Термометрията се занимава с измерване на температурата в различни системи и е дисциплина с по-скоро емпирично начало, тъй като от времето на Хипократ, в областта на медицината, температурата на телата се е познавала чрез допир и според възприеманото усещане е била класифицирана като „Сладка топлина“ o „пареща треска“Въпреки това, едва след разработването на термометъра от Галилео Галилей, тази област на изследване излиза от емпиричните води, за да приеме ясно научна роля.
Всички познаваме термометъра като инструмент за измерване на температурата на тялото и неговата околна среда, но Как работи? Откъде се появиха температурните скали? Преди да отговорим на тези въпроси, е важно да изясним концепцията за променливата, която измерваме: температура.
Температурата, основната единица на термометричната скала
Когато чуете думата температура, обикновено веднага се сещате за количество топлинаПървото нещо, което трябва да се вземе предвид обаче, е, че топлината не е същото като температуратавъпреки че и двете величини са силно свързани.
El топлина Това е форма на енергия, чийто пренос е свързан с температурен градиент между две системи. Тоест, топлината се пренася, когато има температурна разлика между тела или области на едно и също тяло. Това означава, че температурата е променлива, която определя посоката на топлинния поток, но Не е самата жега.
La температура се свързва с средна кинетична енергия на частиците на система. Колкото по-голямо е възбуждането в движението на тези частици, толкова по-голяма е стойността, посочена от т.нар. термометрични везниКогато частиците се движат с повече енергия, ние възприемаме тялото като по-горещо; когато се движат по-малко, го възприемаме като по-студено.
Освен това, в науката е важно да се прави разлика между:
- Температура Това е свойство на състоянието, което показва топлинното състояние на системата и се измерва с... термометър.
- топлина Това е енергия в движение, която винаги изтича от тялото с по-висока температура в по-ниска температураникога обратното.
- В Международната система енергията (и следователно топлината) се измерва в джаули (J)въпреки че в много ежедневни контексти те също се използват калории.
а калории Определя се като топлината, необходима за повишаване на температурата на един грам вода с един градус по Целзий. В храненето често се нарича килокалории (kcal), където 1 kcal е еквивалентна на 1000 калории. Всичко това е свързано с температурата, защото когато към дадено вещество се добави топлина, кинетичната енергия на неговите частици се увеличава и следователно температурата му, измерена по термометрична скала.
Термометър, основата на термометрията
Както вече бе споменато, създателят на първия термометър е Галилео Галилей. Дизайнът на този примитивен инструмент се е основавал на сглобяването на вертикална стъклена тръбазатворени от двата края, съдържащи вода, в която няколко бяха потопени стъклени сфери Те бяха запечатани, с оцветена течност вътре. С промяната на температурата, сферите изместваха позицията си в тръбата според плътността си, което позволяваше наблюдението на термичната промяна.
Това позволи първите записи за температурни вариации по-обективно от просто докосване. Течността, използвана в този първи термометър, е била водаПо-късно обаче беше заменен от алкохолПричината е, че водата при много ниски температури достига своята точка на замръзванеОсвен това, с промяната на атмосферното налягане са регистрирани колебания в нивото на водата, без това реално да предполага промяна в температурата. Алкохолът, от друга страна, има по-ниска точка на замръзване и по-забележимо разширение.
Сред първите подобрения на термоскопа на Галилей е работата на санторио (между 1611 и 1613 г.), който е включил числена скала към инструмента; въпреки това, показанията все още не бяха напълно надеждни поради чувствителността на течността към атмосферното налягане и произволността на маркировките.
С течение на времето няколко учени усъвършенстват както инструмента, така и неговото калибриране. Един от ключовите постижения е въвеждането на живак като термометричен флуид, който затвърди основата на термометри с течност в стъкло, широко използван от векове в медицината, метеорологията и лабораториите.
Съвременните термометри съдържат различни технологии:
- Живачни или алкохолни термометри: базирано на разширяването на течност, съдържаща се в капилярна тръба.
- Цифрови термометриТе използват електронни сензори (като термистори или термодвойки), които преобразуват температурата в електрически сигнал.
- Инфрачервени термометриТе измерват топлинно излъчване излъчвани от тяло, което позволява да се знае температурата му без директен контакт.
Всички те трябва да бъдат калибриран според термометрична скала (Целзий, Фаренхайт, Келвин и др.), така че показанията да са последователни и сравними навсякъде по света.
В образователния контекст е обичайно да се изработват домашно приготвени термометри с бутилки, цветен алкохол и сламкиТези устройства просто илюстрират принципа на термично разширениеКогато сместа се нагрява, течността и въздухът се разширяват, изтласквайки течността нагоре през тръбата; когато се охлади, обемът намалява и нивото спада.
Принцип на работа на термометъра
Когато две части на една система влязат в контакт, се очакват промени в техните свойства, свързани с феномена на пренос на топлина между тях. С течение на времето, ако няма външна намеса, и двете страни са склонни да постигнат термично равновесие.
Условията, които трябва да бъдат изпълнени, за да бъде една система в термично равновесие, са следните:
- Не би трябвало да има топлообмен между участващите страни (енергията спира да тече от едно тяло към друго).
- Нито едно от свойствата, които зависят от температурата (като обем, налягане или електрическо съпротивление, в зависимост от случая), не трябва да се променя с течение на времето.
Термометърът работи по т.нар. Нулев принцип на термодинамикатаТози закон установява взаимовръзката между системите в термично равновесие: ако система А е в термично равновесие със система Б, а Б е в термично равновесие със система В, тогава А и В също са в термично равновесие. Този закон оправдава използването на термометъра като посредник за измерване на температурата на всяко тяло.
В термометър с течност в стъкло, живак о ел оцветен алкохол Той действа като течност, чувствителна към температурни промени. Когато крушката на термометъра влезе в контакт с тяло или среда, чиято температура искаме да знаем:
- Топлопреносът се осъществява, докато течността и тялото достигнат термично равновесие.
- Течността разширява или се свива приблизително равномерно с температурата, променяйки нивото си в капилярната тръба.
- La височина Температурата, достигната от флуида, се сравнява с градуирана скала, и температурната стойност се получава в желаната мерна единица (°C, °F и др.).
Този принцип на действие се прилага аналогично и за други видове термометри, въпреки че величината, която се променя с температурата, може да бъде различна (електрическо напрежение, съпротивление, радиация и др.). Същественото е, че съществува известна, възпроизводима и калибрируема връзка между измервана променлива и температура.
Разработване на термометрични везни
Както вече бе споменато, първият визионер, който осъзна необходимостта от установяване на параметър за измерване в инструмента на Галилей, беше санториокойто е установил числова скала, която няма особен физически смисъл. Въпреки това, това събитие е било от голямо значение за развитието на това, което познаваме днес като термометрични везни.
С течение на времето различни учени предложиха скали, базирани на опорни точки лесно възпроизводими, като например синтез y кипене от чиста вода, на точка на замръзване на солената вода или дори нормална телесна температура на човешкото същество. Тези скали се различават по своя произход (нула), по широчината на своите деления и по избраните фиксирани точки, но всички те имат една и съща цел: да преведат топлинното състояние в сравними числа.
Клас на Rømer
мащабът на Рьомер Тя беше една от първите, които свързаха височината на течността в термометъра с физически референтни точки. Работата ѝ се основаваше на замразяване и кипене на солена водаТази скала обаче е остаряла в момента, тъй като не предоставя достатъчно точни и последователни резултати за съвременните научни стандарти.
Термометър Реомюр
Друга релевантна историческа скала е тази на РеомюрВ него разстоянието между точката на топене на леда и точката на кипене на водата беше разделено на 80 равни частиВсяко деление се нарича степен на Реомюр, със символ . °R (да не се бърка с Ранкин). Стойността 0°R съответства на топенето на леда и 80°R до кипене на вода при стандартни условия на налягане. Въпреки че е имал известно приложение в промишлените процеси и в континентална Европа, днес той е практически изостанал.
Скала по Фаренхайт
Даниел Фаренхайт е производител на технически инструменти, изобретател на алкохолния термометър (през 1709 г.) и по-късно един от първите надеждни живачни термометри (Той въвежда живака през 1714 г.). Този изобретател от немски произход разработва термометрична скала, носеща неговото име, която има следните характеристики:
- В оригиналния си дизайн, той не е използвал температури под определена произволно избрана минимална стойност, така че много от ранните му експерименти са избягвали отрицателни стойности. В тази конструкция, кипене на вода Стои на 212 ° F и замръзване en 32 ° F.
- Скалата е разделена на 180 равни части между точките на замръзване и кипене на водата. Всяка част е Фаренхайт, символ ° F, което предполага относително фина разделителна способност в този интервал.
- Има доста прецизност, тъй като се основава на наблюдения с живачен термометър, материал с почти равномерно разширение в широк температурен диапазон.
- С прецизния си термометър Фаренхайт измервал вариацията на точка на кипене на водата при различно атмосферно налягане и успя да установи, че точката на кипене е характеристика на всяко течно вещество и това зависи и от налягането.
- Употребата му исторически се е разпространила в страни като САЩ y Обединеното кралство (въпреки че последната е възприела метричната система в много области). Днес тя остава референтната скала в ежедневието в някои страни, особено за стайна температура и телесна температура.
Скала по Целзий
Сред термометричните скали, тази на Целзий Той придоби голяма популярност. Разработен е с помощта на по-ниската стойност като ориентир. точка на замръзване на водата чист и като превъзходна стойност Точка на кипенеи двете при стандартно атмосферно налягане. Разстоянието между тези две точки беше разделено на 100 равни деления, което доведе до появата на т. нар. Целзийска скала.
В този мащаб:
- 0 ° C съответства на точката на топене на леда (вода в равновесие твърдо-течно състояние).
- 100 ° C съответства на точката на кипене на водата (фазова промяна течност-пара) при стандартни условия.
За разлика от други исторически скали, скалата по Целзий работи с 100 дипломирания между тези фиксирани точки, което улеснява изчисленията и преобразуванията. Употребата му се е разпространила за цели домакинство, образователен и в много технически контексти, тъй като мащабът е част от метрична система и се използва широко в повечето страни за обозначаване на температурата на околната среда, водата, храната или човешкото тяло.
В науката обаче, за термодинамични изследвания използването на абсолютна скала на КелвинВъпреки това е много лесно да се свържат двете скали, защото размерите на градусите по Целзий и Келвин са еднакви.
Абсолютна скала
В мащаба на Келвин Дадено е описанието на „абсолютен“, тъй като отчита стойността на т.нар. Абсолютна нулаЗначението му се състои във факта, че не зависи от произволни фиксирани точки, а представя температурата като пряк израз на молекулярна кинетична енергияВ тази скала нулата е свързана с точката, в която е определена теоретичната стойност. спиране на термичното движение на частиците (въпреки че на практика това никога не се постига точно).
Някои от основните му характеристики са:
- El нула келвина (0 K) представлява най-ниската възможна температура според термодинамичната теория.
- Единиците на скалата на Келвин имат Същия размер отколкото единиците на скалата на Целзий, така че промяна от 1 °C е еквивалентна на промяна от 1 K.
- Връзката между двете скали се изразява като: T(K) = T(°C) + 273,15 за.
Важно е да се подчертае, че тази скала е световна референция в наукатаВ изследвания, публикации и инженерни работи температурите обикновено се отчитат в Келвин, за да се запази съгласуваност с термодинамичните уравнения.
Скала на Ранкин
мащабът на Ранкин Беше предложена абсолютна скала, аналогична на тази на Келвин, но базирана на размера на градуса по Фаренхайт. По този начин:
- El нула на Ранкин Това съвпада и с Абсолютна нула, точно както при нула Келвин.
- Амплитудата на една степен на Ранкин е равна на тази на Фаренхайтне до един градус по Целзий.
По аналогия може да се каже, че връзката Целзий-Келвин е от същото естество като Фаренхайт-РанкинТова означава, че за преобразуване от Фаренхайт в Ранкин и обратно се използват линейни формули, подобни на тези, свързващи Целзий и Келвин.
Въпреки че употребата му е по-малко разпространена от тази на Келвин, той остава актуален в определени контексти на топлотехника и в системи, които използват английски мерни единици.
Абсолютни скали и относителни скали
Термометричните скали могат да бъдат класифицирани в две основни групи според вида на използваната от тях референтна стойност:
- абсолютни скали: като Келвин (К) и Ранкин (R)Неговата нула е зададена на Абсолютна нула, теоретично най-ниската възможна температура. Това са предпочитаните скали в научна област и в много инженерни приложения.
- Относителни скали: като Целзий (° C) и Фаренхайт (° F)Те са изградени на базата на конвенционални референтни точкикато например точките на топене и кипене на водата или телесната температура. Те се използват широко в ежедневието и в основното образование.
Всички тези скали са линейно пропорционален помежду си в температурните диапазони от практически интерес, което позволява установяване формули за преобразуване прости сред тях.
Преобразувания между термометрични скали
Използването на преобразувания е от голямо значение при решаването на проблеми във физиката, химията, инженерството и в много ежедневни ситуации. Не можем да смесваме температури, изразени в различни единици, в едно и също уравнение. различни мащаби без да ги конвертират предварително, а различни страни или дисциплини могат да използват различни единици.
Тъй като скалите са линейни, са установени зависимости, които ни позволяват да трансформираме стойност, изразена в една скала, в неин еквивалент в друга. Някои общи отправни точки са:
- Точка на топене на водата: 0°C = 32°F = 273,15K.
- Точка на кипене на водата: 100°C = 212°F = 373,15K.
Въз основа на тези данни и пропорционалността на скалите се получават най-често използваните формули за преобразуване:
- Фаренхайт (ºF) - Ранкин (ºR)
Във връзката между скалите на Фаренхайт и Ранкин, размерът на градуса е един и същ, но скалата на Ранкин започва от абсолютната нула. Типичното преобразуване може да се изрази като:
°R = °F + 460 (приблизително)
Ако е изчистено:
°F = °R − 460
- Целзий (ºC) - Келвин (ºK)
Между Целзий и Келвин, размерът на градуса е идентичен и разликата се дължи единствено на стойността, присвоена на нула. Връзките са:
°C = K − 273,15
И обратното:
К = °С + 273,15
- Целзий (ºC) - Фаренхайт (ºF)
Между Целзий и Фаренхайт зависимостта също е линейна, но размерът на градуса и нулевата точка са различни. Преобразуването може да се запише като:
°C = (°F − 32) / 1,8
И за да преобразуваме от Целзий във Фаренхайт:
°F = 1,8 × °C + 32
Тези формули се използват както в академичен контекст (приемни изпити, задачи по физика и химия), така и в ежедневиетоНапример, за да интерпретираме телесната температура в страна, която използва Фаренхайт, когато ние сме свикнали с Целзий, или да преобразуваме посочените температури в рецепти международен.
Типично упражнение би било: ако температурата на човек е 101 °F (38,3 °C), каква е неговата температура в °C и K (38,3 °C)?
Прилагане на формулите:
- T(°C) = 5/9 [T(°F) − 32]Замествайки T(°F) = 101: T(°C) ≈ 38,33 °C.
- T(K) = T(°C) + 273,15Тогава T(K) ≈ 38,33 + 273,15 ≈ 311,48 K.
Както виждате, познаването на преобразуванията между температурните скали е просто, но много полезно умение, което избягва объркване и недоразумения при пътуване, интерпретиране на метеорологични данни или работа с научна информация от различни страни.
Разбиране какво е температура, разграничаване от топлина, познаване на работата на термометъра и правилно боравене с основните му функции термометрични везни и реализации Това позволява критично тълкуване на много ежедневни и академични ситуации: от четене на метеорологична прогноза до контролиране на процесите на готвене на храна, наблюдение на температура или разбиране на физични и химични явления в класната стая и лабораторията.