Датчики температуры. Часть первая. Немного теории и истории

Что такое температура

Прежде, чем начать рассказ о датчиках температуры, следует разобраться, что же такое температура с точки зрения физики . Почему организм человека чувствует изменение температуры, почему мы говорим, что вот сегодня тепло или просто жарко, а на другой день прохладно, или даже холодно.

Термин температура происходит от латинского слова temperatura, что в переводе означает нормальное состояние или надлежащее смещение. Как физическая величина температура характеризует внутреннюю энергию вещества, степень подвижности молекул, кинетическую энергию частиц, находящихся в состоянии термодинамического равновесия.

В качестве примера можно рассмотреть воздух, молекулы и атомы которого двигаются хаотично. Когда скорость перемещения этих частиц возрастает, то говорят, что температура воздуха высокая, воздух теплый или даже горячий. В холодный день, например, скорость движения частиц воздуха мала, что ощущается как приятная прохлада или даже «холод собачий». Следует обратить внимание на то, что скорость движения частиц воздуха никак не зависит от скорости ветра! Это совсем другая скорость.

Это то, что касается воздуха, в нем молекулы могут двигаться свободно, а как же обстоит дело в жидких и твердых телах? В них тепловое движение молекул также существует, хотя и в меньшей степени, чем в воздухе. Но его изменение вполне заметно, что обусловливает температуру жидкостей и твердых тел.

Молекулы продолжают движение даже при температуре таяния льда, равно как и при отрицательной температуре. Например, скорость движения молекулы водорода при нулевой температуре 1950 м/сек. Каждую секунду в 16 см^3 воздуха происходит тысяча миллиардов столкновений молекул. При увеличении температуры подвижность молекул возрастает, количество столкновений, соответственно, увеличивается.

Однако, следует заметить, что температура и тепло суть есть не одно и то же. Простой пример: обычная газовая плита на кухне имеет большие и маленькие горелки, в которых сжигается один и тот же газ. Температура сгорания газа одинакова, поэтому температура самих горелок также одна и та же. Но один и тот же объем воды, например чайник или ведро, быстрее вскипит на большой горелке, нежели на маленькой. Это происходит оттого, что большая горелка дает большее количество тепла, сжигая больше газа в единицу времени, или обладает большей мощностью.

Как же определить количество тепла, в каких единицах? В школьном курсе физики есть немало задач, посвященных нагреву и кипячению воды, которые весьма поучительны и интересны даже просто в процессе решения.

За единицу тепловой энергии принята калория . Это количество тепла, которое обеспечивает нагрев 1 грамма (см^3) воды на 1 С° (1 градус Цельсия). Температура физического тела в градусах отражает уровень его тепловой энергии. Для измерения температуры используются термометры , которые часто именуют градусниками .

Если два физических тела имеют одинаковую температуру, то при их соединении передачи тепла не происходит. Если одно из тел имеет температуру более высокую, то при соединении его с холодным телом, температура холодного увеличивается и наоборот. Проще всего в этом убедиться при смешивании жидкостей: в житейских условиях всем приходилось, хотя бы в бане, смешивать горячую и холодную воду для получения необходимой температуры.

Шкалы измерения температур

Как известно, существует несколько шкал измерения температур . Как это можно объяснить, ведь температура одна и та же, а по разным шкалам совсем разная?

Такие разногласия характерны не только для температуры. Ведь один и тот же вес в старину измеряли в пудах и фунтах, а теперь в граммах и килограммах, то же и с линейными размерами: миллиметры, метры, дюймы, футы и уж совсем старые сажени и локти.

Краткая история развития температурных шкал

Самый первый градусник был изобретен известным итальянским ученым средневековья Галилео Галилеем (1564-1642). В основе действия прибора лежало явление изменения объема газа при нагреве и охлаждении. У этого термометра отсутствовала точная шкала, выражающая температуру в численном виде, поэтому результат измерения был весьма неточным.

Более точные приборы для измерения температуры были предложены немецким физиком Габриэлем Фаренгейтом (1686-1736), который в 1709 году разработал спиртовой термометр , а в 1714 ртутный. Температурная шкала была названа по имени изобретателя шкалой Фаренгейта .

Нижней опорной точкой этой шкалы (0°F) была использована температура замерзания солевого раствора. Именно эта температура в то далекое время была самой низкой, которую можно было воспроизвести с достаточной точностью. Верхней же точкой являлась температура тела человека (96°F), «измеренная под мышкой здорового англичанина».

В то время Фаренгейт жил в Англии, и именно там совершал свои открытия. Поэтому в англоязычных странах долгое время применялась шкала Фаренгейта, в современное время страны английской культуры также перешли на шкалу Цельсия. Медицинские же термометры в этих странах до сих пор используют шкалу Фаренгейта.

Еще одну температурную шкалу в 1730 году предложил французский ученый Рене Реомюр (1683-1757), который в 1737 году был признан почетным членом Петербургской Академии Наук. Поэтому в России для измерения температуры стали пользоваться термометрами со шкалой Реомюра .

Так же, как и шкала Цельсия , эта шкала имела две опорных точки – температура таяния льда и температура кипения воды. Один градус такой шкалы получался делением всей шкалы на 80 частей – градусов. Эта шкала использовалась всего несколько десятков лет, после чего вышла из употребления.

В 1742 году шведский физик Андерс Цельсий (1701-1744) предложил знакомую всем десятичную шкалу температур. В ней использованы те же опорные точки, что и у Реомюра, только шкала разделена равномерно не на 80, а на 100 делений. Таким образом, один градус по шкале Цельсия это 1/100 разности температур кипения и замерзания воды.

Последняя температурная шкала была предложена англичанином Уильямом Томсоном (1824-1907), который за научные заслуги в 1866 получил титул барона Кельвина. Шкала Кельвина до настоящего времени используется как основной стандарт современной термометрии. В этой шкале за начало отсчета принят абсолютный нуль (−273.15 °C).

Абсолютная температура — температура, отсчитываемая от абсолютного нуля, равная температуре, отсчитанной по стоградусной шкале, +273,16°. При абсолютной температуре беспорядочное тепловое движение молекул прекращается. Абсолютную температуру принято выражать в градусах Кельвина. Нуль шкалы температур в градусах Кельвина соответствует -273,15 ° С

Согласно теории Кельвина при этой температуре прекращается любое тепловое движение. При этой температуре все проводники имеют нулевое сопротивление электрическому току, наступает явление сверхпроводимости . Такая температура еще никем и нигде не достигалась, она существует лишь теоретически.

Продолжение читайте в следующей статье.

Продолжение цикла статей:

— Датчики температуры. Терморезисторы

— Датчики температуры. Термопары

— Еще несколько видов термодатчиков: полупроводниковые датчики, датчики для микроконтроллеров

— Каким образом можно получить электроэнергию, использую обычный бытовой газ?