Термометрията е отговорна за измерването на температурата в различни системи и е дисциплина от доста емпирични начала, тъй като от времето на Хипократ в областта на медицината е имало осъзнаване на температурата на телата, чрез допир и според възприеманото усещане е класифицирано като "сладка топлина" или "изгаряща треска". Въпреки това, едва след разработването на термометъра от Галилео Галилей, години по-късно, когато тази област на изследване напуска емпиричните води, се възприема научна роля.
Всички знаем термометъра като инструмент за измерване на температурата на тялото и на околната среда, но Как работи? Откъде идват термометричните везни? Но преди да отговорим на тези въпроси, е важно да изясним концепцията за променливата, която измерваме, в случая температурата.
Температурата, основната единица на термометричната скала
Когато назовавате думата температура, вероятно сте се замислили за количеството топлина, но първото нещо, което трябва да имате предвид, е това топлината не е същото като температурата, въпреки че разбира се, и двете променливи са тясно свързани помежду си.
Топлината е количеството енергия, чийто трансфер е свързан с температурен градиент между две системи, което означава, че температурата е променлива, която определя топлината, но не е самата топлина. Температурата е свързана с кинетичната енергия, която определя движението на частиците в системата и доколкото има по-голямо раздвижване при движение на частиците, толкова по-голяма ще бъде величината, произведена от така наречените „термометрични скали ”.
Термометър, основата на термометрията
Както вече споменахме, създателят на първия термометър беше Галилео Галилей, дизайнът на този инструмент се основаваше на сглобяването на вертикална стъклена тръба, затворена в двата края, съдържаща вода, в която бяха потопени няколко затворени стъклени сфери, с цветна течност вътре. Това позволи да се направят първите записи на температурните вариации. Течността, използвана в този първи термометър, беше вода, но по-късно тя беше заменена от алкохол, тъй като водата при много ниски температури достигна точката на замръзване и тъй като атмосферното налягане варираше, бяха регистрирани колебания в нивото на водата, без Това ще означава промяна в температурата.
Между 1611 и 1613 г. Санторио включва числена скала в инструмента на Галилей. Този инструмент обаче все още не дава точни резултати, тъй като измервателният флуид е много податлив на атмосферно налягане. През 1714 г. Даниел Фаренхайт включва живак в измерването.
Използването на живак представлява голям напредък в прецизността на инструмента, тъй като при висок коефициент на разширение смущения, причинени от температурата, са лесно забележими.
Принцип на работа на термометъра
Когато две части на дадена система влязат в контакт, това, което може да се очаква е, че настъпват вариации в свойствата на двете, които са свързани с феномен на топлообмен между тях. Условията, които трябва да бъдат изпълнени, за да може една система да бъде в топлинно равновесие, са следните:
- Не трябва да има топлообмен между участващите страни
- Нито едно от зависимите от температурата свойства не трябва да варира.
Термометърът работи под Нулев принцип на термодинамиката, който установява взаимовръзката между две променливи в термичното равновесие. Което означава, че живакът, като течност, податлива на температурни промени, при влизане в равновесие с тялото или средата, чиято температурна стойност искаме да знаем, приема своята температурна стойност.
Разработване на термометрични везни
Както вече споменахме, първият визионер на необходимостта от установяване на параметър за измерване в инструмента на Галилей беше Санторио, който установи числена скала без никакъв физически смисъл. Това събитие обаче беше от голямо значение за развитието на това, което сега познаваме като термометрични везни.
Клас на Rømer
Rømer е скала, базирана на замразяване и кипене на солена вода. Понастоящем тази скала не се използва, тъй като не дава точни резултати.
Скала по Фаренхайт
Даниел Фаренхайт е производител на технически инструменти, който е автор на алкохолния термометър през 1709 г. и след това години по-късно ще направи първия термометър на живачна основа. Този изобретател от немски произход разработи произволна термометрична скала, която носи неговото име, която има следните характеристики:
- Той няма отрицателни стойности, тъй като по това време не е имало идеи за температури под 0, поради тази причина кипенето на водата се случва при 212ºF, а нейното замръзване при 32ºF.
- Той е доста точен, тъй като се основава на наблюдения в живачния термометър, материал с почти равномерно разширение в този температурен диапазон.
- Със своя прецизен термометър Fahrenheit измерва варирането в температурата на кипене на водата при условия на околното налягане и успява да установи, че точката на кипене е характеристика на всяко течно вещество.
- Използването му се разпространи в страни като САЩ и Обединеното кралство.
Скала по Целзий
Сред термометричните везни това време придоби голяма популярност по това време. Изобретен е през 1742 г. от шведския астроном Андрес Целзий, който го е разработил, като е взел точката на замръзване на водата като по-ниска стойност и точката на кипене като максимална стойност. Целзий извърши поредица от 100 разделения между тези две точки.
За разлика от другите скали, по Целзий работи със 100 градуировки и използването му е разширено за битови цели, тъй като в научната област се предпочита използването на абсолютната скала на Келвин.
Абсолютна скала
Тази скала се нарича "абсолютна", която разглежда стойността на абсолютната нула и нейното значение се крие основно в този аспект, тъй като тя не зависи от произволни фиксирани точки, а по-скоро представя температурата като израз на молекулярна кинетика, получавайки стойността в точката, в която беше определено спирането на молекулярното движение.
Важно е да се отбележи, че тази температура е свързана със скалата на Целзий, тъй като и двете се справят с градуиране на 100.
Скала на Ранкин
През 1859 г. инженерът Уилям Ранкин предлага тази скала, която е свързана с градуси по Фаренхайт, тъй като се справя със същото градуиране, но тази скала включва наличието на абсолютна нула. По аналогия може да се каже, че връзката Целзий-Келвин е от същото естество като Фаренхайт-Ранкин.
Преобразувания между термометрични скали
Използването на преобразувания е от голямо значение в областта на решаването на проблеми, то се определя от факта, че не можем да групираме променливи от различно естество. И тъй като различните дисциплини могат да бъдат обработвани от гледна точка на различни термометрични скали, са установени взаимоотношения, които позволяват трансформация на ценности.
- Фаренхайт (ºF) - Ранкин (ºR)
ºF = ºR - 460
- Целзий (ºC) - Келвин (ºK)
ºC = ºK- 273
- Целзий (ºC) - Фаренхайт (ºF)
ºC = (ºF-32) / 1,8