климатологии на различных уровнях атмосферы и океанов. Самолеты используют термометры и гигрометры для определения наличия атмосферного обледенения на траектории полета . Эти измерения используются для инициализации моделей прогноза погоды . Термометры используются на дорогах в холодном климате, чтобы определить наличие обледенения, а также внутри помещений в системах климат-контроля.
На протяжении десятилетий 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 при температурах от -38 до 350°C. Использование ртутно- таллиевой смеси позволяет расширить низкотемпературную применимость ртутных термометров до -56°С. (...) Тем не менее, было обнаружено лишь несколько жидкостей, имитирующих термометрические свойства ртути по повторяемости и точности измерения температуры . Какой бы токсичной она ни была, когда дело касается LiG [жидкости в стекле] термометров, ртуть по-прежнему трудно превзойти.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
