Termometrija je odgovorna za merjenje temperature v različnih sistemih in je disciplina dokaj empiričnih začetkov, saj je že od časa Hipokrata na področju medicine obstajalo zavedanje temperature teles, z dotikom in glede na občutek je bil razvrščen kot "sladka vročina" ali "pekoča mrzlica". Vendar pa je šele leta kasneje, ko je to študijsko področje zapustilo empirične vode, Galileo Galilei pri razvoju termometra Galileo Galilei prevzel znanstveno vlogo.
Vsi termometer poznamo kot instrument za merjenje temperature telesa in okolja, toda Kako deluje? Od kod termometrične tehtnice? Preden odgovorimo na ta vprašanja, je pomembno, da razjasnimo koncept spremenljivke, ki jo merimo, v tem primeru temperature.
Temperatura, temeljna enota termometrične lestvice
Ko ste poimenovali besedo temperatura, ste zagotovo pomislili na količino toplote, vendar morate najprej upoštevati to toplota ni enaka temperaturi, čeprav sta seveda obe spremenljivki tesno povezani.
Toplota je količina energije, katere prenos je povezan s temperaturnim gradientom med dvema sistemoma, kar pomeni, da je temperatura spremenljivka, ki določa toploto, vendar ne gre za toploto samo. Temperatura je povezana s kinetično energijo, ki je tista, ki določa gibanje delcev v sistemu in kolikor je gibanje delcev večje vznemirjenje, večja je velikost, ki jo povzročajo tako imenovane "termometrične lestvice".
Termometer, osnova termometrije
Kot že omenjeno, je bil ustvarjalec prvega termometra Galileo Galilei, zasnova tega instrumenta je temeljila na sestavi navpične steklene cevi, zaprte na obeh koncih, v kateri je bila voda, v kateri je bilo potopljenih več zaprtih steklenih krogel, z barvno tekočino znotraj. To je omogočilo izdelavo prvih zapisov temperaturnih sprememb. Tekočina, ki se je uporabljala v tem prvem termometru, je bila voda, vendar jo je pozneje nadomestil alkohol, saj je voda pri zelo nizkih temperaturah dosegla ledišče, in ko se je atmosferski tlak spreminjal, so bila zabeležena nihanja vodostaja, brez To bo pomenilo sprememba temperature.
Med leti 1611 in 1613. Santorio vključuje Galileovemu instrumentu številčno lestvico. Vendar ta instrument še vedno ni dal natančnih rezultatov, saj je bila merilna tekočina zelo občutljiva na atmosferski tlak. Leta 1714 je Daniel Fahrenheit v meritve vključil živo srebro.
Uporaba živega srebra je pomenila velik napredek v natančnosti instrumenta, saj so bile zaradi njegovega visokega koeficienta raztezanja lahko opazne motnje zaradi temperature.
Načelo delovanja termometra
Ko dva dela sistema prideta v stik, lahko pričakujemo, da pride do sprememb lastnosti obeh, ki so povezane s pojavom prenosa toplote med njima. Pogoji, ki jih mora izpolnjevati sistem, da je v toplotnem ravnovesju, so naslednji:
- Med vpletenimi stranmi ne sme biti izmenjave toplote
- Nobena od temperaturno odvisnih lastnosti se ne sme spreminjati.
Termometer deluje pod Ničelni princip termodinamike, ki ugotavlja medsebojno povezavo med dvema spremenljivkama v toplotnem ravnovesju. Kar pomeni, da živo srebro kot tekočina, dovzetna za temperaturne spremembe, pri vstopu v ravnovesje s telesom ali medijem, katerega temperaturno vrednost želimo vedeti, sprejme svojo temperaturno vrednost.
Razvoj termometričnih tehtnic
Kot smo že omenili, je bil prvi vizionar potrebe po določitvi merilnega parametra v Galilejevem instrumentu Santorio, ki je brez fizičnega smisla vzpostavil številčno lestvico. Vendar je bil ta dogodek zelo pomemben za razvoj tistega, kar danes poznamo kot termometrične tehtnice.
Rømerjeva ocena
Rømer je tehtnica, ki temelji na zamrzovanju in vrenju slane vode. Ta lestvica je trenutno v uporabi, saj ne daje natančnih rezultatov.
Lestvica Fahrenheita
Daniel Fahrenheit je bil proizvajalec tehničnih instrumentov, ki je bil leta 1709 avtor alkoholnega termometra, nato pa je leta kasneje izdelal prvi termometer na osnovi živega srebra. Ta izumitelj nemškega izvora je razvil poljubno termometrično lestvico, ki nosi njegovo ime, ki ima naslednje značilnosti:
- Nima negativnih vrednosti, saj takrat še ni bilo pojmov o temperaturah pod 0, zato vrenje vode pri 212 ° F in njeno zmrzovanje pri 32 ° F.
- Je povsem natančen, saj temelji na opazovanjih na živosrebrnem termometru, materialu s skoraj enakomerno ekspanzijo v tem temperaturnem območju.
- Fahrenheit je s svojim natančnim termometrom izmeril nihanje temperature vrelišča vode v pogojih zunanjega tlaka in ugotovil, da je vrelišče značilnost vsake tekoče snovi.
- Njegova uporaba se je razširila v državah, kot so ZDA in Združeno kraljestvo.
Lestvica Celzija
Med termometričnimi tehtnicami je ta v svojem času pridobila veliko popularnost. Leta 1742 ga je izumil švedski astronom Andrés Celsius, ki ga je razvil tako, da je ledišče vode vzel za spodnjo vrednost in njegovo vrelišče kot največjo vrednost. Celzij je izvedel serijo 100 delitev med tema dvema točkama.
V nasprotju z drugimi lestvicami deluje Celzija s 100 gradacijami, njegova uporaba pa je razširjena za domače namene, saj je na znanstvenem področju prednost absolutne Kelvinove lestvice.
Absolutna lestvica
Ta lestvica se imenuje "absolutna", ki upošteva vrednost absolutne ničle, njen pomen pa je v bistvu v tem vidiku, saj ni odvisen od poljubnih fiksnih točk, temveč predstavlja temperaturo kot izraz molekularne kinetike. na mestu, kjer je bilo določeno prenehanje molekularnega gibanja.
Pomembno je omeniti, da je ta temperatura povezana s stopnjo Celzija, saj imata oba stopnjo 100.
Rankinova lestvica
Leta 1859 je inženir William Rankine predlagal to lestvico, ki je povezana s stopinjami Fahrenheita, saj obravnava isto gradacijo, vendar ta lestvica predvideva prisotnost absolutne ničle. Po analogiji lahko rečemo, da je razmerje Celzija in Kelvina iste narave kot Fahrenheit-Rankine.
Pretvorbe med termometričnimi lestvicami
Uporaba pretvorb je zelo pomembna na področju reševanja problemov, določa pa jo dejstvo, da spremenljivk različne narave ne moremo združevati v skupine. In ker je mogoče različne discipline obravnavati v različnih termometričnih lestvicah, so bili vzpostavljeni odnosi, ki omogočajo preoblikovanje vrednot.
- Fahrenheit (ºF) - Rankin (ºR)
ºF = ºR-460
- Celzija (ºC) - Kelvin (ºK)
ºC = ºK-273
- Celzija (ºC) - Fahrenheita (ºF)
ºC = (ºF-32) / 1,8