Termometr

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
cz. 39
TERMOMETR
POMIAR CIEPŁA
Piotr Kawalerowicz
TEMPERATURA
Temperatura jest jednym z najczęściej mierzo-
nych parametrów. Ma swój udział i wpływ na świat
przemian fizycznych, chemicznych i biologicznych,
a związki te występują na wielu płaszczyznach. Jed-
nak na przestrzeni dziejów pełne zrozumienie złożo-
ności zagadnień związanych z temperaturą i jej po-
miarem następowało powoli.
Zapewne od pradawnych czasów ludzie intui-
cyjnie dostrzegali zróżnicowane właściwości wynika-
jące z różnej temperatury przedmiotów. Wiedzieli, że
śnieg czy lód są zimne, a ogień i żar – gorące. Rozróż-
niali stan: ciepło, zimno. Instynktownie czuli związek
ciepła z poczuciem komfortu (pierwsze okrycia ze
skór), jak też to, że zimno jest niemiłe. Jednak wiedza
ta opierała się głównie na subiektywnej ocenie tem-
peratury.
Większą wiedzę na temat znaczenia temperatu-
ry zdobyto, odkąd człowiek zajął się wypalaniem cera-
miki, wytopem metali czyli obróbką cieplną. Poszcze-
gólne czynności związane z wytopem metali wymaga-
Jedną z najbardziej ludzkich, spośród wielu
charakterystycznych dla człowieka cech, jest
ciekawość
. W połączeniu z uporem, pracowi-
tością i dociekliwością często była źródłem od-
kryć – zarówno tych popychających cywilizację
do przodu, jak i tych, które na lata pogrążały ją
w mrokach. Jaka jest historia wynalazków
i odkryć, skąd się brały, kto i gdzie ich do-
konywał, jaki był ich dalszy los i wpływ na
cywilizacje?
Australopitek i
Homo habilis
– człowiek pierwotny
Homo erectus
– człowiek wyprostowany
Homo sapiens
– człowiek rozumny
Człowiek z Cromagnon
Pierwsze wyraźne przejawy tzw. kultury rolnej – uprawy, co pociąga za sobą początki
osiadłego trybu życia (Mezopotamia, Azja Wschodnia, Meksyk, Peru).
Pojawia się: pismo, koło, żagiel, wytop metali z rud.
Grecki pisarz i naukowiec Filon z Bizancjum naj-
prawdopodobniej jako pierwszy, stwierdził, że po-
wietrze pod wpływem ciepła zmienia swoją obję-
tość. Opisał też termoskop – przyrząd pozwalający
na określenie różnicy temperatur, którego zasada
działania opierała się na wykorzystaniu zjawiska
rozszerzalności cieplnej gazów.
3 000 000 lat p.n.e.
2 000 000–1 500 000 lat p.n.e.
350 000–250 000 lat p.n.e.
ok. 10 000 lat p.n.e.
ok. 8000 p.n.e.
w IV tysiącleciu p.n.e.
210 r. p.n.e.
Na różnice ciepłoty ciała ludzkiego zwraca uwagę
grecki lekarz żyjący sześć wieków po Hipokratesie
– uważany na równi z nim za współtwórcę medycy-
ny – Claudius Galen.
p.n.e. /n.e.
ok. 129–201 r.
Ponieważ zmysły nie są najlepszym narzędziem do oceny ilości ciepła, przez długi
czas uważano, że ciepło i zimno to różne, niepowiązane ze sobą zjawiska.
Termoskop składał się z jednostron-
nie zasklepionej rurki zanurzonej
w zbiorniku z cieczą (wodą lub wi-
nem). Gdy przed zanurzeniem rurkę
podgrzano, powietrze w niej ulegało
rozszerzeniu i wydostawało się do
atmosfery. Po zanurzeniu w cieczy,
gdy powietrze w rurce ochłodziło
się, w miejsce usuniętego powietrza
wpływała ciecz z naczynia. Przy dal-
szych zmianach temperatury wyso-
kość cieczy w rurce zmieniała się,
a jej położenie wskazywało, czy by-
ło cieplej, czy chłodniej w odniesie-
niu do wartości wyjściowej.
Umiera geniusz nieskrępowanej myśli – Leonardo
da Vinci, pozostawiając po sobie ok. 7000 stron no-
tatek zawierających pomysły i wynalazki.
V 1519 r.
Galileusz uważany jest za twórcę termometru, chociaż instrument przez niego
skonstruowany w pełni termometrem nie był. Nie miał skali, zatem pokazywał je-
dynie zmiany temperatury, nie umożliwiając ich pomiaru.
Galileusz powrócił do idei przedstawionej przez
Filona z Bizancjum. Zbudował przyrząd nazwany
przez niego termoskopem. Był on bardzo podobny
do urządzenia opisanego w starożytności, z tym
jednak, że jego rurka miała rozszerzoną, kulistą gór-
1582 r.
40
zbiornik powietrza
cd. 1582 r.
ną część. Istotą działania przyrządu była
zmiana, pod wpływem zmiany tempera-
tury, objętości powietrza w górnej części
mniejszego naczynia. Gdy powietrze to
pod wpływem zimna kurczyło się, nala-
ne do umieszczonego poniżej naczynia
wino było zasysane do rurki.
Włoski naukowiec Santorio Sanctorius
wykorzystał termoskop do badania tem-
peratury ciała swoich pacjentów.
Sanctori adaptował do swoich celów koncepcję termoskopu, z tym
że rurka od strony zasklepionej była zaopatrzona w bańkę zawiera-
jącą powietrze. Pacjent brał bańkę do ust, a lekarz odczytywał wy-
nik pomiaru na specjalnej skali, w którą Sanctori zaopatrzył termo-
skop.
Był to pierwszy termometr.
Anglik Robert Fludd zmodyfikował termoskop Filona z Bizancjum
i wykorzystywał go do demonstracji zjawiska zwiększania objętości powie-
trza pod wpływem ciepła dostarczanego przez promieniow
anie słoneczne.
Joseph Solomon Delmedigo opisuje szklany, zamknięty
termometr wykorzystujący jako ciecz brandy.
Evangelista Torricelli wynajduje barometr rtęciowy.
Książę toskański Ferdynand II zafascynowany wynalaz-
kiem Galileusza wyeliminował istotną wadę termoskopu
Galileusza (reagował nie tylko na zmiany temperatury,
ale także na zmiany ciśnienia atmosferycznego). Dokonał
tego poprzez odizolowanie rurki od otaczającego powiet-
rza, dzięki czemu znajdująca się w niej ciecz przestała re-
agować na wahania ciśnienia.
Wyprodukowano szczelny termometr szklany z wypełnie-
niem z płynu (alkohol) wg rozwiązania Ferdynanda II. Po-
mimo znacząco lepszej konstrukcji przyrząd był niedok-
ładny z uwagi na brak standaryzowanej skali.
W Warszawie przypuszczalnie rozpoczęto pierwsze po-
miary temperatury i ciśnienia powietrza.
Robert Boyle przedstawił hipotezę, że przemiany fazowe
ciał, a konkretnie temperatura topnienia, jest wartością
stałą dla danego ciała.
Holenderski matematyk, fizyk oraz astronom Christian
Huyghens zaproponował, aby za podstawowe punkty
skali temperatury przyjąć temperaturę topnienia lodu lub
wrzenia wody.
Sebastiano Bartolo zaproponował, aby do wyznaczenia
skali termometrycznej wykorzystać zarówno punkty top-
nienia lodu, jak i wrzenia wody. Umożliwiło to wprowadzenie jednolitej me-
tody cechowania termometrów. Nadal nie ustalono wartości działki elemen-
tarnej termometru, nie wybrano ciała termometrycznego, materiału obudowy
termometru itp. Bartolo w swoim termometrze zakres temperatury między
punktami referencyjnymi podzielił na 18 stopni.
W publikacji J. D’Alence’a pt. „Traittez des Barometres, Thermometres et No-
tiometres ou Hygrometres” zaprezentowano przykłady termometrów: proste-
go i kątowego.
Isaac Newton stwierdził, że litr oleju lnianego o temperaturze topniejącego
śniegu zwiększa swoją objętość do 1,0725 litra w temperaturze wrzącej wo-
dy. Stwierdzenie to stało się podstawą skali Newtona, którą uczony zastoso-
wał w swoim termometrze o długości 3 stóp i średnicy 2 cali, wypełnionym
olejem lnianym. Newton przyjął zero skali w punkcie topnienia śniegu, a 12
stopień dla temperatury ciała ludzkiego.
Oleaus Roemer zaproponował dla swojego termometru, w którym był alkohol, 80-stopniową
skalę opartą na punkcie topnienia lodu, temperaturze ciała ludzkiego i punkcie wrzenia wody.
Roemer przyjął jako punkt zerowy skali (0°Ro) temperaturę mieszaniny lodu, wody i salmiaku,
jako temperaturę mieszaniny tylko lodu i wody – 7,5°Ro oraz 22,5°Ro jako temperaturę krwi
ludzkiej.
ciecz wskaŸnikowa
1612 r.
h
1617–1626
naczynie z ciecz¹
1629 r.
1643 r.
1644 r.
W celu określenia
punktu referencyj-
nego na termomet-
rze Robert Hook
skonstruował
specjalne stano-
wisko do cechowa-
nia termometrów.
1654 r.
1654 r.
Termometr
spiralny
z XVII w. Je-
go kształt
umożliwiał
dokładniej-
sze wyskalo-
wanie (420
pkt.!) oraz
czynił go
mniej podat-
nym na stłu-
czenie.
1665 r.
1665 r.
1679 r.
1688 r.
ok. 1700 r.
1702 r.
41
Termoskop Galileu-
sza miał jednak
jedną zasadniczą
wadę: reagował
nie tylko na zmiany
temperatury, ale
także na zmiany
ciśnienia atmosfe-
rycznego.
  ły kontroli nad temperaturą. Jednak aby temperaturę
kontrolować, trzeba było znać sposoby jej pomiaru.
Pierwszy przyrząd pozwalający na fizyczne
określenie różnicy temperatury opisał w III w p.n.e.
Filon z Bizancjum, a później Heron z Aleksandrii. Ba-
dacze ci wiedzieli, że powietrze pod wpływem ciepła
zmienia swoją objętość. Zjawisko to stanowiło podsta-
wę działania termoskopu będącego pierwowzorem
termometru.
Jeszcze ok. 260 lat temu określanie temperatury
odbywało się subiektywnie. Dla gorących metali
wskaźnikiem był np. kolor żaru. Można było też wy-
rywkowo określić, za pomocą innych materiałów, tem-
peratury charakterystyczne. Ale jaką dokładnie tem-
peraturę wyznacza topienie się siarki, ołowiu, wosku
czy wrzenie wody? Tak ścisłej odpowiedzi nie znano.
Innymi słowy, pomimo że znane były określone
punkty pośrednie, nie było skali ani sposobu, aby
zmierzyć temperaturę pomiędzy tymi punktami. Jest
jednak możliwe, że w znanych nam zapisach
dotyczących historii technologii jest luka, ponieważ
wydaje się niemożliwe aby np. starożytni Egipcjanie,
Asyryjczycy, Grecy, Rzymianie czy Chińczycy nie znali
sposobów pomiaru temperatury.
Punktem przełomowym dla pomiarów było
wprowadzenie podziałki – skali. Wie-
lu naukowców proponowało swoje
autorskie pomysły, różniące się pun-
ktami stałymi (zamarzania, wrzenia,
etc.), ilością stopni i dokładnością po-
działki. Na początku XVIII w. wymyś-
lono ponad 35 różnych skali do pomiaru temperatury.
W 1714 r. Daniel Gabriel Fahrenheit wynalazł termo-
metr alkoholowy i rtęciowy. Jego termometr rtęciowy
składał się z cienkiej rurki (kapilary), która po wypeł-
nieniu rtęcią była podgrzewana, aby zwiększyć obję-
tość rtęci i w celu pozbycia się z rurki powietrza.
Następnie tubę zamykano, pozostawiając rtęci możli-
wość kurczenia się lub rozszerzania wraz ze zmiana-
mi temperatury (tzw. ciało termometryczne). Pomimo
że termometr rtęciowy nie jest tak dokładny jak po-
wietrzny ma istotną przewagę: dzięki temu, że jest
szczelny, jest niezależny od ciśnienia atmosferyczne-
go. W tym czasie termometry były skalibrowane (mia-
ły podziałkę) pomiędzy punktem zamarzania słonej
wody a temperaturą ludzkiego ciała (sól dodawano
do pokruszonego lodu, aby uzyskać najniższą, możli-
wą do otrzymania sztucznie w tym czasie temperatu-
rę). W popularnych flamandzkich termometrach zak-
res ten podzielony był na 12 punktów. Nieco później
Fahrenheit dokonał dalszego podziału na 96 pun-
któw, nadając swojemu termometrowi większą dok-
ładność i tworząc skalę bardzo zbliżoną do współ-
czesnej skali Fahrenheita. Później w XVIII w. Anders
Celsius zdał sobie sprawę, że dużo praktyczniejszą
skalą kalibracji byłby podział na 100 jednostek, za-
miast 96. Początkowo aproponował, aby oznaczyć ja-
ko 100 stopni punkt zamarzania wody, a jako 0° stop-
ni punkt wrzenia wody. Skalę tę później odwrócono,
co dało początek tzw. skali Centigrade.
Początek XIX w. to seria nowych odkryć, bardzo
istotnych dla zrozumienia i rozwoju pomiaru tempera-
Guillaume Amontons ustalił, że ciśnienie powietrza w danej objętości rośnie
w przybliżeniu proporcjonalnie do temperatury i skonstruował termometr ga-
zowy o stałej objętości. Analizując odkrytą przez siebie zależność, doszedł do
wniosku, że istnieje taka temperatura, w której gaz zamknięty w stałej obję-
tości będzie wywierał zerowe ciśnienie. W ten sposób Amontons wprowadził
pojęcie temperatury zera bezwzględnego.
Wytwórca termometrów Daniel Gabriel Fahrenheit pokonał trudności
techniczne i produkował termometry alkoholowe, których wskazania były
wzajemnie zgodne.
1702 r.
1709 r.
Daniel Gabriel Fahrenheit jako pierwszy
skonstruował szklany termometr rtęciowy.
Dzięki właściwościom rtęci i ulepszonej obróbce elementów
szklanych był on zadowalająco dokładny.
Fahrenheit odkrył zjawisko przechłodzenia wody, a także
stwierdził, że temperatura wrzenia wody jest zależna od
ciśnienia atmosferycznego.
1714 r.
1721 r.
Do wyskalowania swoich termometrów Fahren-
heit użył 2 punktów charakterystycznych. Prze-
dział pomiędzy punktem zamarzania a wrzenia
wody podzielił na 180 stopni. 32 przyjął jako
liczbę początkową swojej skali. Skala Fahren-
heita jest nadal w użyciu np. w USA.
Francuski przyrod-
nik René-Antoine Ferchault de Réaumur zapropono-
wał skalę termometryczną, w której temperaturze
punktu zamarzania wody odpowiadało 0°R, a tempe-
raturze wrzenia wody – 80°R. Termometry o tej skali
były używane głównie we Francji i w centralnej Eu-
ropie przez ponad stulecie.
Francuski astronom pracujący w St. Petersburgu – Joseph Nicolas Delisle – wykonał termo-
metr rtęciowy z taką samą skalą jak u Réaumura, tylko odwróconą, czyli zero odpowiadało
temperaturze wrzenia wody, a 80° temperaturze zamarzania wody. Termometr był wyskalo-
wany do 240 lub 270 stopni, co miało zapewnić (z nadmiarem) pomiar w mroźne zimy
w St. Petersburgu.
1731 r.
1732 r.
42
1740 r.
1742 r.
Joseph Betali konstruuje w Paryżu termometry.
Szwedzki astronom Anders Celsius (Celsjusz) zaproponował skalę termo-
metryczną, która opierała się na dwóch punktach referencyjnych – tempera-
turze topnienia lodu i wrzenia wody. Swoją koncepcję opisał w artykule za-
mieszczonym w „Kungliga Svenska Wetenskaps Academiens Handlingar”
(Kroniki Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk) pt. „Uwagi o dwóch sta-
łych stopniach termometru”.
Celsjusz zakres podzielił na 100 równych części, wprowadzając tym samym skalę dzie-
siętną. Temperaturze topnienia lodu przyporządkował 100°C, a temperaturze wrzenia
wody 0°C. Podobno pytany, czym się kierował, ustalając taki kierunek skali, odpowie-
dział, że w Szwecji przez większą część roku panuje temperatura niższa niż temperatu-
ra topnienia lodu i tak konstruując skalę, chciał uniknąć wartości ujemnych.
Zestaw
barome-
tru i ter-
mometru
z 1740 r.
1743 r.
Francuz Jean Pierre Cristin zaproponował odwróconą wersję skali Celsjusza (punkt zamarza-
nia = 0°, wrzenia = 100°). Nazwał ją Centigrade.
Lord Charles Cavendish (ojciec znanego chemika) skonstruował pierwsze termometry ekstre-
malne.
W Norriton w Pensylwanii David Rittenhouse skon-
struował termometr kieszonkowy działający na za-
sadzie bimetalu.
1757 r.
1767 r.
przewód
przewód
Bimetal jest to najczęściej taśma składającą się z dwóch
zwalcowanych metali o różnych temperaturowych współ-
czynnikach rozszerzalności liniowej. Pod wpływem tem-
peratury swobodny koniec bimetalu odchyla się od poło-
żenia równowagi proporcjonalnie do temperatury. Właś-
ciwość ta jest wykorzystywana do licznych zastosowań np. jako termowyłącznik lub rejestrator temperatury.
styk
blaszki bimetalu
1772 r.
Szwajcarski geolog i meteorolog Jean Andre Deluc prowadzi badania
m.in. temperatury wrzenia wody. Jako jeden z pierwszych na podsta-
wie wskazań baro
metru poprawnie określał wysokość wzniesień.
P. Cotte, w publi-
kacji pt. „Traite
de Meteorolo-
gie”, opisuje róż-
ne rodzaje termo-
metrów i prezentuje szkice urządzeń.
Lambert napisał o możliwościach wyko-
rzystania bimetali do pomiarów tempe-
ratury, a właściwie do rejestracji prze-
biegów temperatury.
1774 r.
Termometry Santorio,
Drebbela i florentyń-
ski wg P. Cotte’a.
1779 r.
1786 r.
Josiah Wed-
gwood zapre-
zentował kró-
lowi Jerzemu III pyrometr – instrument do po-
miaru wysokich temperatur mający zastoso-
wanie przy wypalaniu ceramiki.
Przyrządy do badania
temperatury – XVIII w.
Obwód złożony z dwóch
różnych metali, w którym
po umieszczeniu spoin
w różnych temperaturach
zaczyna płynąć prąd,
nazwano termoparą (ang.
thermocouple).
Pyrometr – zasada działania opierała się na po-
miarze skurczu drobnych kawałków porcelany
będącego wynikiem oddziaływania wysokiej
temperatury.
1821 r.
W Niemczech Thomas Johann Seebeck, fizyk estońskiego pochodzenia,
wynalazł tzw. termoparę.
William Thompson, późniejszy baron Kelvin of Largs, lord Kelvin of Scotland, badając równa-
nia gazowe, ustalił wartość temperatury zera bezwzględnego, która wyrażona w stopniach
Celsjusza wynosi –273,15°. Zaproponował skalę, która rozpoczynać się będzie od 0 bezwzględ-
nego i której jednostka, 1 kelwin, będzie równa 1°C . Pozwoliło to na ustalenie wzajemnego
związku między skalami Kelvina i Celsjusza. T = t
C
+ 273,15.
1848 r.
43
tury: William Thomson (później lord Kelvin) zapropo-
nował określenie tzw. „zera absolutnego”. Sir William
Hershel zaobserwował, że poszczególne barwy skła-
dowe, rozszczepionego za pomocą pryzmatu światła
słonecznego (kolory), gdy przesuwa się po nich ter-
mometr z czarną
końcówką, wy-
kazują różną
temperaturę.
Henri Victor Renault po raz pierwszy zasto-
sował zjawisko Seebecka do pomiaru tem-
peratury, stosując termoparę Cu-Fe. Pomiar
temperatury termoparą mimo takich zalet,
jak czułość, mała bezwładność
i rozmiar, nastręczał jednak trud-
ności, gdyż jedna ze spoin musia-
ła być utrzymywana w stałej tem-
peraturze (najczęściej mieszaninie
wody z lodem).
Henri Becquerel proponuje pyrometer op-
tyczny.
Calender van Duesen konstruuje platynowe
urządzenie oporowe do pomiaru temperatury.
Henri-Louis Le Châtelier konstruuje pier-
wszy optyczny pyrometr. Urządzenie to
umożliwia pomiar temperatury na odleg-
łość.
Sidney Brannan, londyński producent ter-
mometrów, uruchamia zakład produkujący
przyrządy do pomiaru temperatury.
1855 r.
internetowy kalkulator temperatur:
-
Temperatura zera bez-
względnego jest najniższą
temperaturą, jaką mogą
osiągnąć wszystkie ciała.
1864 r.
Czy wiesz, że...
Rodzaje termometrów
Podział termometrów ze względu na zasadę
działania
– termometr cieczowy – wykorzystuje zjawisko roz-
szerzalności cieplnej cieczy (przeważnie rtęci albo
alkoholu):
– termometr rtęciowy – dla temperatur od –38°C
(temp. topnienia rtęci) do +356°C (temp. wrze-
nia rtęci);
– termometr alkoholowy – dla temperatur od –70
do +120°C; np. termometr pokojowy
– termometr gazowy – czynnikiem roboczym jest
gaz, mierzy się parametry gazu np. objętość. Ciś-
nienie się zmienia przy stałej objętości.
– termometr parowy – wykorzystuje zależność ciś-
nienia pary nasyconej od temperatury, stosowany
często w termostatach, np. samochodowych,
– termometr oporowy – wykorzystuje zjawisko zmia-
ny oporu elektrycznego przy zmianie temperatury,
stosowanym czynnikiem jest platyna, brąz, pół-
przewodniki, specjalne stopy
– termopara – wykorzystuje zjawisko termoelektrycz-
ne,
– termometr magnetyczny (paramagnetyczny) – do
pomiaru temperatur mniejszych niż 1 kelwin.
Podział termometrów ze względu na przeznaczenie
– termometr lekarski – zakres temperatur: od 35 do
42°C i jest to termometr temperatury maksymalnej
– termometr zaokienny – zakres temperatur: od –50
do 50°C
– termometr pokojowy – zakres temperatur: od 0 do
40°C
– termometr laboratoryjny – zakres temperatur: bar-
dzo różny (zazwyczaj od 0 do 120°C)
1885 r.
1892 r.
1913 r.
Współcześnie
produkowane
termometry.
W Death Valley (Kalifornia) odnotowano
najwyższą w USA temperaturę powietrza =
134°F (57°C).
VII 1913 r.
Aby przeliczyć temperaturę w skali Celsjusza
(°C) na skalę Fahrenheit’a (°F) lub odwrotnie,
należy skorzystać z odpowiedniego wzoru:
°C = °F – 32 × (5/9)
°F = °C/(5/9) + 32
Warto poznać
Termometr
Przyrząd do pomiaru temperatury metodą pośrednią,
na podstawie zmiany pod wpływem temperatury
właściwości termometrycznej ciała termometrycznego
zastosowanego w termometrze. Zakres mierzonych
temperatur i zastosowań termometru w znacznym
stopniu zależy od ciała termometrycznego i właści-
wości termometrycznej. Termometr może służyć do
pomiaru dowolnej temperatury w określonym zakresie
lub wskazywania tylko wybranych wartości
temperatury (wskaźniki temperatury).
W Libii odnotowano najwyższą z zmierzo-
nych temperaturę powietrza = 136°F (58°C).
Na VII Generalnej Konferencji Wag i Miar
przyjęto pierwszą Międzynarodową Skalę
Temperatury. Skala ta była ograniczona
z jednej strony temperaturą wrzenia tlenu,
a z drugiej topnienia złota.
C.H. Meyers wykonał klasyczny platynowy
opornik termometryczny. Obecnie oporniki
1922 r.
1927 r.
1932 r.
44
[ Pobierz całość w formacie PDF ]