Đo nhiệt độ chịu trách nhiệm đo nhiệt độ trong các hệ thống khác nhau, và nó là một kỷ luật bắt đầu khá thực nghiệm, vì từ thời Hippocrates, trong lĩnh vực y học, đã có nhận thức về nhiệt độ của cơ thể, thông qua xúc giác, và theo đối với cảm giác cảm nhận được, nó được phân loại là "nhiệt ngọt" hoặc "sốt nóng". Tuy nhiên, phải đến khi sự phát triển của nhiệt kế, bởi Galileo Galilei, nhiều năm sau, khi lĩnh vực nghiên cứu này rời khỏi vùng biển thực nghiệm, mới có vai trò khoa học.
Tất cả chúng ta đều biết nhiệt kế như một công cụ để đo nhiệt độ của cơ thể và của môi trường, nhưng Làm thế nào nó hoạt động? Cân nhiệt kế có nguồn gốc từ đâu? Nhưng trước khi trả lời những câu hỏi này, điều quan trọng là phải làm rõ khái niệm về biến số mà chúng ta đang đo, trong trường hợp này là nhiệt độ.
Nhiệt độ, đơn vị cơ bản của thang đo nhiệt
Khi đặt tên cho từ nhiệt độ, chắc chắn bạn đã nghĩ đến nhiệt lượng, tuy nhiên, điều đầu tiên cần xem xét là nhiệt không giống như nhiệt độ, mặc dù tất nhiên, cả hai biến đều liên kết chặt chẽ với nhau.
Nhiệt là lượng năng lượng mà sự truyền của nó liên quan đến một gradient nhiệt độ giữa hai hệ, có nghĩa là nhiệt độ là một biến số xác định nhiệt, nhưng nó không phải là nhiệt riêng. Nhiệt độ gắn liền với động năng, là yếu tố xác định chuyển động của các hạt trong hệ, và ở mức độ chuyển động của các hạt càng lớn thì độ lớn được tạo ra bởi cái gọi là “cân nhiệt” càng lớn.
Nhiệt kế, cơ sở của phép đo nhiệt
Như đã nói, người tạo ra nhiệt kế đầu tiên là Galileo Galilei, thiết kế của dụng cụ này dựa trên sự lắp ghép của một ống thủy tinh thẳng đứng, được đóng lại ở hai đầu, chứa nước trong đó có một số quả cầu thủy tinh kín, có chất lỏng màu phía trong. Điều này cho phép thực hiện các ghi chép đầu tiên về sự thay đổi nhiệt độ. Chất lỏng được sử dụng trong nhiệt kế đầu tiên này là nước, tuy nhiên, sau đó nó đã được thay thế bằng cồn, vì nước ở nhiệt độ rất thấp đạt đến điểm đóng băng và khi áp suất khí quyển thay đổi, sự dao động của mực nước được ghi lại, nếu không có điều này sẽ ngụ ý sự biến thiên của nhiệt độ.
Giữa những năm 1611 và 1613. Santorio kết hợp một thang số vào nhạc cụ của Galileo. Tuy nhiên, thiết bị này vẫn không cho kết quả chính xác, vì chất lỏng đo rất dễ bị ảnh hưởng bởi áp suất khí quyển. Vào năm 1714, Daniel Fahrenheit đã đưa thủy ngân vào phép đo.
Việc sử dụng thủy ngân thể hiện một bước tiến vượt bậc về độ chính xác của dụng cụ, vì do hệ số giãn nở cao của nó, các nhiễu loạn do nhiệt độ gây ra có thể dễ dàng nhận thấy.
Nguyên lý làm việc của nhiệt kế
Khi hai phần của một hệ thống tiếp xúc với nhau, điều có thể mong đợi là sự thay đổi xảy ra trong các đặc tính của cả hai, có liên quan đến hiện tượng truyền nhiệt giữa chúng. Các điều kiện cần đáp ứng để hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt là:
- Không được có sự trao đổi nhiệt giữa các bên liên quan
- Không có đặc tính nào phụ thuộc vào nhiệt độ nên thay đổi.
Nhiệt kế hoạt động theo Nguyên lý XNUMX của nhiệt động lực học, thiết lập mối tương quan giữa hai biến ở trạng thái cân bằng nhiệt. Điều đó có nghĩa là thủy ngân, như một chất lỏng dễ bị thay đổi nhiệt độ, khi đi vào trạng thái cân bằng với cơ thể hoặc môi trường, có giá trị nhiệt độ mà chúng ta muốn biết, thông qua giá trị nhiệt độ của nó.
Sự phát triển của thang đo nhiệt
Như chúng tôi đã đề cập, người có tầm nhìn đầu tiên về sự cần thiết phải thiết lập một tham số đo lường trong thiết bị của Galileo là Santorio, người đã thiết lập một thang đo số mà không có bất kỳ cảm giác vật lý nào. Tuy nhiên, sự kiện này có tầm quan trọng lớn trong sự phát triển của cái mà ngày nay chúng ta gọi là cân đo nhiệt.
Rømer cấp
Rømer là thang đo dựa trên sự đóng băng và sôi của nước muối. Thang đo này hiện không được sử dụng vì nó không cung cấp kết quả chính xác.
Thang đo độ F
Daniel Fahrenheit là một nhà sản xuất dụng cụ kỹ thuật, người đã sáng tạo ra nhiệt kế rượu vào năm 1709, và nhiều năm sau đó, ông đã chế tạo ra nhiệt kế dựa trên thủy ngân đầu tiên. Nhà phát minh người Đức này đã phát triển một thang đo nhiệt tùy ý, mang tên ông, có các đặc điểm sau:
- Nó không có giá trị âm, vì tại thời điểm đó không có khái niệm nào về nhiệt độ dưới 0, vì lý do này, nước sôi xảy ra ở 212ºF và đóng băng ở 32ºF.
- Nó khá chính xác, vì nó dựa trên các quan sát trong nhiệt kế thủy ngân, một vật liệu có độ giãn nở gần như đồng đều trong khoảng nhiệt độ đó.
- Với nhiệt kế chính xác của mình, Fahrenheit đã đo sự biến thiên nhiệt độ sôi của nước trong điều kiện áp suất môi trường xung quanh và có thể xác định rằng điểm sôi là một đặc trưng của mỗi chất lỏng.
- Việc sử dụng nó đã lan rộng ở các quốc gia như Hoa Kỳ và Vương quốc Anh.
thang đo độ C
Trong số các loại cân đo nhiệt, cái này đã trở nên phổ biến vào thời đó. Nó được phát minh vào năm 1742 bởi nhà thiên văn Thụy Điển Andrés Celsius, người đã phát triển nó bằng cách lấy điểm đóng băng của nước làm giá trị thấp hơn và điểm sôi của nó làm giá trị lớn nhất. Celsius đã thực hiện một chuỗi 100 lần phân chia giữa hai điểm này.
Không giống như các thang đo khác, thang đo độ C hoạt động với 100 điểm chia độ và việc sử dụng nó đã được mở rộng cho các mục đích trong nước, vì trong lĩnh vực khoa học, việc sử dụng thang đo Kelvin tuyệt đối được ưu tiên hơn.
Quy mô tuyệt đối
Thang đo này được gọi là "tuyệt đối", dùng để xem xét giá trị của độ không tuyệt đối, và tầm quan trọng của nó về cơ bản nằm ở khía cạnh này, vì nó không phụ thuộc vào các điểm cố định tùy ý, mà thể hiện nhiệt độ như một biểu thức của động học phân tử, nhận được giá trị tại điểm mà sự ngừng chuyển động của phân tử được xác định.
Điều quan trọng cần lưu ý là nhiệt độ này liên quan đến thang độ C, vì cả hai đều có mức chia độ là 100.
Thang điểm Rankine
Năm 1859, kỹ sư William Rankine, đề xuất thang đo này, có liên quan đến độ F, vì nó xử lý cùng một điểm tốt nghiệp, tuy nhiên thang đo này xem xét sự hiện diện của độ không tuyệt đối. Trong một phép tương tự, có thể nói rằng mối quan hệ độ C-Kelvin có cùng bản chất với độ Fahrenheit-Rankine.
Chuyển đổi giữa các thang đo nhiệt
Việc sử dụng các phép chuyển đổi có tầm quan trọng lớn trong lĩnh vực giải quyết vấn đề, nó được xác định bởi thực tế là chúng ta không thể nhóm các biến có bản chất khác nhau. Và bởi vì các lĩnh vực khác nhau có thể được xử lý theo các thang đo nhiệt độ khác nhau, các mối quan hệ đã được thiết lập cho phép chuyển đổi các giá trị.
- Fahrenheit (ºF) - Rankine (ºR)
ºF = ºR- 460
- Độ C (ºC) - Kelvin (ºK)
ºC = ºK- 273
- Độ C (ºC) - Độ F (ºF)
ºC = (ºF-32) / 1,8