Η Θερμομετρία είναι υπεύθυνη για τη μέτρηση της θερμοκρασίας σε διάφορα συστήματα και είναι μια πειθαρχία σχετικά εμπειρικών αρχών, καθώς από την εποχή του Ιπποκράτη, στον τομέα της ιατρικής, υπήρχε συνειδητοποίηση της θερμοκρασίας των σωμάτων, μέσω της αφής, και σύμφωνα με στην αντιληπτή αίσθηση ταξινομήθηκε ως "γλυκιά ζέστη" ή "πυρετός καύσου". Ωστόσο, μόνο μετά την ανάπτυξη του θερμομέτρου, από τον Galileo Galilei, χρόνια αργότερα, όταν αυτός ο τομέας μελέτης εγκατέλειψε τα εμπειρικά νερά, να υιοθετήσει έναν επιστημονικό ρόλο.
Όλοι γνωρίζουμε το θερμόμετρο ως όργανο μέτρησης της θερμοκρασίας ενός σώματος και του περιβάλλοντος, αλλά Πώς λειτουργεί; Από πού προέρχονται οι θερμομετρικές κλίμακες; Αλλά πριν απαντήσετε σε αυτές τις ερωτήσεις, είναι σημαντικό να αποσαφηνίσετε την έννοια της μεταβλητής που μετράμε, σε αυτήν την περίπτωση, τη θερμοκρασία.
Θερμοκρασία, η θεμελιώδης μονάδα της θερμομετρικής κλίμακας
Κατά την ονομασία της λέξης θερμοκρασίας, πιθανότατα σκεφτήκατε την ποσότητα θερμότητας, ωστόσο, το πρώτο πράγμα που πρέπει να λάβετε υπόψη είναι αυτό η θερμότητα δεν είναι η ίδια με τη θερμοκρασία, αν και φυσικά, και οι δύο μεταβλητές συνδέονται στενά μεταξύ τους.
Η θερμότητα είναι η ποσότητα ενέργειας της οποίας η μεταφορά σχετίζεται με μια διαβάθμιση θερμοκρασίας μεταξύ δύο συστημάτων, πράγμα που σημαίνει ότι η θερμοκρασία είναι μια μεταβλητή που καθορίζει τη θερμότητα, αλλά δεν είναι η ίδια η θερμότητα. Η θερμοκρασία συνδέεται με την κινητική ενέργεια, η οποία καθορίζει την κίνηση των σωματιδίων στο σύστημα, και στο βαθμό που υπάρχει μεγαλύτερη ανάδευση στην κίνηση των σωματιδίων, τόσο μεγαλύτερο θα είναι το μέγεθος που παράγεται από τις λεγόμενες «θερμομετρικές κλίμακες» ".
Θερμόμετρο, η βάση της θερμομετρίας
Όπως ήδη αναφέρθηκε, ο δημιουργός του πρώτου θερμομέτρου ήταν ο Galileo Galilei, ο σχεδιασμός αυτού του οργάνου βασίστηκε στη συναρμολόγηση ενός κάθετου γυάλινου σωλήνα, κλειστού και στα δύο άκρα, που περιείχε νερό στο οποίο βυθίστηκαν πολλές κλειστές γυάλινες σφαίρες., Με χρωματιστό υγρό μέσα. Αυτό επέτρεψε να γίνουν τα πρώτα αρχεία διακυμάνσεων θερμοκρασίας. Το υγρό που χρησιμοποιήθηκε σε αυτό το πρώτο θερμόμετρο ήταν νερό, ωστόσο, αργότερα αντικαταστάθηκε από αλκοόλ, καθώς το νερό σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες έφτασε σε σημείο πήξης και όταν η ατμοσφαιρική πίεση μεταβαλλόταν, καταγράφηκαν διακυμάνσεις στη στάθμη του νερού, χωρίς αυτό θα σημαίνει διακύμανση της θερμοκρασίας.
Μεταξύ των ετών 1611 και 1613. Το Santorio ενσωματώνει μια αριθμητική κλίμακα στο όργανο του Galileo. Ωστόσο, αυτό το όργανο δεν έδωσε ακριβή αποτελέσματα, καθώς το υγρό μέτρησης ήταν πολύ ευαίσθητο στην ατμοσφαιρική πίεση. Το έτος 1714, ο Daniel Fahrenheit ενσωμάτωσε τον υδράργυρο στη μέτρηση.
Η χρήση υδραργύρου αντιπροσώπευε μια μεγάλη πρόοδο στην ακρίβεια του οργάνου, δεδομένου ότι έχοντας υψηλό συντελεστή διαστολής, οι διαταραχές που προκλήθηκαν από τη θερμοκρασία ήταν εύκολα αισθητές.
Αρχή λειτουργίας θερμομέτρου
Όταν δύο μέρη ενός συστήματος έρχονται σε επαφή, αυτό που μπορεί να αναμένεται είναι ότι εμφανίζονται παραλλαγές στις ιδιότητες και των δύο, οι οποίες συνδέονται με ένα φαινόμενο μεταφοράς θερμότητας μεταξύ τους. Οι προϋποθέσεις που πρέπει να πληρούνται για να είναι ένα σύστημα σε θερμική ισορροπία είναι οι εξής:
- Δεν πρέπει να υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ των εμπλεκόμενων μερών
- Καμία από τις εξαρτώμενες από τη θερμοκρασία ιδιότητες δεν πρέπει να ποικίλει.
Το θερμόμετρο λειτουργεί κάτω από το Μηδενική αρχή της θερμοδυναμικής, που καθιερώνει τη σχέση μεταξύ δύο μεταβλητών στη θερμική ισορροπία. Αυτό σημαίνει ότι ο υδράργυρος, ως υγρό ευαίσθητο σε μεταβολές της θερμοκρασίας, όταν μπαίνει σε ισορροπία με το σώμα ή το μέσο, του οποίου η τιμή θερμοκρασίας θέλουμε να μάθουμε, υιοθετεί τη θερμοκρασία του.
Ανάπτυξη θερμομετρικών ζυγών
Όπως έχουμε ήδη αναφέρει, ο πρώτος οραματιστής της ανάγκης καθιέρωσης μιας παραμέτρου μέτρησης στο όργανο του Galileo ήταν ο Santorio, ο οποίος καθιέρωσε μια αριθμητική κλίμακα χωρίς φυσική αίσθηση. Ωστόσο, αυτό το γεγονός είχε μεγάλη σημασία για την ανάπτυξη αυτού που τώρα γνωρίζουμε ως κλίμακες θερμομετρίας.
Βαθμός Rømer
Το Rømer είναι μια κλίμακα που βασίζεται στην κατάψυξη και το βρασμό του αλμυρού νερού. Αυτή η κλίμακα είναι αχρησιμοποίητη, καθώς δεν παρέχει ακριβή αποτελέσματα.
Κλίμακα Φαρενάιτ
Ο Daniel Fahrenheit ήταν κατασκευαστής τεχνικών οργάνων που έγραψε το θερμόμετρο αλκοόλης το 1709 και στη συνέχεια χρόνια αργότερα θα έκανε το πρώτο θερμόμετρο με βάση τον υδράργυρο. Αυτός ο εφευρέτης γερμανικής προέλευσης, ανέπτυξε μια αυθαίρετη θερμομετρική κλίμακα, η οποία φέρει το όνομά του, η οποία έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:
- Δεν έχει αρνητικές τιμές, καθώς εκείνη την εποχή δεν υπήρχαν αντιλήψεις σχετικά με θερμοκρασίες κάτω από 0, για το λόγο αυτό, ο βρασμός του νερού συμβαίνει στους 212ºF και η κατάψυξή του στους 32ºF.
- Είναι αρκετά ακριβές, καθώς βασίζεται σε παρατηρήσεις στο θερμόμετρο υδραργύρου, ένα υλικό με σχεδόν ομοιόμορφη διαστολή σε αυτό το εύρος θερμοκρασίας.
- Με το θερμόμετρο ακριβείας, ο Fahrenheit μέτρησε τη διακύμανση της θερμοκρασίας βρασμού του νερού υπό συνθήκες πίεσης περιβάλλοντος και μπόρεσε να αποδείξει ότι το σημείο βρασμού είναι ένα χαρακτηριστικό κάθε υγρής ουσίας.
- Η χρήση του έχει εξαπλωθεί σε χώρες όπως οι Ηνωμένες Πολιτείες και το Ηνωμένο Βασίλειο.
Κλίμακα Κελσίου
Μεταξύ των θερμομετρικών ζυγών, αυτό κέρδισε μεγάλη δημοτικότητα στην εποχή του. Εφευρέθηκε το 1742 από τον Σουηδό αστρονόμο Andrés Celsius, ο οποίος το ανέπτυξε παίρνοντας το σημείο πήξης του νερού ως τη χαμηλότερη τιμή και το σημείο βρασμού του ως τη μέγιστη τιμή. Ο Κέλσιος έκανε μια σειρά από 100 διαιρέσεις μεταξύ αυτών των δύο πόντων.
Σε αντίθεση με τις άλλες κλίμακες, το centigrade λειτουργεί με 100 βαθμολογήσεις και η χρήση του έχει επεκταθεί για οικιακούς σκοπούς, καθώς στον επιστημονικό τομέα προτιμάται η χρήση της απόλυτης κλίμακας Kelvin.
Απόλυτη κλίμακα
Αυτή η κλίμακα ονομάζεται "απόλυτη", η οποία μελετά την τιμή του απόλυτου μηδέν, και η σημασία της βασικά βρίσκεται σε αυτήν την πτυχή, καθώς δεν εξαρτάται από αυθαίρετα σταθερά σημεία, αλλά μάλλον παρουσιάζει τη θερμοκρασία ως έκφραση της μοριακής κινητικής. Λαμβάνοντας την τιμή στο σημείο όπου προσδιορίστηκε η διακοπή της μοριακής κίνησης.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι αυτή η θερμοκρασία σχετίζεται με την κλίμακα Κελσίου, καθώς και οι δύο έχουν βαθμολογία 100.
Κλίμακα Rankine
Το 1859, ο μηχανικός William Rankine, πρότεινε αυτήν την κλίμακα, η οποία σχετίζεται με τους βαθμούς Fahrenheit, καθώς χειρίζεται την ίδια βαθμολόγηση, ωστόσο αυτή η κλίμακα προβλέπει την παρουσία απόλυτου μηδέν. Σε μια αναλογία, μπορούμε να πούμε ότι η σχέση Κελσίου-Κέλβιν είναι της ίδιας φύσης με την Fahrenheit-Rankine.
Μετατροπές μεταξύ θερμομετρικών ζυγών
Η χρήση των μετατροπών έχει μεγάλη σημασία στον τομέα της επίλυσης προβλημάτων, καθορίζεται από το γεγονός ότι δεν μπορούμε να ομαδοποιήσουμε μεταβλητές διαφορετικής φύσης. Και επειδή οι διάφοροι κλάδοι μπορούν να αντιμετωπιστούν με όρους διαφορετικών θερμομετρικών κλιμάκων, έχουν δημιουργηθεί σχέσεις που επιτρέπουν τον μετασχηματισμό των τιμών.
- Φαρενάιτ (ºF) - Rankine (ºR)
ºF = ºR- 460
- Κελσίου (ºC) - Kelvin (ºK)
ºC = ºK- 273
- Κελσίου (ºC) - Φαρενάιτ (ºF)
ºC = (ºF-32) / 1,8