Кто изобрел жидкостный термометр. История создания термометра: как придумали первый градусник? Что такое теплота? Градусы и температура
Термометры. История возникновения.
Д
о изобретения такого обыденного и простого для нашей повседневной жизни измерительного прибора как термометр о тепловом состоянии люди могли судить только по своим непосредственным ощущениям: тепло или прохладно, горячо или холодно.
История термодинамики началась, когда в 1592 году Галилео Галилей создал первый прибор для наблюдений за изменениями температуры, назвав его термоскопом. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной стеклянной трубкой. Шарик нагревали, а конец трубки опускали в воду. Когда шарик охлаждался, давление в нем уменьшалось, и вода в трубке под действием атмосферного давления поднималась на определенную высоту вверх. При потеплении уровень воды в трубки опускался вниз. Недостатком прибора было то, что по нему можно было судить только об относительной степени нагрева или охлаждения тела, так как шкалы у него еще не было.
Позднее флорентийские ученые усовершенствовали термоскоп Галилея, добавив к нему шкалу из бусин и откачав из шарика воздух.
В 17 веке воздушный термоскоп был преобразован в спиртовой флорентийским ученым Торричелли. Прибор был перевернут шариком вниз, сосуд с водой удалили, а в трубку налили спирт. Действие прибора основывалось на расширении спирта при нагревании, - теперь показания не зависели от атмосферного давления. Это был один из первых жидкостных термометров.
На тот момент показания приборов еще не согласовывались друг с другом, поскольку никакой конкретной системы при градуировке шкал не учитывалось. В 1694 году Карло Ренальдини предложил принять в качестве двух крайних точек температуру таяния льда и температуру кипения воды.
В 1714 году Д. Г. Фаренгейт изготовил ртутный термометр. На шкале он обозначил три фиксированные точки: нижняя, 32°F - температура замерзания солевого раствора, 96° -температура тела человека, верхняя 212° F - температура кипения воды. Термометром Фаренгейта пользовались в англоязычных странах вплоть до 70-х годов 20 века, а в США пользуются и до сих пор.
Еще одна шкала была предложена французским ученым Реомюром в 1730 году. Он делал опыты со спиртовым термометром и пришел к выводу, что шкала может быть построена в соответствии с тепловым расширением спирта. Установив, что применяемый им спирт, смешанный с водой в пропорции 5:1, расширяется в отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды, ученый предложил использовать шкалу от 0 до 80 градусов. Приняв за 0° температуру таяния льда, а за 80° температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении.
В 1742 году шведский ученый Андре c Цельсий предложил шкалу для ртутного термометра, в которой промежуток между крайними точками был разделен на 100 градусов. При этом сначала температура кипения воды была обозначена как 0 °, а температура таяния льда как 100 °. Однако в таком виде шкала оказалась не очень удобной, и позднее астрономом М . Штремером и ботаником К. Линнеем было принято решение поменять крайние точки местами.
М. В. Ломоносовым был предложен жидкостный термометр, имеющий шкалу со 150 делениями от точки плавления льда до точки кипения воды.
И. Г. Ламберту принадлежит создание воздушного термометра со шкалой 375 °, где за один градус принималась одна тысячная часть расширения объема воздуха.
Были также попытки создать термометр на основе расширения твердых тел. Так в 1747 голландец П. Мушенбруг использовал расширение железного бруска для измерения температуры плавления ряда металлов.
К концу 18 века количество различных температурных шкал значительно увеличилось. По данным «Пилометрии» Ламберта на тот момент их насчитывалось 19.
Температурные шкалы, о которых шла речь выше, отличает то, что точка отсчета для них была выбрана произвольно. В начале 19 века английским ученым лордом Кельвином была предложена абсолютная термодинамическая шкала. Одновременно Кельвин обосновал понятие абсолютного нуля, обозначив им температуру, при которой прекращается тепловое движение молекул. По Цельсию это -273,15 °С.
Такова основная история возникновения термометра и термометрических шкал. На сегодняшний день используются термометры со шкалой Цельсия, Фаренгейта (в США), а также со шкалой Кельвина в научных исследованиях. В настоящее время температуру измеряют с помощью приборов, действие которых основано на различных термометрических свойствах жидкостей, газов и твердых тел. И если в 18 веке был настоящий «бум» открытий в области систем измерения температуры, то с прошлого века началась новая пора открытий в области способов измерения температуры. Сегодня существует множество устройств, применяемых в промышленности, в быту, в научных исследованиях - термометры расширения и термометры манометрические, термоэлектрические и термометры сопротивления, а также пирометрические термометры, позволяющие измерять температуру бесконтактным способом.
Ртутный медицинский термометр
Электронные термометры
Медицинский электронный термометр
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).
Домашняя метеостанция
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 [ 1 + A T + B T 2 + C T 3 (T − 100) ] (− 200 ∘ C < T < 0 ∘ C) , {\displaystyle R_{T}=R_{0}\left\;(-200\;{}^{\circ }\mathrm {C}Отсюда, R T {\displaystyle R_{T}} сопротивление при T °C, R 0 {\displaystyle R_{0}} сопротивление при 0 °C, и константы (для платинового сопротивления) -
A = 3.9083 × 10 − 3 ∘ C − 1 {\displaystyle A=3.9083\times 10^{-3}\;{}^{\circ }\mathrm {C} ^{-1}} B = − 5.775 × 10 − 7 ∘ C − 2 {\displaystyle B=-5.775\times 10^{-7}\;{}^{\circ }\mathrm {C} ^{-2}} C = − 4.183 × 10 − 12 ∘ C − 4 . {\displaystyle C=-4.183\times 10^{-12}\;{}^{\circ }\mathrm {C} ^{-4}.}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 некоторых странах уже давно имеется тенденция отказа от ртутных термометров в пользу инфракрасных не только в медицинских учреждениях, но и на бытовом уровне.
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.
До изобретения такого обыденного и простого для нашей повседневной жизни измерительного прибора как термометр о тепловом состоянии люди могли судить только по своим непосредственным ощущениям: тепло или прохладно, горячо или холодно.
История изобретения
История термодинамики началась, когда в 1592 году Галилео Галилей создал первый прибор для наблюдений за изменениями температуры, назвав его термоскопом. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной стеклянной трубкой. Шарик нагревали, а конец трубки опускали в воду. Когда шарик охлаждался, давление в нем уменьшалось, и вода в трубке под действием атмосферного давления поднималась на определенную высоту вверх. При потеплении уровень воды в трубки опускался вниз. Недостатком прибора было то, что по нему можно было судить только об относительной степени нагрева или охлаждения тела, так как шкалы у него еще не было.
Позднее флорентийские ученые усовершенствовали термоскоп Галилея, добавив к нему шкалу из бусин и откачав из шарика воздух.
В 17 веке воздушный термоскоп был преобразован в спиртовой флорентийским ученым Торричелли. Прибор был перевернут шариком вниз, сосуд с водой удалили, а в трубку налили спирт. Действие прибора основывалось на расширении спирта при нагревании, — теперь показания не зависели от атмосферного давления. Это был один из первых жидкостных термометров.
На тот момент показания приборов еще не согласовывались друг с другом, поскольку никакой конкретной системы при градуировке шкал не учитывалось. В 1694 году Карло Ренальдини предложил принять в качестве двух крайних точек температуру таяния льда и температуру кипения воды.
В 1714 году Д. Г. Фаренгейт изготовил ртутный термометр. На шкале он обозначил три фиксированные точки: нижняя, 32°F — температура замерзания солевого раствора, 96° — температура тела человека, верхняя 212° F — температура кипения воды. Термометром Фаренгейта пользовались в англоязычных странах вплоть до 70-х годов 20 века, а в США пользуются и до сих пор.
Еще одна шкала была предложена французским ученым Реомюром в 1730 году. Он делал опыты со спиртовым термометром и пришел к выводу, что шкала может быть построена в соответствии с тепловым расширением спирта. Установив, что применяемый им спирт, смешанный с водой в пропорции 5:1, расширяется в отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды, ученый предложил использовать шкалу от 0 до 80 градусов. Приняв за 0° температуру таяния льда, а за 80° температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении.
В 1742 году шведский ученый Андрес Цельсий предложил шкалу для ртутного термометра, в которой промежуток между крайними точками был разделен на 100 градусов. При этом сначала температура кипения воды была обозначена как 0°, а температура таяния льда как 100°. Однако в таком виде шкала оказалась не очень удобной, и позднее астрономом М. Штремером и ботаником К. Линнеем было принято решение поменять крайние точки местами.
М. В. Ломоносовым был предложен жидкостный термометр, имеющий шкалу со 150 делениями от точки плавления льда до точки кипения воды. И. Г. Ламберту принадлежит создание воздушного термометра со шкалой 375°, где за один градус принималась одна тысячная часть расширения объема воздуха. Были также попытки создать термометр на основе расширения твердых тел. Так в 1747 голландец П. Мушенбруг использовал расширение железного бруска для измерения температуры плавления ряда металлов.
К концу 18 века количество различных температурных шкал значительно увеличилось. По данным «Пилометрии» Ламберта на тот момент их насчитывалось 19.
Температурные шкалы, о которых шла речь выше, отличает то, что точка отсчета для них была выбрана произвольно. В начале 19 века английским ученым лордом Кельвином была предложена абсолютная термодинамическая шкала. Одновременно Кельвин обосновал понятие абсолютного нуля, обозначив им температуру, при которой прекращается тепловое движение молекул. По Цельсию это -273,15°С.
Виды термометров
Такова основная история возникновения термометра и термометрических шкал. На сегодняшний день используются термометры со шкалой Цельсия, Фаренгейта (в США), а также со шкалой Кельвина в научных исследованиях. В настоящее время температуру измеряют с помощью приборов, действие которых основано на различных термометрических свойствах жидкостей, газов и твердых тел. И если в 18 веке был настоящий «бум» открытий в области систем измерения температуры, то с прошлого века началась новая пора открытий в области способов измерения температуры. Сегодня существует множество устройств, применяемых в промышленности, в быту, в научных исследованиях — термометры расширения и термометры манометрические, термоэлектрические и термометры сопротивления, а также пирометрические термометры, позволяющие измерять температуру бесконтактным способом.
История создания термометра начинается много лет назад. Люди всегда хотели иметь приспособление, позволяющее измерять величину нагрева или охлаждения определенного объекта. Такая возможность появилась в 1592 году, когда Галилей сконструировал первый прибор, позволивший определять изменение температуры. Данное приспособление, состоявшее из стеклянного шарика и припаянной к нему трубки было названо термоскопом. Конец трубки помещали в сосуд с водой, а шарик подвергали нагреву. При прекращении нагрева, давление внутри шарика падало, и вода поднималась по трубке под действием атмосферного давления. При повышении температуры происходил обратный процесс, и уровень воды в трубке понижался. Шкалы у прибора не было, и точные значения температуры по нему установить было невозможно. Впоследствии флорентийские ученые устранили этот недостаток, вследствие чего измерения стали точнее. Так и был создан прототип первого термометра.
Вначале следующего столетия известный флорентийский ученый, ученик Галилея, Эванджелиста Торричелли изобрел спиртовой термометр. Как всем нам хорошо известно, шарик в нем расположен под стеклянной трубкой, а вместо воды используется спирт. Показания этого прибора не зависят от атмосферного давления.
Изобретение первого ртутного термометра Д.Г. Фаренгейтом датируется 1714 годом. За нижнюю точку своей шалы он принял 32 градуса - что отвечало температуре замерзания солевого раствора, а за верхнюю- 2120- температуру кипения воды. Шкала Фаренгейта и в наше время используется в Соединенных Штатах.
В 1730 году ученым из Франции Р.А. Реомюром была предложена шкала, крайними точками в которой являлись температуры кипения и замерзания воды, причем температура замерзания воды принималась за 0 градусов шкалы Реомюра, а температура кипения - за 80 градусов. В настоящее время шкала Реомюра практически не используется.
Спустя 28 лет шведский исследователь А.Цельсий разработал свою шкалу, где за крайние точки, как и в шкале Реомюра, были приняты температура кипения и замерзания воды, однако промежуток между ними делился не на 80, а на 100 градусов, причем изначально градуировка шла сверху вниз, то есть температура кипения воды принималась за ноль, а замерзания воды за сто градусов. Неудобство подобного деления вскоре стало очевидно, и впоследствии Штреммер и Линней поменяли крайние точки шкалы местами, придав ей привычный нам вид.
В середине XIX века британский ученый Вильям Томсон, известный как лорд Кельвин, предложил шкалу температур, нижней точкой которой было -273,15 0С - абсолютный нуль, при этой величине не происходит движения молекул.
Так можно вкратце описать историю создания термометра и температурных шкал. В настоящее время наиболее широко распространены термометры со шкалой Цельсия, в США до сих пор используется шкала Фаренгейта, а в науке наиболее популярна шкала Кельвина.
На сегодняшний день существует множество конструкций термометров, приборов измеряющих температуру, основываясь на различных физических свойствах и широко применяемых в быту, науке и производстве.
Санторио был не только врачом, но и анатомом, и физиологом. Он работал в Польше, Венгрии и Хорватии, активно изучал процесс дыхания, «невидимые испарения» с поверхности кожи, проводил исследования в области обмена веществ человека. Опыты Санторио проводил на себе и, изучая особенности человеческого организма, создал множество измерительных приборов — прибор для измерения силы пульсации артерий, весы для наблюдения за изменениями массы человека и — первый ртутный термометр.
Три изобретателя
Сказать сегодня, кто же именно создал термометр — довольно сложно. Изобретение термометра приписывают сразу многим учёным — Галилею, Санторио, лорду Бэкону, Роберту Фладду, Скарпи, Корнелию Дреббелю, Порте и Саломону де Каус. Это обусловлено тем, что многие учёные одновременно работали над созданием аппарата, который бы помог измерить температуру воздуха, почвы, воды, человека.
В собственных сочинениях Галилея нет описания этого прибора, но его ученики засвидетельствовали, что в 1597 году он создал термоскоп — аппарат для поднятия воды при помощи нагревания. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной к нему стеклянной трубкой. Разница между термоскопом и современным термометром в том, что в изобретении Галилея вместо ртути расширялся воздух. Также по нему можно было судить только об относительной степени нагрева или охлаждения тела, так как шкалы у него ещё не было.
Парниковый термометр, 1798 год. Фото: www.globallookpress.com
Санторио из Падуанского университета создал своё устройство, при помощи которого можно было измерять температуру человеческого тела, но прибор являлся столь громоздким, что его устанавливали во дворе дома. Изобретение Санторио имело форму шара и продолговатую извилистую трубку, на которой были нарисованы деления, свободный конец трубки заполняли подкрашенной жидкостью. Его изобретение датировано 1626 годом.
В 1657 году флорентийские учёные усовершенствовали термоскоп Галилео, в частности снабдив прибор шкалой из бусин.
Позже учёные пытались усовершенствовать прибор, но все термометры были воздушные, и их показания зависели не только от изменения температуры тела, но и от атмосферного давления.
Первые термометры с жидкостью были описаны в 1667 году, но они лопались, если вода замерзала, поэтому для их создания начали использовать винный спирт. Изобретение термометра, данные которого не обусловливались бы перепадами атмосферного давления, произошло благодаря экспериментам физика Эванджелиста Торричелли, ученика Галилея. В результате термометр наполнили ртутью, перевернули, добавили в шар подкрашенный спирт и запаяли верхний конец трубки.
Единая шкала и ртуть
Долгое время учёные не могли найти исходные точки, расстояние между которыми можно было бы разделить равномерно.
Как исходные данные для шкалы предлагались точки оттаивания льда и растопленного сливочного масла, температура кипения воды и некие абстрактные понятия вроде «значительная степень холода».
Термометр современной формы, наиболее пригодной для бытового применения, с точной шкалой измерения создал немецкий физик Габриэль Фаренгейт. Он описал свой способ создания термометра в 1723 году. Изначально Фаренгейт создал два спиртовых термометра, но потом физик принял решение применить в термометре ртуть. Шкала Фаренгейта базировалась на трёх установленных точках:
- первая точка равнялась нулю градусов — это температура состава воды, льда и нашатыря;
- вторая, обозначенная как 32 градуса, — это температура смеси воды и льда;
- третья — температура кипения воды, равнялась 212 градусам.
Позже шкала была названа в честь своего создателя.
Сегодня самой распространенной является шкала Цельсия, шкалой Фаренгейта по сей день пользуются в США и Англии, а шкала Кельвина используется в научных исследованиях.
Но окончательно установил обе постоянные точки — тающего льда и кипящей воды — шведский астроном, геолог и метеоролог Андерс Цельсий в 1742 году. Он поделил расстояние между точками на 100 интервалов, цифрой 100 была отмечена точка таяния льда, а 0 — точка кипения воды.
Сегодня шкала Цельсия используется в перевёрнутом виде, то есть за 0° стали принимать температуру плавления льда, а за 100° — кипения воды.
По одной из версий, шкалу «перевернули» современники и соотечественники, ботаник Карл Линней и астроном Мортен Штремер, уже после смерти Цельсия, но по другой — Цельсий сам перевернул свою шкалу по совету Штремера.
В 1848 году английский физик Вильям Томсон (лорд Кельвин) доказал возможность создания абсолютной шкалы температур, где точкой отсчёта служит значение абсолютного нуля: -273,15 °С — при этой температуре уже невозможно дальнейшее охлаждение тел.
Уже в середине XVIII века термометры стали предметом торговли, и изготавливались они ремесленниками, но в медицину термометры пришли гораздо позже, в середине XIX века.
Современные термометры
Если в XVIII веке был «бум» открытий в области систем измерения температуры, то сегодня всё активнее ведутся работы по созданию способов измерения температуры.
Область применения термометров крайне широка и имеет особое значение для современной жизни человека. Термометр за окном сообщает о температуре на улице, термометр в холодильнике помогает контролировать качество хранения продуктов, термометр в духовке позволяет поддерживать температуру при выпекании, а градусник — измеряет температуру тела и помогает оценить причины плохого самочувствия.На замену ртутным градусникам приходят электронные или цифровые термометры, которые работают на основе встроенного металлического датчика. Также есть специальные термополоски и инфракрасные градусники.