История термометров

Привет всем, я Роуз. Сегодня я познакомлю вас с термометрами. Термометры — это инструменты, которые могут точно определять и измерять температуру. Они делятся на стрелочные термометры и цифровые термометры. В зависимости от цели использования разработаны и изготовлены разнообразные термометры.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Изобретение термометра. Начнём с «газа» Галилея.

Ⅱ. Эволюция термометров – от газа к жидкости и твердому телу

Ⅲ. Температурная шкала «Улучшение по требованию»

Ⅳ. Термометр «Улучшение по требованию»

Ⅰ. Изобретение термометра. Начнём с «газа» Галилея.

Галилео Галилей , итальянский учёный и математик, читал лекцию в Падуанском университете в Венеции в 1592 году, проводя эксперименты по нагреву воды.

«Почему уровень воды повышается при повышении температуры воды в резервуаре?» Галилей спросил своих учеников.

«Потому что, когда температура воды повышается, объем увеличивается и поверхность воды поднимается, — объяснил студент, — а когда температура воды падает, объем уменьшается, и поверхность воды падает».

Галилей столкнулся с затруднением, которое он уже испытывал ранее, слушая ответы учеников.

Позже выяснилось, что некоторые врачи связались с Галилеем и умоляли его: «Когда люди плохо себя чувствуют, температура их тела имеет тенденцию повышаться. Есть ли способ правильно измерить температуру тела, чтобы помочь в диагностике заболеваний?»

Галилей использовал идею теплового расширения и холодного сжатия, чтобы решить этот вопрос, и после многих лет исследований и разработок в 1593 году он создал стеклянный трубчатый термометр в форме пузыря , вдохновленный ответами своих учеников. Этот термометр имеет стеклянную колбу сверху, а соединенную с ней стеклянную трубку наполнена цветной жидкостью, которую переворачивают в чашку с водой для измерения температуры. Когда вещество измеряемой температуры (здесь воздух) вступает в контакт со стеклянным пузырем, воздух над стеклянной трубкой изменяется в объеме из-за теплового расширения и сжатия, в результате чего столбик цветной жидкости соответственно опускается или поднимается; на стеклянных трубках была отмечена некая стандартная «горячость» — то, что сейчас называют температурой. Это первый в мире термометр со шкалой – газовый термометр.

Изменения атмосферного давления также поднимают столб жидкости, поэтому газовые термометры не идеальны. Идея измерения температуры с использованием свойств теплового расширения и сжатия газов существовала задолго до Галилея. Например, Филон и Александр Широн были древнегреческими учеными, которые разработали термометры, основанные на идее расширения воздуха.

Ⅱ. Эволюция термометров - От газа к жидкости и твердому телу.

Друг и коллега Галилея, профессор Санкторио Санкториус, физиолог и врач Падуанского университета, усовершенствовал газовый термометр Галилея и в 1612 году построил змеевидную стеклянную трубку. Термометр для газа Он содержит красную жидкость. Жидкость сжимается по мере расширения воздуха, и изменение температуры можно наблюдать по 110-шкальной шкале, выгравированной на стеклянной трубке. С его помощью можно определить температуру тела человека. Это самый ранний термометр в мире.

Поскольку термометр Санкториуса был неточным, Жан Рей, французский врач, химик и физик, перевернул стеклянную трубку Галилея и использовал изменение объема воды вместо воздуха для измерения того, насколько горячим или холодным был объект в 1632 году. Однако, поскольку сопло Этот термометр не запечатан, испарение воды приведет к ошибкам. Это первый термометр, который использует воду для измерения температуры.

В 1641 году Фердинанд II, великий герцог Тосканы, Италия, представил первый термометр, в котором в качестве материала для измерения температуры использовался окрашенный в красный цвет спирт. С 1644 по 1650 год он работал над усовершенствованием его в современный термометр: стеклянную трубку, наполненную красным спиртом, запечатывали воском, а на стеклянной трубке писали шкалу. В результате некоторые люди приписывают изобретение термометра эрцгерцогу. Этот термометр прославился во Флоренции в 1654 году.

Другими словами, в 1629 году другой коллега Галилея по Падуанскому университету, Джозеф Демитиго, итальянский физик и еврейский преподаватель, выпустил книгу под названием «Фонтан в саду». Первый термометр изображен в романе как стеклянный пузырьковый термометр, наполненный бренди, рядом с которым написано «олеб» (подниматься). Однако создатель этого термометра неизвестен; скорее всего, это Галилей или Деметрио.

Температуры замерзания и кипения воды были предложены в качестве двух фиксированных точек градуированного термометра итальянским физиком Рейнальдини в 1646 году. К сожалению, температура кипения спирта (78,5°C) была ниже, чем температура кипения воды (100°C). обычный спиртовой термометр того времени. В результате, если бы точка кипения воды была второй фиксированной точкой, было очевидно, что эта рекомендация в то время была бы непрактичной для спиртовых термометров. Стоит отметить, что Международный комитет мер и весов объявил в 1989 году, что с 1 января 1990 года температура кипения воды будет установлена на уровне 99,975 °C.

Исмаил Борио, французский астроном, математик и католический священник, которого называли «самой увлекательной личностью в истории науки», изобрел первый термометр в 1658 году. Одна из его историй гласит, что формула для расчета всемирного тяготения была открыта давно. до британского физика и математика Исаака Ньютона и других, но позже Борио опроверг точную формулу.

Гюйгенс, голландский физик, астроном и математик, предложил в 1665 году стандартизировать термометры, используя точки замерзания и кипения воды в качестве двух фиксированных точек. На основании закона Бойля, который он установил в 1662 году, английский учёный и химик Бойль в том же году указал на причины неточности газовых термометров и других недостатков. С тех пор доминирует разработка термометров, в которых в качестве веществ, измеряющих температуру, используются различные среды. Юбен, французский изобретатель, изготовил в Париже в 1672 году первый воздушный термометр, на который не влияло атмосферное давление.

В 1779 году существовало 19 различных типов температурных шкал с точными историческими записями. К концу девятнадцатого века их было более 30, а типов термометров было бесчисленное множество.

Амонтон, французский физик, был первым, кто заметил, что жидкость, измеряющая температуру, расширяется по закономерному закону и что температура «существует при абсолютном нуле». В 1703 году он создал более практичный воздушный термометр.

Ⅲ. Температурная шкала «Улучшение по требованию»

Температурная шкала — это стандартная шкала (например, с фиксированной точкой, шкалой и интервалом шкалы), используемая для измерения температуры, чтобы гарантировать однородность и точность результатов измерения температуры. После изобретения Галилеем газового термометра ученые продолжили исследовать материал термометра для измерения температуры и температурную шкалу, делая его более точным, удобным и практичным, а также расширяя содержание исследований термометра. Ниже приводится краткий обзор пяти широко используемых температурных шкал.

Своеобразная «эмпирическая температурная шкала» — «Температурная шкала Фаренгейта».

Уоррен Хайтс, физик, изобретатель, приборостроитель и стекольщик, установил равновесную температуру смеси льда, воды и хлорида аммония на уровне 0°F, а температуру человеческого тела на уровне 96°F (на основе сегодняшней средней температуры). стандартная температура тела 37°C, она должна составлять 98,6°F), которая разделена на 96 сеток, каждая из которых равна 1°F, между 1709 и 1714 годами. В 1724 году он снова установил температуру кипения воды на уровне 212°F. ; к сожалению, он установил температуру плавления льда не на уровне 0°F, а на уровне 32°F. Это известная «температурная шкала Фаренгейта», которая до сих пор широко используется в различных странах Европы и Америки, а также в Гонконге, Макао и на других территориях Китая. Это «эмпирическая температурная шкала», основанная на эмпирических формулах или экспериментальных методологиях. Уоррену Хайтсу также приписывают изобретение спиртового термометра в 1709 году. Кроме того, он создал в 1714 году первый в мире практический ртутный термометр и установил процедуру очистки заполняющего рабочего вещества ртути.

Почему Уоррен Хайтс установил температуру замерзания на уровне «странных» 32°F, а температуру кипения на уровне 212°F?

Преимущество этой установки, по его словам, заключалось в том, чтобы разделить воду на 180 равных частей от замерзания до кипения, а затем получить температуру тела как можно ближе к 100°F (на самом деле 98,6°F). . На самом деле истинная причина его установки еще не раскрыта.

Две температурные шкалы с водой в качестве «стандарта» - «Температурная шкала Ли» и «Температурная шкала Цельсия».

Лео Мюир, французский биолог, учёный, энтомолог и изобретатель, в 1730 году изобрел спиртовой термометр, который устанавливал температуру замерзания воды на уровне 0°R, а температуру кипения — на 80°R. Каждая сетка равна 1°R, и их 80. Здесь можно увидеть знаменитую «температурную шкалу Ли».

Во Франции и Германии температурная шкала Ли используется лишь в редких случаях. В 1742 году шведский физик и астроном Цельсий изобрел ртутный термометр, который определил температуру кипения воды 0°C и температуру плавления льда 100°C соответственно и разбил его на 100 сеток, каждая сетка составляла 1°C. . Здесь показана знаменитая «температурная шкала Цельсия».

Криссен заметил в 1743 году, что фиксированная точка температурной шкалы не соответствует обычной схеме: более горячие предметы становятся теплее. Коллега Цельсия Карл фон Линней поменял местами градусы замерзания и кипения в 1745 году, через год после его смерти (точка кипения воды и точка плавления льда были приняты равными 100°С и 0°С соответственно). В конце концов, это шкала Цельсия, которая используется до сих пор. Другие, однако, утверждают, что эта «перевернутая» работа была завершена в 1750 году другим коллегой Цельсия, Мартином Стромором, его преемником.

Три температурные шкалы, перечисленные выше, являются исходными фундаментальными температурными шкалами. У них есть три недостатка: значение температуры верно только в двух фиксированных местах, а остальные точки ошибочны; диапазон определения ограничен - например, диапазон измерения ртутного термометра составляет -38,87°С+356,9°С; термометр (например, водяной или ртутный). Можно ли придумать температурную шкалу, не требующую использования термометра? Четвертая температурная шкала ниже, Can, компенсирует эти недостатки.

Сбрасывание температурной шкалы термометра, содержащего измеряющее температуру вещество – «термодинамическая температурная шкала»

«Термодинамическая температурная шкала» была предложена британским физиком Уильямом Томсоном, лордом Кельвином, в 1848 году. В 1854 году он также отметил, что такую температурную шкалу можно полностью установить, выбрав значение в фиксированной точке, которая равна «абсолютному нулю». " Однако ему пришлось использовать интервал 0-100°С по Цельсию как 100 температурных интервалов, то есть каждый интервал составлял 1 градус Кельвина (1°К), когда он фактически сформировал термодинамическую единицу температуры, принимая во внимание историческую традицию. и технические ограничения того времени. Это «шкала температур Кельвина», также известная как «шкала температур идеального газа», «термодинамическая шкала абсолютных температур» и т. д., которая до сих пор широко используется в научных исследованиях. Температурная шкала Кельвина уникальна тем, что она не имеет ничего общего с качествами объекта, а термодинамическая температура связана исключительно с теплом. Температурная шкала Кельвина имеет то преимущество, что на нее не влияет вещество, измеряющее температуру, и она устраняет ограничения материала, измеряющего температуру, из-за затвердевания и испарения.

Из-за ее точности и простоты Седьмая Международная конференция по мерам и весам (CGPM) решила использовать температурную шкалу Кельвина в качестве самой базовой температурной шкалы в 1927 году. Во время учебы в Массачусетском технологическом институте в 1934 году Хуан Цзыцин, хорошо -известный китайский химик и преподаватель химии оценил тройную точку воды в 0,009810,00005°C (около 0,01°C) (MIT). В 1954 году 10-я ГКМВ решила использовать эту температуру в качестве единой фиксированной точки термодинамической температурной шкалы, и ей было присвоено числовое значение 273,16°К.

На термодинамической шкале температур существует еще одна фиксированная точка, которую невозможно охарактеризовать известными физическими свойствами материалов. Абсолютный ноль, или 0 Кельвинов, — это самая низкая температура, которую можно рассчитать математически. 13-я ГКМВ в 1967 году изменила термодинамическую единицу измерения температуры с Кельвина (вышеупомянутого °К) на Кельвин (К - сокращение от Кельвина); Температурная шкала» (сокращенно «Международная практическая температурная шкала» или «Международная температурная шкала») и «Термодинамическая температура». В 1968 году этому примеру последовал Международный комитет мер и весов. 1 января 1973 года она была принята и Китаем.

Термодинамическая температура (K) и Цельсия (°C) являются единственными двумя законными единицами измерения температуры в Китае и единственными двумя законными единицами измерения температуры в Международной системе единиц. От термодинамической температуры (K) отказались и ее можно использовать только в исключительных обстоятельствах. 1K=1°C=1,8°F — это формула преобразования термодинамической температуры (K), Цельсия (°C) и Фаренгейта (°F).

До сих пор в стране «незаконно применялась» температурная шкала, известная как «Температурная шкала Лана».

Пятая температурная шкала, известная как «Температурная шкала Рэнкина», была создана «гением своего времени», британским изобретателем и инженером-строителем Рэнкином, и в настоящее время используется американским инженерным сообществом. Единица измерения температуры Рэнкина — °R. Температурная шкала Ренкина также является «шкалой абсолютной температуры», поскольку она начинается в тройной точке воды (273,16 К).

Ⅳ. Термометр «Улучшение по требованию»

Люди усовершенствовали и изобрели различные термометры для измерения различных температур различных объектов в ответ на создание температурной шкалы Цельсия и термодинамической температурной шкалы, развитие технологии производства термометров и потребности реальных измерений.

Рассмотрим телеметрический термометр сопротивления, разработанный немецким изобретателем Карлом Вильгельмом Сименсом в 1860 году. Другим примером является современный ртутный термометр, который был разработан британским врачом Томасом Клиффордом Альбертом между 1865 и 1867 годами и до сих пор используется для измерения температуры человеческого тела. - он читается одинаково после выхода из человеческого тела с точностью до 0,1 °C. Однако в случае утечки ртуть может быть опасной. Электронный термометр разработан в 1984 году финским разработчиком медицинского оборудования (удобнее, нет утечки вредных веществ).

Успешная разработка «перевернутого термометра» в 1874 году может быть использована для определения температуры различных слоев под поверхностью рек и озер. Этот термометр стал чрезвычайно надежным и точным (до 0,02°C) после более чем столетия постоянного совершенствования и до сих пор широко используется в океанографических исследованиях.

Бельгийский астроном и ученый Нань Хуайжэнь, который впервые представил термометр в Китае во время правления императора Канси династии Цин, изобразил изготовленный им газовый термометр в «Линтай Исян Ту», завершенном в 1664 году.

Линтай — это обсерватория, старая обсерватория на территории нынешнего Пекина, расположенная к юго-западу от Цзяньгомэнь. В термометре Нань Хуайрена на деревянную раму помещена стеклянная трубка U-образной формы. Верхний левый конец U-образной трубки прикреплен к стеклянному шару, а верхний правый конец открыт. Жидкость (вода или вино) закачивается в U-образную трубку, когда она достигает горизонтальной линии. Жидкость будет подниматься в правом или левом плече U-образной трубки по мере того, как газ в стеклянном шаре расширяется или сжимается под воздействием внешней температуры, а рядом с левым и правым плечами есть шкалы для отображения температуры.

В современных термометрах доступны различные материалы сред, объекты измерения, цели, технологии отображения температуры, диапазоны измерения температуры и различные средства отображения температуры (обычно линейные шкалы и указатели). Для внутреннего использования доступно множество новых типов термометров, в том числе полупроводниковые термометры, термопары, биметаллические термометры, жидкокристаллические термометры, цифровые термометры, оптические пирометры, термометры двойного стандарта с простым преобразованием между °C и °F, а также термометры сухого типа. который может измерять как температуру, так и влажность воздуха. Для быстрого измерения температуры тела используйте термометр с мокрым пузырьком или термометр на лбу.

Часто задаваемые вопросы

1. Кто изобрел термометр?

Самый ранний термометр был изобретен в 1593 году итальянским учёным Галилео Галилеем (1564-1642).

2. Что означает цифра 0 на термометре?

Термометр принимает 0°C в качестве разделительной линии, температура выше 0°C — выше нуля, а температура ниже 0°C — ниже нуля, поэтому 0 здесь представляет собой разделительную линию.

3. Что означают F и C на термометре?

F – это Фаренгейт, а C – Цельсий.