Термометрія відповідає за вимірювання температури в різних системах і є дисципліною досить емпіричних початків, оскільки ще з часів Гіппократа в галузі медицини існувало усвідомлення температури тіл за допомогою дотику і відповідно до сприйняте відчуття було класифіковано як "солодке тепло" або "пекуча лихоманка". Однак лише після розробки термометра Галілео Галілеєм роками пізніше, коли ця область дослідження покинула емпіричні води, прийняла наукову роль.
Ми всі знаємо термометр як прилад для вимірювання температури тіла та навколишнього середовища, але Як це працює? Звідки взялися термометричні ваги? Але перед тим, як відповісти на ці питання, важливо пояснити поняття змінної, яку ми вимірюємо, в даному випадку - температури.
Температура, основна одиниця термометричної шкали
Називаючи слово температура, ви, мабуть, думали про кількість тепла, однак, перше, що слід врахувати, це те тепло не таке, як температура, хоча, звичайно, обидві змінні тісно пов’язані між собою.
Тепло - це кількість енергії, передача якої пов’язана з градієнтом температури між двома системами, що означає, що температура є змінною, що визначає тепло, але це не саме тепло. Температура пов’язана з кінетичною енергією, яка визначає рух частинок у системі, і наскільки більшим є хвилювання при русі частинок, тим більша величина створюється так званими „термометричними шкалами”.
Термометр, основа термометрії
Як вже зазначалося, творцем першого термометра був Галілео Галілей, конструкція цього приладу базувалася на збірці вертикальної скляної трубки, закритої на обох кінцях, що містить воду, в яку занурені кілька закритих скляних сфер, з кольоровою рідиною всередині. Це дозволило зробити перші записи змін температури. Рідиною, що використовувалась у цьому першому термометрі, була вода, однак згодом її замінили спиртом, оскільки вода при дуже низьких температурах досягала точки замерзання, і коли атмосферний тиск змінювався, реєструвались коливання рівня води, без Це означатиме коливання температури.
Між 1611 та 1613 роками. Санторіо включає в інструмент Галілея числову шкалу. Однак цей прилад все ще не давав точних результатів, оскільки вимірювальна рідина була дуже сприйнятливою до атмосферного тиску. У 1714 році Даніель Фаренгейт включив ртуть у вимірювання.
Використання ртуті представляло значний прогрес у точності приладу, оскільки, маючи високий коефіцієнт розширення, збурення, викликані температурою, були легко помітними.
Принцип роботи термометра
Коли дві частини системи стикаються, можна очікувати, що відбуватимуться зміни у властивостях обох, які пов'язані з явищем теплопередачі між ними. Умови, яким повинна відповідати система, щоб вона знаходилася в тепловій рівновазі, є наступними:
- Між залученими сторонами не повинно бути теплообміну
- Жодна з температурно-залежних властивостей не повинна змінюватися.
Термометр працює під Нульовий принцип термодинаміки, який встановлює взаємозв'язок між двома змінними в тепловій рівновазі. Що означає, що ртуть, як рідина, сприйнятлива до температурних змін, при вступі в рівновагу з тілом або середовищем, значення температури якого ми хочемо знати, приймає своє температурне значення.
Розробка термометричних шкал
Як ми вже згадували, першим провидцем необхідності встановлення параметра вимірювання в приладі Галілея був Санторіо, який встановив числову шкалу без будь-якого фізичного сенсу. Однак ця подія мала велике значення для розвитку того, що ми зараз знаємо як термометричні ваги.
Сорт Ремера
Rømer - це вага, заснована на заморожуванні та кип’ятінні солоної води. В даний час ця шкала не використовується, оскільки вона не дає точних результатів.
Шкала Фаренгейта
Даніель Фаренгейт був виробником технічних приладів, який був автором спиртового термометра в 1709 році, а потім роками пізніше він зробив перший термометр на основі ртуті. Цей винахідник німецького походження розробив довільну термометричну шкалу, яка носить його ім'я, що має такі характеристики:
- Він не має негативних значень, оскільки на той час не існувало уявлень про температуру нижче 0, з цієї причини кипіння води відбувається при 212ºF, а її замерзання при 32ºF.
- Це досить точно, оскільки базується на спостереженнях на ртутному термометрі, матеріалі з майже рівномірним розширенням у цьому діапазоні температур.
- За допомогою прецизійного термометра Фаренгейт вимірював коливання температури кипіння води в умовах тиску навколишнього середовища і зміг встановити, що температура кипіння є характеристикою кожної рідкої речовини.
- Його використання поширилося в таких країнах, як США та Великобританія.
Шкала Цельсія
Серед термометричних шкал цей свій час набув великої популярності. Він був винайдений у 1742 році шведським астрономом Андресом Цельсієм, який розробив його, прийнявши температуру замерзання води як нижчу величину, а її температуру кипіння як максимальну. Цельсій здійснив серію з 100 поділів між цими двома точками.
На відміну від інших шкал, стоградус працює зі 100 градуюваннями, і його використання було розширено для побутових цілей, оскільки в науковій галузі перевагу використовують абсолютні шкали Кельвіна.
Абсолютна шкала
Цей масштаб називається "абсолютним", що передбачає значення абсолютного нуля, і його значення полягає в основному в цьому аспекті, оскільки він не залежить від довільних фіксованих точок, а представляє температуру як вираз молекулярної кінетики, отримуючи значення в точці, де було визначено припинення молекулярного руху.
Важливо зазначити, що ця температура пов'язана зі шкалою Цельсія, оскільки обидві обробляють градуювання 100.
Шкала Ренкіна
У 1859 році інженер Вільям Ранкін запропонував цю шкалу, яка відноситься до градусів за Фаренгейтом, оскільки вона обробляє те саме градуювання, однак ця шкала передбачає наявність абсолютного нуля. Як аналогію можна сказати, що відносини Цельсія і Кельвіна мають таку ж природу, що і Фаренгейт-Ранкін.
Перетворення між термометричними шкалами
Використання перетворень має велике значення в галузі вирішення проблем, воно визначається тим, що ми не можемо групувати змінні різної природи. І оскільки різні дисципліни можна обробляти з точки зору різних термометричних шкал, були встановлені взаємозв'язки, що дозволяють трансформувати цінності.
- Фаренгейта (ºF) - Ранкін (ºR)
ºF = ºR - 460
- Цельсій (ºC) - Кельвін (ºK)
ºC = ºK- 273
- Цельсій (ºC) - Фаренгейт (ºF)
ºC = (ºF-32) / 1,8