Понятие температуры, история изобретения и виды термометров, термоскоп Галилея

Понятие температуры вводится для характеристики различной степени нагретости тел. Представление о температуре, как и представление о силе, вошло в науку через посредство наших чувственных восприятий. Наши ощущения позволяют различать качественные градации нагретости: теплый, холодный, горячий и пр.

Все испытывали неприятное ощущение холода при медленном вхождении в холодную воду во время купания, быстро исчезающее и сменяющееся чувством бодрости и удовольствия после того, как в результате полного погружения в воду тело купающегося немного охладится. Чувственная оценка температуры сильно зависит от теплопроводности тела.

Чувственная оценка температуры применима только в весьма узком температурном интервале. Она не годится в случае очень горячих и очень холодных тел. Ничего хорошего не получится при попытке определить на ощупь степень нагретости расплавленного железа или жидкого воздуха.

Температура – это мера относительного нагрева тела по сравнению с другими телами. Мы неосознанно делаем сравнения с температурой нашего тела, или с температурой воздуха, или с точками кипения или замерзания воды.

Первый термометр

Нет более красивого способа измерить температуру, чем термометр Галилея. Хотя это не самый точный прибор, он, безусловно, один из самых привлекательных. Этот прибор основан на термоскопе, изобретенном Галилео Галилеем.

В отличие от обычного стеклянного ртутного термометра, который представляет собой узкую колбу, сделанную из ртути, которая расширяется и сжимается, термометр Галилея намного сложнее.

Он состоит из нескольких стеклянных сфер, каждая из которых заполнена цветной жидкой смесью, которая часто содержит спирт, но может быть даже просто водой с добавлением пищевого красителя. Эти плавающие шары тонут или плавают в окружающей воде.

Ассортимент термометров (термоскопов) Галилея различных размеров, чем больше размер, тем точнее инструмент

Современная наука считает Галилео Галилея основоположником термодинамики, а также первым человеком, изобретшим термометр. Непосредственно, в его сочинениях нет ни одного упоминания о технологии создания термометра, но ученики Галилея, Нелли и Вивиани, подтвердили то, что в 1597 году Галилей создал прибор, подобный термобароскопу (термоскопу).

Целью Галилея было придумать такое устройство, которое позволяло бы измерять степени тепла. Во время создания он вдохновился идеями Герона Александрийского, который в своих работах описал похожую технологию для поднятия уровня воды путем нагрева. В те времена термоскопом называлась следующая конструкция: маленький шарик из стекла, припаянный к стеклянной трубке.

Принцип его действия достаточно прост. Сначала шарик нагревали на несколько градусов, а конец трубки погружали в емкость, наполненную водой. По истечении некоторого времени, давление в шарике уменьшалось, а вода в трубке меняла свою высоту из-за атмосферного давления. Затем, когда температура повышалась, давление в шарике вырастало, а уровень воды в трубке уменьшался.

У созданного термоскопа было несколько отрицательных сторон:

1. Во-первых, он не позволял измерить точную температуру, так как на приборе не имелось никаких шкал.

2. Во-вторых, нужно было учитывать атмосферное давление, которое действовало на уровень воды в трубке, и только 60 лет спустя, в небольшом итальянском городке Флоренции, который славится выдающимися личностями, ученые смогли модернизировать термоскоп.

Из бусинок изготовили шкалу, способную показывать температуру, и создали в шарике и трубке безвоздушное пространство, путем простой откачки воздуха. Такие новшества позволили измерить разность температур различных тел.

На этом усовершенствование модели термоскопа не закончилось. Спустя несколько лет шарик опустили вниз прибора, воду заменили этиловым спиртом (так как, при температуре ниже нуля, емкость лопалась), а сам сосуд отсоединили. Такой прибор уже работал по принципу «расширения мер», наиболее высокие и низкие показатели температур (в летний и зимний период, соответственно) брали за точки постоянства.

Интересен тот факт, что создателями первого термометра могли оказаться такие гении мысли, как: Фрэнсис Бэкон, Роберт Фладд или Саломон де Каус. Последний, известен тем, что лично знал Галилея и находился с ним в приятельских отношениях. Придуманные ими термометры были воздушными, а значит, показания термометра зависели от температуры и атмосферного давления.

Коллекция стеклянных ртутных термометров

Температура, как физическая величина

Температура принадлежит к таким физическим величинам, которые не поддаются непосредственному измерению. Поэтому для измерения ее всегда преобразуют в какую-либо другую измеряемую физическую величину.

С этой целью (в зависимости от диапазона измеряемых температур и условий измерения) используют то или иное термометрическое свойство тел, т. е. зависимость от температуры соответствующим образом выбранной физической характеристики тела.

Чаще всего температуру преобразуют в какую-либо электрическую величину. Термоприемник, осуществляющий преобразование температуры в другую физическую величину, иногда называют преобразователем.

Используемые для измерения высоких температур термометрические свойства тел весьма разнообразны. Этому обстоятельству способствует то, что при изменении температуры меняются многие физические свойства тел, что дает широкую возможность выбора термометрических свойств, удобных для использования в определенных условиях. В зависимости от выбранного термометрического свойства используют тот или иной метод измерения высоких температур.

Самые известные температурные шкалы: Фаренгейта, Реомюра, Цельсия, Кельвина.

Абсолютная термодинамическая шкала (шкала Кельвина) является основной температурной шкалой в физике.

До революции 1917 г. в России была принята шкала Реомюра, поэтому термометры Реомюра использовались повсеместно. И лишь в начале 30-х годов прошлого века они были вытеснены термометрами Цельсия.

До середины прошлого века шкала Фаренгейта широко использовалась в англоязычных странах в промышленности, медицине, метеорологии и др. Приоритетной шкала Фаренгейта по-прежнему остается в США.

История развития температурных шкал была ранее описана в статье Бориса Аладышкина — Датчики температуры

Термометры Фаренгейта и Цельсия

Ковертер температур в Excel

Простой конвертер температур (Шкалы Цельсия, Реомюра, Кельвина, Фаренгейта, Ренкина) перевод из одной шкалы в другую.

Скачать конвертер температур ( zip , xls)

Виды термометров

Термометр — прибор, предназначенный для измерения температур.

Сегодня различают следующие виды термометров:

1. Жидкостные

Принцип их действия состоит в том, что при повышении температуры, изменяется объем налитой в емкость термометра жидкости (спирта или ртути). Ртутные термометры способны измерять температуру от -30°С до +500°С, а спиртовые от -130°С до +60°С. Однако, сейчас действует запрет на использование ртути в бытовых условиях, поэтому ученые активно занимаются разработкой новых жидкостей для наполнения таких термометров.

2. Механические

Основа действия таких термометров — это явление теплового расширения тел. Такие термометры бывают дилатометрическими и биметаллическими.

3. Электрические

Такие термометры сокращают время на измерение температуры, а их принцип действия — изменение сопротивления проводника при повышении или понижении окружающей температуры.

4. Оптические (пирометры)

Их работа основывается на изменении параметров тела при повышении или понижении температуры. Используют такие термометры в жарких местах.

5. Инфракрасные

Такие термометры измеряют излучение тепла объекта. Такие термометры безопасны в использовании, имеют очень низкую погрешность измерения, температура ими измеряется за доли секунды, и что самое главное – они позволяют собирать данные сразу с нескольких объектов одновременно.

В электрической группе в качестве термометров чаще всего используются:

• термометры сопротивления (измерение электрического сопротивления) ;

• термопары (термоэлектрический эффект ).

В литературе можно найти подробную классификацию методов и приборов для измерения температур по принципу действия, а также по структурному и функциональному признакам, и классификацию контактных методов и приборов для измерения высоких температур.

Задачи пирометрии

Свое наименование пирометрия получила от греческого слова «Пиро» — огонь. По установившимся современным представлениям под пирометрией понимают область измерительной техники, задачей которой является разработка и внедрение в различные области науки и промышленности методов и приборов для измерения высоких температур.

Область температур, охватываемая понятием «высокие», не имеет четко фиксированных границ. По-видимому, установление таких границ является в значительной степени условным, и в то время как одни авторы считают высокими температуры, превышающие 100° С, другие рассматривают область высоких температур выше 1000° С.

Ввиду невозможности указать какие-либо принципы установления нижней границы этой области, будем оперировать понятием «высокие температуры» в наиболее привычном для заводской практики смысле и считать высокими все значения температур, превышающие 300° С.

Часто к области высоких температур относят примыкающую к ним область «повышенных температур», которую будем условно считать распространяющейся от комнатных температур (примерно 20°С) до 300° С.

Наука начинается там, где начинаются измерения.

Д. И. Менделеев

Одна из задач пирометрии — создание такого арсенала методов и приборов для измерения высоких температур, которые в своей совокупности смогли бы охватить все разнообразие объектов, условий и режимов измерения.

Вторая задача пирометрии — обеспечение единства измерений высоких температур различными приборами и методами. Только при единстве измерений можно добиться, чтобы разные методы измерения, применяемые на одних и тех же объектах и в тех же условиях, давали одинаковые (в пределах точности методов измерения) числовые значения измеряемых величин температур.

Наконец, третья задача пирометрии — изучение источников погрешностей измерения различными методами на разных объектах и в разных условиях их применения. Сложность и разнообразие условий, в которых осуществляют измерение, часто делает решение этой задачи настолько трудным, что оно становится предметом специальных, широко поставленных исследований.

Таким образом, в широком смысле слова, задача пирометрии состоит не только в изучении методов и приборов для измерения высоких температур, но и в изучении условий их применения с целью оценки и снижения погрешностей измерения, определения достоверности результатов измерений и повышения этой достоверности.

Измерения температуры в промышленности

В настоящее время во многих отраслях промышленности применение высоких температур является неотъемлемой частью технологического процесса и качество продукции в большой степени определяется надежностью результатов измерений или регулирования температур.

Аналогичное положение наблюдается во многих областях научных исследований, где надежность результатов измерений высоких температур — один из факторов, определяющих успех исследований.

Чрезвычайное разнообразие объектов исследования, условий измерения температур в этих объектах, различие требований к диапазону и точности измерения высоких температур — все это исключает возможность создания универсальных методов и приборов.

Важнейшими задачами современного приборостроения и современной измерительной техники являются разработка надежных методов измерения температуры применительно к различным производствам.

Термопары на производстве

Термоэлектрические термометры раньше других термоэлектрических устройств получили промышленное внедрение. Известный французский физик А. Ле-Шателье создал термопару, одна ветвь которой изготавливалась из платины, вторая из платинородиевого сплава. Эти тугоплавкие материалы позволяли использовать термопару для измерения высоких (до 150 ^о C) температур.

Термопара Ле-Шателье считалась лучшим термоэлектрическим термометром, на ее основе была разработана промышленная технология изготовления термопар, и в конце XIX века несколько германских фирм специализировались на выпуске термоэлектрических приборов для измерения температур.

В стандартной термопаре Ле-Шателье одна из проволочных ветвей помещалась в капиллярную фарфоровую трубку, которая вместе с другой ветвью монтировалась в фарфоровый цилиндрический корпус. В комплект устройства входил один из наиболее точных приборов того времени — гальванометр д’Арсонваля.

Термография

Инфракрасная термография – это наука использования электронно-оптических устройств для регистрации и измерения излучения и сопоставления его с температурой поверхностей

Тепловое излучение – это передача тепла посредством электромагнитных волн. Основное отличие между различными волнами их длина.

Все объекты, обследуемые с помощью тепловизора, испускают энергию в инфракрасной области спектра. По мере того, как объект нагревается, он испускает больше энергии. Очень горячие объекты испускают достаточно энергии, чтобы ее можно было увидеть человеческим глазом.

Тепловизоры чаще всего используются для проверки состояния электрических систем, поскольку они позволяют проводить обследование быстро и без непосредственного контакта.

Тепловизионное обследование высоковольтного электрооборудования должно производиться с безопасного расстояния.

Подробнее про бесконтактные термометры:

Как устроены и работают бесконтактные термометры

Seek Thermal Compact — тепловизор для смартфона

Обследование оборудования с помощью тепловизора

Измерение температуры с помощью Ардуино:

Способы измерения температуры и влажности на Ардуино

Цикл статей про датчики температуры:

Терморезисторы

Термопары

Еще несколько видов термодатчиков: полупроводниковые датчики, датчики для микроконтроллеров

Промышленные датчики температуры

Какой датчик температуры лучше, критерии выбра датчика