Как работают термометры | Сравнение типов термометров

Вам кажется, что сегодня кипяток или это только мне так кажется? И как мы
можем это определить? Если я скажу, что сегодня жарче, чем вчера, а вы не согласитесь,
как мы можем разрешить спор? Один из простых способов — измерить
температуру термометром в оба дня и сравнить показания.
Термометры — это простые научные приборы, основанные на идее, что металлы меняют
свое поведение очень точным образом по мере нагревания (получают больше тепловой энергии).
Давайте подробнее рассмотрим, как работают эти удобные гаджеты.

Фото: Вот что я называю холодом! Этот стрелочный термометр показывает температуру внутри моего морозильника для продуктов: около −30°C (внутренняя шкала) или −25°F (внешняя шкала). Это абсолютно та же температура, но измеренная двумя немного разными способами.

Жидкостные термометры

Простейшие термометры на самом деле просты! Это просто очень
тонкие стеклянные трубки, заполненные небольшим количеством
серебристой жидкости (обычно ртути — довольно
особого металла, который является жидкостью при обычных, повседневных температурах).
Когда ртуть нагревается, она расширяется (увеличивается в размере) на величину,
которая напрямую связана с температурой. Так, если температура
повышается на 20 градусов, ртуть расширяется и перемещается по шкале
в два раза больше, чем если бы температура повысилась всего на 10 градусов.
Все, что нам нужно сделать, это отметить шкалу на стекле, и мы
легко сможем вычислить температуру.

На фото: Типичный термометр представляет собой трубку с жидкостью, уровень которой поднимается и опускается по линейной шкале
(с равноотстоящими делениями), на которой отмечена температура.

Как определить шкалу? Сделать
термометр по Цельсию (стоградусный) легко, потому что он основан на температурах льда
и кипящей воды. Это так называемые две фиксированные точки. Мы
знаем, что лед имеет температуру, близкую к 0°C, а вода кипит при 100°C.
Если мы опустим наш термометр в лед, мы сможем увидеть, где
находится уровень ртути, и отметить самую низкую точку на нашей шкале, которая
будет примерно 0°C. Аналогично, если мы опустим термометр в
кипящую воду, мы можем подождать, пока ртуть поднимется, а затем сделать
отметку, эквивалентную 100°C. Все, что нам нужно сделать, это разделить шкалу
между этими двумя фиксированными точками на 100 равных шагов («стоградусный» означает 100 делений)
и, вуаля, у нас есть рабочий термометр!

Фото: Спиртовые термометры. Как вы можете видеть по красным линиям вдоль шкалы, эти исторические термометры Dr Pepper на заводе по розливу Dublin Bottling Works и в музее WP Kloster в Дублине, штат Техас, также содержат алкоголь. Фото Кэрол М. Хайсмит. Кредит: Коллекция фотографий Лиды Хилл Техас в проекте «Америка» Кэрол М. Хайсмит, Библиотека Конгресса, Отдел гравюр и фотографий.

Ртуть или спирт?

Не все жидкостные термометры используют ртуть. Если линия, которую вы видите на вашем термометре,
красная, а не серебристая, как на картинке, ваш термометр заполнен
жидкостью на основе спирта (например, этанолом). В чем разница? Ртуть токсична, хотя
совершенно безопасна, если она запечатана внутри термометра. Однако, если стеклянная трубка ртутного термометра
случайно разобьется, это потенциально подвергает вас воздействию ядовитой жидкости внутри нее.
Спиртовые термометры, как правило, безопаснее по этой причине, и их
также можно использовать для измерения более низких температур (потому что у спирта более низкая точка замерзания,
чем у ртути; она составляет около −114 °C или −170 °F для чистого этанола
по сравнению с около −40 °C или −40 °F для ртути).

Фото: Этот термометр содержит красную жидкость на спиртовой основе и отмечен как шкалой Цельсия (слева, внизу картинки), так и шкалой Фаренгейта (справа, вверху). Текущая температура составляет около 21°C или около 70°F.
Шкала Фаренгейта названа в честь немецкого физика Даниэля Фаренгейта (1686–1736), который
создал первый ртутный термометр в начале 18 века.
Шкала Цельсия названа в честь шведского ученого, который ее изобрел, Андерса Цельсия (1701–1744).

Стрелочные термометры

Однако не все термометры работают таким образом.
У термометра, показанного на нашей верхней фотографии, металлический указатель, который движется вверх и вниз по круговой
шкале. Откройте один из этих термометров, и вы увидите, что указатель
установлен на спиральном куске металла, называемом биметаллической полосой, которая предназначена для расширения и изгиба по мере
нагревания (см. нашу статью о термостатах, чтобы узнать, как это работает).
Чем выше температура, тем больше расширяется биметаллическая полоса и тем больше она толкает указатель
вверх по шкале.

Иллюстрация: Как работает циферблатный термометр: Это механизм, который приводит в действие типичный циферблатный термометр, проиллюстрированный в патенте Чарльза У. Патнэма от 1905 года. Вверху у нас есть обычное расположение указателя и циферблата. Нижняя иллюстрация показывает, что происходит сзади. Биметаллическая полоска (желтая) плотно свернута и прикреплена как к рамке термометра, так и к указателю. Она состоит из двух разных металлов, соединенных вместе, которые расширяются на разную величину при нагревании. При изменении температуры биметаллическая полоска изгибается более или менее плотно (сжимается или расширяется), и прикрепленный к ней указатель перемещается вверх или вниз по шкале. Иллюстрация
из патента США 798,211: Термометр любезно предоставлен Бюро по патентам и товарным знакам США.

Фото: Вот спиральная биметаллическая полоска от настоящего циферблатного термометра (термометр для морозильника на нашей верхней фотографии). Легко увидеть, как это работает: если вы поворачиваете указатель рукой в ​​сторону более низких температур, спиральная полоска натягивается; поворачиваете указатель в другую сторону, и полоска ослабевает.

Электронные термометры

Одна из проблем ртутных и циферблатных термометров заключается в том, что им требуется некоторое
время, чтобы отреагировать на изменение температуры. Электронные
термометры не имеют этой проблемы: вы просто касаетесь зондом термометра объекта,
температуру которого хотите измерить, и цифровой дисплей
выдает вам (почти) мгновенное показание температуры.

На фото: электронный медицинский термометр 2010 года. Вы помещаете металлический зонд
в рот или в другую часть тела и считываете температуру с ЖК-дисплея.

Электронные термометры работают совершенно иначе, чем
механические, которые используют линии ртути или вращающиеся стрелки.
Они основаны на идее, что сопротивление
куска металла (легкость, с которой электричество течет
через него) изменяется с изменением температуры. По мере того, как металлы нагреваются, атомы вибрируют внутри
них сильнее, электричеству труднее течь, и сопротивление увеличивается.
Аналогично, по мере охлаждения металлов электроны движутся более свободно, и сопротивление
уменьшается. (При температурах, близких к абсолютному нулю, самой низкой теоретически возможной температуре −273,15 °C или −459,67 °F, сопротивление полностью исчезает в явлении, называемом
сверхпроводимостью.)

Электронный термометр работает, прикладывая напряжение к
металлическому зонду и измеряя, сколько тока проходит через него. Если
вы поместите зонд в кипящую воду, тепло воды затруднит
прохождение электричества через зонд, поэтому сопротивление увеличится
на точно измеряемую величину. Микрочип внутри термометра измеряет
сопротивление и преобразует его в измерение температуры.

Фото: Электрический термометр сопротивления 1912 года:
Этот пример мостового термометра сопротивления был построен Лидсом и Нортрапом
и использовался для измерения температуры в Национальном бюро стандартов США
(теперь NIST) в начале 20 века. Несмотря на свой громоздкий и неуклюжий вид, он точен с точностью до 0,0001 градуса.
Фото предоставлено Национальным институтом стандартов и технологий Digital Collections, Гейтерсберг, Мэриленд
20899.

Главное преимущество таких термометров в том, что они могут давать
мгновенные показания в любой шкале температур, которая вам
нравится — Цельсия, Фаренгейта или какой бы она ни была. Но один
из их недостатков в том, что они измеряют температуру от
момента к моменту, поэтому цифры, которые они показывают, могут колебаться довольно
сильно, что иногда затрудняет получение точных показаний.

Точные электрические термометры, известные как термометры сопротивления, используют четыре резистора, расположенных в ромбовидной схеме, называемой мостом Уитстона. Если три резистора имеют известные значения, сопротивление четвертого
легко вычислить. Если четвертый резистор выполнен в форме температурного зонда,
такую ​​схему можно использовать как очень точный термометр: вычисление его сопротивления
(из его напряжения и тока) позволяет нам вычислить его температуру.

Измерение экстремальных температур

Если вы хотите измерить что-то слишком горячее или холодное для обычного термометра
, вам понадобится термопара: хитроумное устройство
, которое измеряет температуру, измеряя электричество. А если вы не можете подобраться достаточно близко, чтобы использовать
даже термопару, вы можете попробовать использовать пирометр,
разновидность термометра, который выводит температуру объекта из
электромагнитного излучения, которое он испускает.

Что такое температурная шкала?

Фото: Температурные шкалы линейны: определенное повышение температуры всегда перемещает вас на одно и то же расстояние
вверх по шкале. Это не значит, что термометры должны быть сделаны прямыми, как линейки: это значит, что каждое деление температурной шкалы занимает ровно одинаковое количество места (или, если хотите, ртуть, стрелка или другой температурный индикатор должны перемещаться на такое же расстояние, чтобы указать каждое новое деление по мере повышения или понижения температуры). Этот стрелочный термометр из газового котла показывает вам температуру вашего центрального отопления в градусах Цельсия с помощью круговой (но все еще линейной) шкалы.

Термометру не обязательно нужна шкала или нанесенные на него цифры. Представьте, что
вы находитесь на необитаемом острове и находите в песке старый термометр со
стертой шкалой и цифрами, но в остальном работающий совершенно нормально. Вы все равно можете использовать
его, чтобы получить представление о температуре. Вы можете использовать его очень грубо, чтобы сказать что-то вроде:
«Уровень ртути примерно на полпути, что выше, чем вчера, поэтому сегодня должно быть жарче».

Лучшим методом было бы положить на термометр собственную шкалу. Сначала вам нужно будет найти
что-то очень холодное (например, кусок льда), положить
на него термометр и поцарапать стекло, чтобы отметить уровень ртути. Затем вы можете сделать то же самое
с чем-то горячим (кипящей водой) и снова отметить уровень ртути. Мы называем эти
два уровня отсчета температуры фиксированными точками.
Чтобы сделать шкалу термометра, все, что нам нужно сделать, это разделить расстояние между двумя
фиксированными точками на множество участков одинаковой длины. Вот как стоградусный
термометр получил свое название: у него есть 100 («центовых») участков («градусов») между
фиксированными точками льда и пара. Какие существуют различные температурные шкалы и как
они разрабатываются?

Как соотносятся градусы Цельсия и Фаренгейта?

Вы, вероятно, знаете, как перевести температуру по Цельсию в градусы Фаренгейта: умножить на 9/5 (или 1,8), а затем прибавить 32. Чтобы перевести температуру
по Фаренгейту в градусы Цельсия, вы делаете обратное: вычитаете 32 и умножаете на 5/9 (или делите на 1,8, что одно и то же).
Когда вы слышите, как в прогнозах погоды указываются температуры по Цельсию и их эквиваленты по Фаренгейту, вы можете почувствовать, что связь между ними немного странная и запутанная, потому что они кажутся такими разными. Но если вы нанесете их на график (как я сделал ниже), вы увидите, что обе шкалы идеально линейны, и каждое повышение температуры, которое добавляет еще 10°C, добавляет 18°F.

Диаграмма: Температурная шкала Цельсия показана синим цветом, а шкала Фаренгейта — красным. Каждая точка на диаграмме показывает два эквивалентных измерения для определенной температуры, например, 20°C
равно 68°F. Обе шкалы явно линейны: увеличение на 10°C равно увеличению на 18°F.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Нагревать
• Металлы
• Пирометры
• Термопары

На других сайтах

• Введение в температуру: все о температуре и способах ее измерения от Национальной физической лаборатории Великобритании.
• NIST: Единицы измерения температуры: описывает различные температурные шкалы и способы их преобразования.

Книги для юных читателей

• Как мы измеряем температуру? Криса Вудфорда. Гарет Стивенс, 2013/Blackbirch, 2005. Одна из моих собственных книг для юных читателей (7–9 лет). Акцент здесь делается на температуре как на своего рода практической, повседневной форме математики.
• «Фаренгейт, Цельсий и их температурные шкалы»
  Йоминга С. Лина. PowerKIDS Press/Rosen, 2012. Историческое введение, в котором истории Дэниела Фаренгейта и Андерса Цельсия соседствуют с практическим измерением температуры.
• «Измерьте это! Температура» Кейси Рэнд. Raintree, 2010. Базовое введение для детей 7–9 лет, включающее некоторое освещение смежных тем, таких как погода и изменение климата.
• Температура: нагревание и охлаждение Дарлин Р. Стилл. Picture Window Books, 2004. Альтернативное введение на 24 страницах для читателей помладше.
• Термометры Адель Ричардсон. Capstone, 2004. 32-страничное введение, охватывающее во многом ту же тему, что и эта статья, но для более молодых читателей (в возрасте около 6–8 лет).

Книги для читателей старшего возраста

• Inventing Temperature: Measurement and Scientific Progress by Hasok Chang. Oxford University Press, 2004. История о том, как люди научились измерять температуру термометрами. Довольно философская и научная книга, но тем не менее вполне читабельная.
• Измерение температуры Л. Михальски. Wiley, 2001. Подробное руководство по точным измерениям температуры для ученых и инженеров.
• Принципы и методы измерения температуры Томаса Дональда Макги. Wiley-IEEE, 1988. Подробный (почти 600 страниц) учебник, охватывающий температурные шкалы и все виды датчиков температуры, включая пирометры, термисторы и термопары.