Термометр

Термо́метр (греч. θέρμη «тепло» + μετρέω «измеряю»), также гра́дусник — измерительный прибор для измерения температуры различных тел и сред (воздуха, почвы, воды и т. д.). По принципу измерения существует несколько видов термометров:

• жидкостные - ртутные, галинстановые, спиртовые (спирт подкрашен каким-либо красителем, как правило красным или синим);
• механические - биметаллические;
• электронные - на основе термопары или терморезистора - термометр сопротивления;
• оптические;
• газовые
• инфракрасные.

спиртовой термометр для измерения температуры воздуха

История изобретения

Изобретателем термометра принято считать Галилея: в его собственных сочинениях нет описания этого прибора, но его ученики, Нелли и Вивиани, засвидетельствовали, что уже в 1597 году он сделал нечто вроде термобароскопа (термоскоп). Галилей изучал в это время работы Герона Александрийского, у которого уже описано подобное приспособление, но не для измерения степеней тепла, а для поднятия воды при помощи нагревания. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной к нему стеклянной трубкой. Шарик слегка нагревали и конец трубки опускали в сосуд с водой. Через некоторое время воздух в шарике охлаждался, его давление уменьшалось и вода под действием атмосферного давления поднималась в трубке вверх на некоторую высоту. В дальнейшем, при потеплении давление воздуха в шарике увеличивалось и уровень воды в трубке понижался. При помощи термоскопа можно было судить только об изменении степени нагретости тела: числовых значений температуры он не показывал, так как не имел шкалы. Кроме того, уровень воды в трубке зависел не только от температуры, но и от атмосферного давления. В 1657 г. термоскоп Галилея был усовершенствован флорентийскими учеными. Они снабдили прибор шкалой из бусин и откачали воздух из резервуара (шарика) и трубки. Это позволило не только качественно, но и количественно сравнивать температуры тел. Впоследствии термоскоп был изменен: его перевернули шариком вниз, а в трубку вместо воды налили бренди и удалили сосуд. Действие этого прибора основывалось на расширении тел, в качестве «постоянных» точек брали температуры наиболее жаркого летнего и наиболее холодного зимнего дня.

Изобретение термометра также приписывают лорду Бэкону, Роберту Фладду, Санториусу, Скарпи, Корнелиусу Дреббелю, Порте и Саломону де Коссу, писавшим позднее и частью имевшим личные отношения с Галилеем. Все эти термометры были воздушные и состояли из сосуда с трубкой, содержащего воздух, отделённый от атмосферы столбиком воды, они изменяли свои показания и от изменения температуры, и от изменения атмосферного давления.

Термометр Галилея

Термометры с жидкостью описаны в первый раз в 1667 г. «Saggi di naturale esperienze fatte nell’Accademia del Cimento», где о них говорится как о предметах, давно изготовляемых искусными ремесленниками, которых называют «Confia», разогревающими стекло на раздуваемом огне лампы и выделывающими из него удивительные и очень нежные изделия. Сначала эти термометры наполняли водой, но они лопались, когда она замерзала; употреблять для этого винный спирт начали в 1654 году по мысли великого герцога тосканского Фердинанда II. Флорентийские термометры не только изображены в «Saggi», но сохранились в нескольких экземплярах до нашего времени в Галилеевском музее, во Флоренции; их приготовление описывается подробно.

Сначала мастер должен был сделать деления на трубке, соображаясь с её относительными размерами и размерами шарика: деления наносились расплавленной эмалью на разогретую на лампе трубку, каждое десятое обозначалось белой точкою, а другие чёрными. Обыкновенно делали 50 делений таким образом, чтобы при таянии снега спирт не опускался ниже 10, а на солнце не поднимался выше 40. Хорошие мастера делали такие термометры настолько удачно, что все они показывали одно и то же значение температуры при одинаковых условиях, однако такого не удавалось достигнуть, если трубку разделяли на 100 или 300 частей, чтобы получить большую точность. Наполняли термометры посредством подогревания шарика и опускания конца трубки в спирт, заканчивали наполнение при помощи стеклянной воронки с тонко оттянутым концом, свободно входившим в довольно широкую трубку. После регулирования количества жидкости отверстие трубки запечатывали сургучом, называемым «герметическим». Из этого ясно, что эти термометры были большими и могли служить для определения температуры воздуха, но были ещё неудобны для других, более разнообразных опытов, и градусы разных термометров были не сравнимы между собою.

В 1703 г. Амонтон (англ. Guillaume Amontons) в Париже усовершенствовал воздушный термометр, измеряя не расширение, а увеличение упругости воздуха, приведённого к одному и тому же объёму при разных температурах подливанием ртути в открытое колено; барометрическое давление и его изменения при этом принимались во внимание. Нулём такой шкалы должна была служить «та значительная степень холода», при которой воздух теряет всю свою упругость (то есть современный абсолютный нуль), а второй постоянной точкой — температура кипения воды. Влияние атмосферного давления на температуру кипения ещё не было известно Амонтону, а воздух в его термометре не был освобождён от водяных газов; поэтому из его данных абсолютный нуль получается при −239,5° по шкале Цельсия. Другой воздушный термометр Амонтона, выполненный очень несовершенно, был независим от изменений атмосферного давления: он представлял сифонный барометр, открытое колено которого было продолжено кверху, снизу наполнено крепким раствором поташа, сверху нефтью и оканчивалось запаянным резервуаром с воздухом.

Современную форму термометру придал Фаренгейт и описал свой способ приготовления в 1723 г. Первоначально он тоже наполнял свои трубки спиртом и лишь под конец перешёл к ртути. Нуль своей шкалы он поставил при температуре смеси снега с нашатырём или поваренной солью, при температуре «начала замерзания воды» он показывал 32°, а температура тела здорового человека во рту или под мышкой была эквивалентна 96°. Впоследствии он нашёл, что вода кипит при 212° и эта температура была всегда одна и та же при том же состоянии барометра. Сохранившиеся экземпляры термометров Фаренгейта отличаются тщательностью исполнения.

Окончательно установил обе постоянные точки, тающего льда и кипящей воды, шведский астроном, геолог и метеоролог Андерс Цельсий в 1742 г. Но первоначально он ставил 0° при точке кипения, а 100° при точке замерзания. В своей работе Цельсий «Observations of two persistent degrees on a thermometer» рассказал о своих экспериментах, показывающих, что температура плавления льда (100°) не зависит от давления. Он также определил с удивительной точностью, как температура кипения воды варьировалась в зависимости от атмосферного давления. Он предположил, что отметку 0 (точку кипения воды) можно откалибровать, зная, на каком уровне относительно моря находится термометр.

Позже, уже после смерти Цельсия, его современники и соотечественники ботаник Карл Линней и астроном Мортен Штремер использовали эту шкалу в перевёрнутом виде (за 0° стали принимать температуру плавления льда, а за 100° — кипения воды). В таком виде шкала оказалась очень удобной, получила широкое распространение и используется до нашего времени.

По одним сведениям, Цельсий сам перевернул свою шкалу по совету Штремера. По другим сведениям, шкалу перевернул Карл Линней в 1745 году. А по третьим — шкалу перевернул преемник Цельсия М.Штремер и в XVIII веке такой термометр был широко распространён под именем «шведский термометр», а в самой Швеции — под именем Штремера, но известнейший шведский химик Иоганн Якоб в своем труде «Руководства по химии» по ошибке назвал шкалу М. Штремера цельсиевой шкалой и с тех пор стоградусная шкала стала носить имя Андерса Цельсия.

Работы Реомюра в 1736 г. хотя и повели к установлению 80° шкалы, но были скорее шагом назад против того, что сделал уже Фаренгейт: термометр Реомюра был громадный, неудобный в употреблении, а его способ разделения на градусы был неточным и неудобным.

После Фаренгейта и Реомюра дело изготовления термометров попало в руки ремесленников, так как термометры стали предметом торговли.

В 1848 г. английский физик Вильям Томсон (лорд Кельвин) доказал возможность создания абсолютной шкалы температур, нуль которой не зависит от свойств воды или вещества, заполняющего термометр. Точкой отсчета в «шкале Кельвина» послужило значение абсолютного нуля: −273,15° С. При этой температуре прекращается тепловое движение молекул. Следовательно, становится невозможным дальнейшее охлаждение тел.

Жидкостные термометры

Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объёма жидкости, которая залита в термометр (обычно это спирт или ртуть), при изменении температуры окружающей среды.

Жидкостные термометры подразделяются на ртутные и термометры с не ртутным заполнением. Последние применяются не только из-за экономических соображений, но и также из-за использования широкого диапазона температур. Так, в термометрии, в качестве нертутного заполнения термометров используются вещества: спирты (этиловый, метиловый, пропиловый), пентан, толуол, сероуглерод, ацетон, таллиевая амальгама и галлий.

В связи с тем, что с 2020 года ртуть под запретом во всём мире из-за её опасности для здоровья, во многих областях деятельности ведётся поиск альтернативных наполнений для бытовых термометров.

Такой заменой стал галинстан (сплав металлов: галлия, индия, олова и цинка). Галлий применяют для измерения высоких температур. Также ртутные термометры все чаще с большим успехом заменяются платиновыми или медными термометрами сопротивления. Также все шире применяются и другие типы термометров.

Об удалении разлившейся ртути из разбитого термометра см. статью Демеркуризация

• 
  Уличный жидкостный термометр
• 
  Ртутный медицинский термометр
• 
  Галинстановый медицинский термометр

Механические термометры

Термометры этого типа действуют по тому же принципу, что и жидкостные, но в качестве датчика обычно используется металлический стержень или лента из биметалла скрученная в спираль. При изменении температуры стержень меняет свою длину, приводя в действие исполнительный механизм.

Биметаллическая пластина меняет радиус изгиба, а поскольку она смотана в спираль, это выглядит как вращение конца спирали, где и закреплена стрелка.

• 
  Оконный механический термометр
• 
  Демонстрация работы механического термометра

Электронные термометры

Принцип работы электронных термометров основан на изменении сопротивления проводника при изменении температуры окружающей среды.

Электронные термометры более широкого диапазона основаны на термопарах (контакт между металлами с разной электроотрицательностью создаёт контактную разность потенциалов, зависящую от температуры).

Наиболее точными и стабильными во времени являются термометры сопротивления на основе платиновой проволоки или платинового напыления на керамику. Наибольшее распространение получили PT100 (сопротивление при 0 °C — 100Ω) PT1000 (сопротивление при 0 °C — 1000Ω) (IEC751). Зависимость от температуры почти линейна и подчиняется квадратичному закону при положительной температуре и уравнению 4 степени при отрицательных (соответствующие константы весьма малы, и в первом приближении эту зависимость можно считать линейной). Температурный диапазон −200 — +850 °C.

$R_{T}=R_{0}\left[1+AT+BT^{2}+CT^{3}(T-100)\right]\;(-200\;{}^{\circ }\mathrm {C} <T<0\;{}^{\circ }\mathrm {C} ),$

$R_{T}=R_{0}\left[1+AT+BT^{2}\right]\;(0\;{}^{\circ }\mathrm {C} \leq T<850\;{}^{\circ }\mathrm {C} ).$

Отсюда $R_{T}$ сопротивление при T °C, $R_{0}$ сопротивление при 0 °C, и константы (для платинового сопротивления) —

$A=3.9083\times 10^{-3}\;{}^{\circ }\mathrm {C} ^{-1}$

$B=-5.775\times 10^{-7}\;{}^{\circ }\mathrm {C} ^{-2}$

$C=-4.183\times 10^{-12}\;{}^{\circ }\mathrm {C} ^{-4}.$

• см. Эффект Пельтье

• 
  Уличные электронные часы с термометром
• 
  Настенные электронные часы с термометром
• 
  Домашняя метеостанция
• 
  Электронный медицинский термометр

Оптические термометры

Оптические термометры позволяют регистрировать температуру благодаря изменению уровня светимости, спектра и иных параметров (см. Волоконно-оптическое измерение температуры) при изменении температуры. Например, инфракрасные измерители температуры тела.

Инфракрасные термометры

Инфракрасный термометр позволяет измерять температуру без непосредственного контакта с человеком. В 2014 году Россия подписала Минаматскую конвенцию о ртути, и к 2030 году Россия откажется от производства ртутных термометров.В некоторых странах уже давно имеется тенденция отказа от ртутных термометров в пользу инфракрасных не только в медицинских учреждениях, но и на бытовом уровне.

• 
  Инфракрасный термометр
• 
  минИнфракрасный термометр

Технические термометры

Технические термометры используются на предприятиях в сельском хозяйстве, нефтехимической, химической, горно-металлургической промышленностях, в машиностроении, жилищно- коммунальном хозяйстве, транспорте, строительстве, медицине, словом, во всех жизненных сферах.

Выделяют такие виды технических термометров:

• термометры технические жидкостные;
• термометры биметаллические ТБ, ТБТ, ТБИ;
• термометры сельскохозяйственные ТС-7А-М;
• термометры максимальные СП-83;
• термометры для спецкамер низкоградусные СП-100;
• термометры специальные вибростойкие СП-1;
• термометры ртутные электроконтактные ТПК;
• термометры лабораторные ТЛ;
• термометры для нефтепродуктов ТН;
• термометры для испытаний нефтепродуктов ТИН.

Максимальные и минимальные термометры

Максимальный и минимальный термометр

По виду регистрации предельного значения температуры термометры разделяются на максимальные, минимальные и без регистрации. Минимальный/максимальный термометр показывает минимальное/максимальное значение температуры, достигнутое с момента сброса. Так, медицинский ртутный термометр является максимальным — он показывает максимальное значение температуры, достигнутое в ходе измерения, благодаря узкой «шейке» между ртутным резервуаром и капилляром, в которой при уменьшении температуры столбик ртути разрывается, и ртуть не уходит обратно в резервуар из капилляра. Перед измерением фиксирующий (максимальный или минимальный) термометр должен быть сброшен (приведён к значению заведомо ниже/выше измеряемой температуры).

Газовый термометр

Газовый термометр

Основная статья: Газовый термометр

Газовый термометр — прибор для измерения температуры, основанный на законе Шарля.

В 1787 году Шарль установил, что одинаковое нагревание любого газа приводит к почти одинаковому повышению давления, если при этом объём остается постоянным. При изменении температуры по шкале Кельвина давление идеального газа в постоянном объёме прямо пропорционально температуре. Отсюда следует, что давление газа (при V = const) можно принять в качестве количественной меры температуры. Соединив сосуд, в котором находится газ, с манометром и проградуировав прибор, можно измерять температуру по показаниям манометра.

В широких пределах изменений концентраций газов и температур и малых давлениях температурный коэффициент давления разных газов примерно одинаков, поэтому способ измерения температуры с помощью газового термометра оказывается малозависящим от свойств конкретного вещества, используемого в термометре в качестве рабочего тела. Наиболее точные результаты получаются, если в качестве рабочего тела использовать водород или гелий.

См. также

• Термометр сопротивления
• Термохимические краски
• Аквариумный термометр
• Манометрический термометр
• Пирометр
• Тепловизор
• Дилатометр
• Конус Зегера
• Цветовая температура
• Абсолютная термодинамическая температура

Литература

• Гельфер Я. М. История и методология термодинамики и статистической физики. — Изд. 2-е, перераб. и дополн.. — М.: Высшая школа, 1981. — 536 с.
• Лермантов В. В. Термометр // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 5 изд., испр.. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. — 544 с. — ISBN 5-9221-0601-5.

Ссылки

• Европа наложила запрет на ртуть в термометрах / membrana, 11 июля 2007
• Термометр медицинский цифровой прецизионный / Мир Измерений, 01.09.2010
• Ртутный термометр (Домашний советник)