Измерение температуры (также известное как термометрия ) описывает процесс измерения текущей температуры для немедленной или последующей оценки. Наборы данных, состоящие из повторяющихся стандартизированных измерений, можно использовать для оценки температурных трендов.
Попытки стандартизировать измерение температуры до 17 века были в лучшем случае грубыми. Например, в 170 году нашей эры врач Клавдий Гален [1] : 18 смешал равные порции льда и кипятка , чтобы создать «нейтральный» температурный стандарт. Современная научная область берет свое начало в работах флорентийских ученых 1600-х годов, в том числе в работах Галилея, создавших устройства, способные измерять относительное изменение температуры, но также подверженные изменениям атмосферного давления. Эти ранние устройства назывались термоскопами . Первый запечатанный термометр был сконструирован в 1654 году великим герцогом Тосканы Фердинандом II . [1] : 19 Разработка сегодняшних термометров и температурных шкал началась в начале 18 века, когда Габриэль Фаренгейт изготовил ртутный термометр и шкалу, разработанные Оле Кристенсеном Рёмером . Шкала Фаренгейта до сих пор используется наряду со шкалами Цельсия и Кельвина .
Для измерения температуры было разработано множество методов. Большинство из них основаны на измерении некоторых физических свойств рабочего материала, которые изменяются в зависимости от температуры. Одним из наиболее распространенных приборов для измерения температуры является стеклянный термометр . Он состоит из стеклянной трубки, наполненной ртутью или какой-либо другой жидкостью, которая действует как рабочее тело. Повышение температуры приводит к расширению жидкости, поэтому температуру можно определить путем измерения объема жидкости. Такие термометры обычно калибруются так, чтобы можно было определить температуру, просто наблюдая за уровнем жидкости в термометре. Другой тип термометра, который на практике мало используется, но важен с теоретической точки зрения, — это газовый термометр .
Другие важные устройства для измерения температуры включают в себя:
При измерении температуры необходимо соблюдать осторожность, чтобы убедиться, что измерительный прибор (термометр, термопара и т. д.) действительно имеет ту же температуру, что и измеряемый материал. При некоторых условиях тепло от измерительного прибора может вызвать температурный градиент, поэтому измеренная температура будет отличаться от фактической температуры системы. В таком случае измеренная температура будет зависеть не только от температуры системы, но и от свойств теплопередачи системы.
Тепловой комфорт, который испытывают люди, животные и растения, связан не только с температурой, показываемой на стеклянном термометре. Уровни относительной влажности окружающего воздуха могут вызывать большее или меньшее испарительное охлаждение. Измерение температуры по влажному термометру нормализует этот эффект влажности. Средняя температура излучения также может влиять на тепловой комфорт. Фактор охлаждения ветром делает погоду в ветреную погоду более холодной, чем в штиль, хотя стеклянный термометр показывает ту же температуру. Воздушный поток увеличивает скорость передачи тепла от тела или к телу, что приводит к большему изменению температуры тела при той же температуре окружающей среды.
Теоретической основой термометров является нулевой закон термодинамики , который постулирует, что если у вас есть три тела: A, B и C, то если A и B имеют одинаковую температуру, а B и C имеют одинаковую температуру, то A и C имеют одинаковую температуру. при той же температуре. Б, конечно же, термометр.
Практической основой термометрии является существование ячеек тройной точки . Тройные точки — это условия давления, объема и температуры, при которых одновременно присутствуют три фазы , например твердая, паровая и жидкая. Для одного компонента в тройной точке нет степеней свободы, и любое изменение трех переменных приводит к исчезновению одной или нескольких фаз из ячейки. Следовательно, ячейки тройной точки можно использовать в качестве универсальных эталонов для температуры и давления (см. Правило фаз Гиббса ).
При некоторых условиях становится возможным измерить температуру, напрямую используя закон Планка об излучении черного тела . Например, фоновая температура космического микроволнового излучения была измерена на основе спектра фотонов , наблюдаемых с помощью спутниковых наблюдений, таких как WMAP . При изучении кварк-глюонной плазмы посредством столкновений тяжелых ионов спектры одиночных частиц иногда служат термометром.
За последние десятилетия было разработано множество термометрических методов. Наиболее перспективные и распространенные неинвазивные термометрические методы в биотехнологическом контексте основаны на анализе магнитно-резонансных изображений, изображений компьютерной томографии и эхотомографии. Эти методы позволяют контролировать температуру внутри тканей без введения чувствительного элемента. [2] В области реактивных потоков (например, горения, плазмы) лазерно-индуцированная флуоресценция (LIF), CARS и лазерная абсорбционная спектроскопия использовались для измерения температуры внутри двигателей, газовых турбин, ударных труб, реакторов синтеза [2] . 3] и т. д. Возможности таких оптических методов включают быстрое измерение (вплоть до наносекундных временных масштабов), несмотря на возможность не возмущать объект измерения (например, пламя, ударно-нагретые газы).
Температура атмосферы — это мера температуры на разных уровнях атмосферы Земли . На это влияет множество факторов, включая поступающую солнечную радиацию , влажность и высоту над уровнем моря . Говоря о температуре приземного воздуха , годовой диапазон атмосферной температуры в любом географическом месте во многом зависит от типа биома , согласно климатической классификации Кеппена . [7] Аббревиатура MAAT часто используется для обозначения среднегодовой температуры воздуха в определенном географическом месте.
Американское общество инженеров-механиков (ASME) разработало два отдельных стандарта по измерению температуры: B40.200 и PTC 19.3. B40.200 содержит рекомендации для термометров с биметаллическим приводом, заполненной системы и жидкостно-стеклянных термометров. В нем также приводятся рекомендации по использованию защитных гильз . PTC 19.3 содержит рекомендации по измерению температуры, связанные с кодами испытаний производительности, с особым упором на основные источники ошибок измерения и методы борьбы с ними.
Спутниковые измерения температуры представляют собой выводы о температуре атмосферы на различных высотах, а также о температуре моря и поверхности суши, полученные на основе радиометрических измерений с помощью спутников . Эти измерения можно использовать для определения местоположения погодных фронтов , мониторинга Эль-Ниньо и Южного колебания , определения силы тропических циклонов , изучения городских островов тепла и мониторинга глобального климата. Лесные пожары , вулканы и промышленные горячие точки также можно обнаружить с помощью тепловидения с метеорологических спутников.
Метеорологические спутники не измеряют температуру напрямую. Они измеряют яркость в различных диапазонах длин волн . С 1978 года устройства микроволнового зондирования (MSU) на полярно-орбитальных спутниках Национального управления океанических и атмосферных исследований измеряют интенсивность восходящего микроволнового излучения атмосферного кислорода , которое связано с температурой широких вертикальных слоев атмосферы. Измерения инфракрасного излучения, относящиеся к температуре поверхности моря, собираются с 1967 года.
Наборы спутниковых данных показывают, что за последние четыре десятилетия тропосфера потеплела, а стратосфера остыла. Обе эти тенденции согласуются с влиянием возрастающих концентраций парниковых газов в атмосфере .
[Мы] исследуем наиболее распространенные методы мониторинга температуры и представляем процедуры для повышения их точности.