Termometria jest odpowiedzialna za pomiar temperatury w różnych układach i jest dyscypliną o dość empirycznych początkach, ponieważ od czasów Hipokratesa w medycynie istniała świadomość temperatury ciała, poprzez dotyk i zgodnie z postrzegane doznanie zostało sklasyfikowane jako „słodki upał” lub „gorączka paląca”. Jednak dopiero po opracowaniu termometru przez Galileo Galilei wiele lat później, gdy ta dziedzina badań opuściła wody empiryczne, przyjęła rolę naukową.
Wszyscy znamy termometr jako przyrząd do pomiaru temperatury ciała i otoczenia, ale Jak to działa? Skąd się wzięły skale termometryczne? Ale zanim odpowiemy na te pytania, ważne jest, aby wyjaśnić pojęcie zmiennej, którą mierzymy, w tym przypadku temperatury.
Temperatura, podstawowa jednostka skali termometrycznej
Nazywając słowo temperatura, z pewnością pomyślałeś o ilości ciepła, jednak pierwszą rzeczą do rozważenia jest to ciepło to nie to samo, co temperaturachociaż oczywiście obie zmienne są ze sobą ściśle powiązane.
Ciepło to ilość energii, której transfer jest związany z gradientem temperatury między dwoma układami, co oznacza, że temperatura jest zmienną determinującą ciepło, ale nie jest samym ciepłem. Temperatura jest związana z energią kinetyczną, która określa ruch cząstek w układzie, a im większe jest poruszenie w ruchu cząstek, tym większa będzie wielkość wytwarzana przez tak zwane „skale termometryczne”. ”.
Termometr, podstawy termometrii
Jak już wspomniano, twórcą pierwszego termometru był Galileo Galilei, konstrukcja tego instrumentu opierała się na montażu pionowej szklanej rurki, zamkniętej na obu końcach, zawierającej wodę, w której zanurzono kilka zamkniętych szklanych kulek., Z kolorową cieczą. wewnątrz. Pozwoliło to na dokonanie pierwszych zapisów zmian temperatury. Płynem używanym w tym pierwszym termometrze była woda, jednak później została ona zastąpiona alkoholem, ponieważ woda w bardzo niskich temperaturach osiągnęła punkt zamarzania, a wraz ze zmianami ciśnienia atmosferycznego rejestrowano wahania poziomu wody, bez wahania temperatury.
W latach 1611-1613 Santorio włącza skalę numeryczną do instrumentu Galileusza. Jednak ten instrument nadal nie dawał dokładnych wyników, ponieważ płyn pomiarowy był bardzo wrażliwy na ciśnienie atmosferyczne. W 1714 roku Daniel Fahrenheit włączył rtęć do pomiaru.
Użycie rtęci oznaczało duży postęp w precyzji przyrządu, ponieważ mając wysoki współczynnik rozszerzalności, zakłócenia spowodowane temperaturą były łatwo dostrzegalne.
Zasada działania termometru
Gdy stykają się dwie części systemu, można się spodziewać, że występują zmiany we właściwościach obu, które są związane ze zjawiskiem wymiany ciepła między nimi. Warunki, które muszą być spełnione, aby system znajdował się w równowadze termicznej, są następujące:
- Między zaangażowanymi stronami nie powinno być żadnej wymiany ciepła
- Żadna z właściwości zależnych od temperatury nie powinna się zmieniać.
Termometr działa pod Zerowa zasada termodynamiki, który ustala współzależność między dwiema zmiennymi w równowadze termicznej. Oznacza to, że rtęć, jako ciecz podatna na zmiany temperatury, wchodząc w stan równowagi z ciałem lub ośrodkiem, którego wartość temperatury chcemy poznać, przyjmuje wartość temperatury.
Rozwój skal termometrycznych
Jak już wspomnieliśmy, pierwszym wizjonerem potrzeby ustalenia parametru pomiarowego w instrumencie Galileo był Santorio, który ustalił skalę numeryczną bez fizycznego sensu. Jednak wydarzenie to miało ogromne znaczenie w rozwoju tego, co obecnie znamy jako skale termometryczne.
Gatunek Rømer
Rømer to skala oparta na zamrażaniu i gotowaniu słonej wody. Ta skala jest obecnie nieużywana, ponieważ nie dostarcza dokładnych wyników.
Skala Fahrenheita
Daniel Fahrenheit był producentem przyrządów technicznych, który w 1709 roku był autorem termometru alkoholowego, a lata później wykonał pierwszy termometr rtęciowy. Ten wynalazca niemieckiego pochodzenia opracował dowolną skalę termometryczną, która nosi jego imię i ma następujące cechy:
- Nie ma ona wartości ujemnych, gdyż w tamtym czasie nie istniało pojęcie o temperaturach poniżej 0, dlatego wrzenie wody następuje przy 212ºF, a jej zamarzanie na 32ºF.
- Jest dość dokładny, ponieważ opiera się na obserwacjach w termometrze rtęciowym, materiale o prawie równomiernej rozszerzalności w tym zakresie temperatur.
- Za pomocą precyzyjnego termometru Fahrenheit zmierzył zmiany temperatury wrzenia wody w warunkach ciśnienia otoczenia i był w stanie ustalić, że temperatura wrzenia jest cechą charakterystyczną każdej ciekłej substancji.
- Jego użycie rozprzestrzeniło się w krajach takich jak Stany Zjednoczone i Wielka Brytania.
Skala Celsjusza
Wśród wag termometrycznych ta zyskała w swoim czasie dużą popularność. Został wynaleziony w 1742 roku przez szwedzkiego astronoma Andrésa Celsiusa, który opracował go, przyjmując temperaturę zamarzania wody jako wartość niższą, a temperaturę wrzenia jako wartość maksymalną. Celsjusz wykonał serię 100 podziałów między tymi dwoma punktami.
W przeciwieństwie do innych skal, stopień Celsjusza działa na 100 stopniach, a jego użycie zostało rozszerzone do celów domowych, ponieważ w dziedzinie nauki preferowane jest stosowanie absolutnej skali Kelvina.
Skala absolutna
Skala ta nazywana jest „absolutną”, która rozważa wartość zera absolutnego, a jej znaczenie leży w zasadzie w tym aspekcie, ponieważ nie zależy od dowolnych stałych punktów, ale raczej przedstawia temperaturę jako wyraz kinetyki molekularnej., Uzyskując wartość w punkcie, w którym ustalono ustanie ruchu molekularnego.
Należy zauważyć, że ta temperatura jest powiązana ze skalą Celsjusza, ponieważ obie mają podziałkę 100.
Skala Rankine'a
W 1859 roku inżynier William Rankine zaproponował tę skalę, która jest związana ze stopniami Fahrenheita, ponieważ ma ona tę samą podziałkę, jednak ta skala uwzględnia obecność zera absolutnego. W analogii można powiedzieć, że relacja Celsjusza-Kelvina ma ten sam charakter, co Fahrenheit-Rankine.
Konwersje między skalami termometrycznymi
Zastosowanie konwersji ma ogromne znaczenie w rozwiązywaniu problemów, determinuje to fakt, że nie możemy grupować zmiennych o różnym charakterze. A ponieważ różne dyscypliny można traktować w kategoriach różnych skal termometrycznych, ustalono relacje, które pozwalają na transformację wartości.
- Fahrenheit (ºF) - Rankine (ºR)
ºF = ºR- 460
- Celsjusz (ºC) - Kelvin (ºK)
ºC = ºK-273
- Celsjusz (ºC) - Fahrenheit (ºF)
ºC = (ºF-32) / 1,8