Термометр – прибор для измерения температуры. Что же показывает термометр? Определение и применение

Ноль в шкале исчислений Фарадея был равен современным 32 градусам, а температура человеческого тела равнялась 96 градусам. В 1742 году физик Цельсий сделал точками отсчета температуру таяния льда и кипения воды, правда изначально ноль на шкале соответствовал температуре кипения воды, но потом она вид.

Жидкостные термометры работают на основе принципа изменения начального объема жидкости, залитой в термометр, при изменении окружающей температуры. Чаще всего в колбу термометра заливают спирт или ртуть. Плюсами ртутного термометра являются высокая точность измерения температуры, длительный срок использования, однако уровень температуры устанавливается достаточно долго, ртуть в градуснике является опасным материалом, поэтому использование ртутного термометра необходимо производить максимально аккуратно.
Оптические термометры регистрируют температуру по уровню свечения, спектра и иных показателей и чаще всего применяются в научных исследованиях.

Механические термометры действуют по принципу жидкостных, только датчиком служит спираль, или лента из металла.
Электрические - работают по принципу изменения уровня сопротивления проводника при изменении внешней температуры. Те электротермометры, которые имеют большой диапазон, основаны на термопарах - при взаимодействии разных металлов возникает контактная разность потенциалов, которая зависит от температуры. В электротермометры встроены дополнительные функции памяти, подсветки, они безопасны и быстро показывают результат, однако могут давать небольшую погрешность, вследствие чего температуру нужно мерить несколько раз.

Инфракрасный термометр измеряет температуру без непосредственного взаимодействия с человеком или предметом, отличается точностью измерения и безопасностью, а также высокой скоростью действия - полсекунды. Они гигиеничны, быстро (в течение 2-5 секунд) работают и помогают измерять температуру детям.

Видео по теме

Известно, что более нагретые тела хуже проводят электрический ток, чем охлажденные. Причина этому – так называемое термическое сопротивление металлов.

Что такое термическое сопротивление

Термическое сопротивление – это сопротивление проводника (участка цепи), обусловленное тепловым движением носителей заряда. Под зарядами здесь надо понимать электроны и ионы, содержащиеся в веществе. Из названия понятно, что речь идет об электрическом явлении сопротивления.

Суть термосопротивления

Физическая сущность термосопротивления заключается в зависимости подвижности электронов от температуры вещества (проводника). Разберемся, откуда такая закономерность.

Проводимость в металлах обеспечивается свободными электронами, которые под действием электрического поля приобретают направленное движение вдоль линий электрического поля. Таким образом, резонно задаться вопросом: что может препятствовать движению электронов? Металл содержит в себе ионную кристаллическую решетку, которая, безусловно, замедляет перенос зарядов с одного конца проводника на другой. Здесь нужно заметить, что ионы кристаллической решетки находятся в колебательном движении, следовательно, они занимают пространство, ограниченное не их размером, а размахом амплитуды их колебаний. Теперь нужно задуматься о том, увеличение температуры металла. Дело в том, что сущность температуры как раз и составляют колебания ионов кристаллической решетки, а также тепловое движение свободных электронов. Таким образом, увеличивая температуру, мы увеличиваем амплитуду колебаний ионов кристаллической решетки, а значит, создаем большее препятствие направленному движению электронов. Вследствие этого сопротивление проводника увеличивается.

С другой стороны, при увеличении температуры проводника увеличивается и тепловое движение электронов. Это означает, что их движение становится все более хаотичным, чем направленным. Чем больше температура металла, тем больше проявляют себя степени свободы, направление которых не совпадает с направлением электрического поля. Это обуславливает также большее количество столкновений свободных электронов с ионами кристаллической решетки. Таким образом, термосопротивление проводника обусловлено не только тепловым движением свободных электронов, но и тепловым колебательным движением ионов кристаллической решетки, которое становится все более заметным при повышении температуры металла.

Из всего сказанного можно сделать вывод о том, что лучшие проводники являются «холодными». Именно по этой причине сверхпроводники, сопротивление которых равняется нулю, содержат при крайне низких температурах, исчисляемых единицами Кельвина.

Видео по теме

Совет 3: Температурный датчик: принцип действия и сфера применения

Нынешнее оборудование, автоматика и автомобилестроение вряд ли обойдутся без всякого рода контроллеров. К такому виду устройств можно отнести и термодатчики, сфера применения которых неограниченна.

Устройство

Термодатчик – это механизм, фиксирующий температуру среды, в которой он находится и передающий ее на приборную панель либо в блок управления. Наиболее часто подобные устройства идут в паре с блоком управления, ведь помимо того, что датчик сообщает показатели, их еще нужно обработать и произвести необходимые манипуляции. Большинство современных термодатчиков имеют электронное наполнение, их принцип действия основывается на передаче электрических импульсов от датчика к фиксирующему прибору. Конструктивно датчики можно разделить на несколько типов.

1. Терморезистивный датчик. Подобные устройства работают по принципу изменения электросопротивления проводника при возникновении колебаний температуры. Эти датчики просты в применении, они очень надежны, чувствительны, более точны.

2. Полупроводниковые термодатчики устроены по принципу реагирования на трансформацию характеристик (р-n) перехода под воздействием температуры. Серия таких датчиков очень проста в своей конструкции и имеет отличное соотношение цены и долговечности.

3. Термоэлектрические датчики, или как их еще называют термопары. Этот тип датчиков работает на эффекте разности температуры пары проводников, которые находятся в разных средах. Благодаря этому, в замкнутой цепи этой пары проводников возникает импульс, датчики сигнализируют о смене температуры относительно друг друга. Эти устройства не дают такой точности, как их вышеописанные коллеги, и конструктивно имеют более громоздкий механизм.

4. Пирометры. Это датчики бесконтактного типа, они фиксируют температуру близ находящегося предмета. У этого вида приборов большой плюс в том, что они могут работать на расстоянии от механизма, в котором необходимо зафиксировать показатели температур.

5. Датчики акустические. Принцип работы основывается на изменении скорости звука в атмосфере при изменении температуры среды, в которой находиться датчик. Такие устройства применяют в средах, где невозможно использование контактных датчиков температуры.

6. Пьезоэлектрические датчики. Смысл устройства следующий: на кварцевую основу, из которой состоит сам датчик, подают определенную серию импульсов, таким образом, с изменением температуры этот материал имеет разную частоту расширения.

Применение

Все виды термодатчиков можно встретить в повседневной жизни. Датчиками оборудуют лифты многоэтажных домов, чтобы не перегреть двигатель лифта в случае возникновения нагрузки. Используют в автомобилях для контроля рабочей температуры мотора и недопущения его закипания. В домашних холодильниках датчик работает в паре с блоком управления, который дает команду включать и выключать агрегат холодильника в зависимости от температуры, фиксируемой датчиком. И еще много каких примеров существует, где в работе оборудования или прибора участвует подобный механизм. Данные устройства в значительной мере облегчают жизнь человеку, только мало кто об этом думает. Приятно, когда машина делает какую-то операцию без участия человека.

Помнишь ли ты, маленький друг, свое состояние, когда приходилось болеть? Неприятная штука! Мама волнуется, укладывает тебя в постель и сразу начинает искать термометр, чтобы измерить температуру.

Что же это за прибор такой – ТЕРМОМЕТР?

Слово термометр пришло к нам из Греции. Состоит оно из двух греческих слов – «теплота» и «меряю». То есть, термометр – это прибор для того, чтобы мерять тепло. Иногда его еще называют градусником, от слова «градус». Ведь температура всегда измеряется в градусах.

Первый термометр изобрели очень давно, четыреста лет назад! Тебя тогда еще не было на свете, не было даже твоих родителей. Придумал его итальянский ученый Галилео Галилей для своих опытов по физике. И это была простая стеклянная трубочка без шкалы с цифрами. Было не очень удобно пользоваться таким прибором, потому что он не показывал точную температуру.

Какие бывают термометры

Термометры бывают разные. Но все они устроены одинаково: небольшая шкала с цифровыми делениями и тонюсенькая трубочка с ртутью или подкрашенным спиртом.

Внутри ртутного градусника, в тонкой трубочке находится специальный жидкий металл – ртуть. Когда прибор попадает тебе подмышку, ртуть быстро нагревается, начинает скользить вверх по трубочке и останавливается ровно на отметке, которая соответствует твоей температуре.

Температура тела здорового мальчика – тридцать шесть и шесть десятых градуса (36,6). Посмотри на шкалу термометра, если твоя температура выше или ниже этого показателя – ты действительно не здоров.

Внимание! Ртуть – очень ядовитый металл!

Поэтому обращайся с таким термометром очень аккуратно, чтобы не разбить:

1. Держи ртутный термометр в специальном жестком чехле из пластмассы.
2. Ни в коем случае не давай такой градусник младшим братьям и сестрам.
3. Если термометр все же разбился, быстрее выйди из комнаты и сообщи родителям о беде. Они точно знают, что нужно сделать.

• Электронный термометр – прибор самый современный, умный и самый точный.

Электронный термометр работает от маленькой батарейки и не содержит ртути. А поэтому – он самый безопасный. При необходимости папа может батарейку быстро заменить или сделать это в любой мастерской по ремонту часов.

Ты спросишь, зачем нужен электронный градусник, если уже есть ртутный? На самом деле, электронный термометр показывает более точную температуру. И к тому же делает это очень быстро, всего за 10 секунд! Ты даже не успеешь оглянуться, а твоя температура уже отразится на небольшом дисплее приборчика.

Кроме того, электронный термометр умеет запоминать результат последнего измерения температуры. Это очень удобно, если ты действительно заболел и приходится мерять температуру несколько раз в день.

И даже если мама отошла от тебя на минутку, электронный градусник подаст громкий сигнал, когда температура будет измерена.

Наверняка в твоем доме есть не один спиртовой градусник. Посмотри внимательно – один из них измеряет температуру воздуха в квартире, другой показывает, хорошо ли морозит холодильник, третий плавает вместе с тобой в воде, когда ты принимаешь ванну.

Термометры хорошо знакомы практически каждому человеку как средства, которые дают информацию о температурном режиме в той или иной среде. Несмотря на простоту выполняемой задачи, производители выпускают данный прибор в разных вариациях, отличающихся конструкционным устройством и рабочими характеристиками.

Современный термометр - это эргономичный измерительный аппарат, который в удобном для пользователя виде представляет климатические показатели целевой среды. По крайней мере, к такому восприятию своей продукции стремятся разработчики данного прибора.

Общие сведения о термометрах

Внешне большинство измерительных средств этого типа представляет собой небольшие приборы, начинка которых ориентирована на фиксацию определенного рода колебаний чувствительного элемента. Классический пример - это продолговатая трубка с жидкостью, заключенная в стеклянный корпус. В народе ее называют градусником. Он может использоваться и в медицинских целях, и для отслеживания уличной температуры. В данном случае принцип измерения основан на способности жидкости расширяться под влиянием тепла. Пользуется популярностью и Это тоже компактное устройство, которое фиксирует показатели температуры за счет чувствительного элемента в виде датчика. Такие модели проигрывают ртутным аналогам по причине высокой степени погрешности, но зато они полностью безопасны и удобны в эксплуатации.

Классификации термометров

Существует множество параметров, по которым разделяются термометры, и указанные выше представители этой группы измерительных приборов иллюстрируют лишь два примера их исполнения. Одной из основных классификаций является разделение по рабочей среде. На рынке можно найти термометры, ориентированные на произведение замера в воздухе, почве, воде, живом теле и т. д. По принципу работы чувствительного элемента можно выделить традиционные жидкостные, электронные, газовые и механические приборы. К более современным относятся инфракрасные, цифровые и оптические устройства. Важно не забывать, что измерительный прибор должен не только фиксировать значения определенным способом, но и предоставлять их в том или ином виде. В этом смысле термометр - это аппарат, который отражает показатели в виде шкалы или с помощью электронного дисплея. Цифровые модели постепенно вытесняют аналоги с механическим способом представления данных, но они проигрывают в плане точности показаний.

Термометры для воды

Такие модели называются аквариумными термометрами, с помощью них пользователь может оценивать температурный режим в водной среде. Аппараты этого типа представляют в двух исполнениях. Более распространенный термометр для воды - это прибор жидкостного типа, в котором функцию индикатора выполняет спирт вместо ртути. Так как техника замера предполагает погружение в средние слои воды, опасные токсические вещества в жидкостных моделях не используются.

Второй вариант водных термометров представляет собой накладной клеящийся аппарат. То есть его не погружают непосредственно в среду, а фиксируют на стенке резервуара. Принцип замера основывается на свойствах некоторых веществ в жидкости менять свои качества в зависимости от интенсивности нагрева. Клеящийся термометр для воды обеспечивается термохимической краской, представленной в виде температурной шкалы. К преимуществам данного типа приборов относят механическую устойчивость, гибкость в установке и безопасность. Однако этот термометр не способен обеспечить высокую точность измерения - особенно если возле емкости с водой находятся активные источники тепла.

Манометрический термометр

Это отдельная группа принцип действия которых связан с фиксацией показателей давления в том или ином веществе или среде. Собственно, изменение давления под действием температуры и выполняет функцию чувствительного элемента. Другое дело, что само давление регистрируется и преобразуется для температурной шкалы после замера через сложное устройство манометра. Обычно для этого используют систему с объединением погружаемого чувствительного элемента, трубчатой пружины и капиллярного провода. В зависимости от колебаний температуры происходит изменение давления в целевом погружаемом объекте. Малейшее отклонение в показателе манометрический термометр отражает через стрелочный механизм. По типу рабочего вещества различаются газовые, конденсационные и жидкостные приборы.

Многофункциональные термометры

В некотором смысле к этой группе термометров можно отнести и вышеназванный манометрический аппарат. Он позволяет получить не одно, а несколько измеряемых значений - в частности, давление и температуру. Однако манометрические приборы чаще всего используют принцип замера давления лишь как вспомогательную операцию для фиксации основного показателя в виде температуры. Полноценные же многофункциональные устройства позволяют отдельно отслеживать несколько показателей, среди которых то же давление, влажность и даже скорость ветра. Это своего рода в которых предусматривается барометр, термометр, гигрометр и другие измерительные компоненты.

Как правило, такие комплексы применяют рыболовы, путешественники и сотрудники специализированных предприятий, работа которых зависит от внешних условий. Станции также бывают механическими и электронными, что обуславливает их точность и удобство в эксплуатации.

Термометр с выносным датчиком

В таких приборах предусматривается наличие специального проводника, по которому транслируется информация, полученная через чувствительный датчик. То есть основа прибора представляет собой панель с интерфейсом и дисплеем, по которому пользователь узнает о показателях температуры. А датчик, в свою очередь, может размещаться непосредственно в целевой среде. Такие модели обычно применяют для определения температурного режима в тех же аквариумах или на улице. При этом термометр с датчиком может работать и по беспроводному способу связи. В этом случае сам датчик будет массивнее, так как для его энергоснабжения потребуется специальная ниша для аккумулятора или батарей.

θέρμη «тепло» + μετρέω «измеряю») - прибор для измерения температуры воздуха, почвы, воды и так далее. Существует несколько видов термометров:

• жидкостные;
• механические;
• электронные;
• оптические;
• газовые;
• инфракрасные.

История изобретения

Изобретателем термометра принято считать Галилея : в его собственных сочинениях нет описания этого прибора, но его ученики, Нелли и Вивиани , засвидетельствовали, что уже в 1597 году он сделал нечто вроде термобароскопа (термоскоп). Галилей изучал в это время работы Герона Александрийского , у которого уже описано подобное приспособление, но не для измерения степеней тепла, а для поднятия воды при помощи нагревания. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной к нему стеклянной трубкой. Шарик слегка нагревали и конец трубки опускали в сосуд с водой. Через некоторое время воздух в шарике охлаждался, его давление уменьшалось и вода под действием атмосферного давления поднималась в трубке вверх на некоторую высоту. В дальнейшем при потеплении давление воздуха в шарике увеличивалось и уровень воды в трубке понижался при охлаждении же вода в ней поднималась. При помощи термоскопа можно было судить только об изменении степени нагретости тела: числовых значений температуры он не показывал, так как не имел шкалы. Кроме того, уровень воды в трубке зависел не только от температуры, но и от атмосферного давления. В 1657 г. термоскоп Галилея был усовершенствован флорентийскими учеными. Они снабдили прибор шкалой из бусин и откачали воздух из резервуара (шарика) и трубки. Это позволило не только качественно, но и количественно сравнивать температуры тел. Впоследствии термоскоп был изменен: его перевернули шариком вниз, а в трубку вместо воды налили бренди и удалили сосуд. Действие этого прибора основывалось на расширении тел, в качестве «постоянных» точек брали температуры наиболее жаркого летнего и наиболее холодного зимнего дня.

Изобретение термометра также приписывают лорду Бэкону , Роберту Фладду , Санториусу , Скарпи, Корнелиусу Дреббелю , Порте и Саломону де Коссу , писавшим позднее и частью имевшим личные отношения с Галилеем. Все эти термометры были воздушные и состояли из сосуда с трубкой, содержащего воздух, отделённый от атмосферы столбиком воды, они изменяли свои показания и от изменения температуры, и от изменения атмосферного давления.

Термометры с жидкостью описаны в первый раз в г. «Saggi di naturale esperienze fatte nell’Accademia del Cimento», где о них говорится как о предметах, давно изготовляемых искусными ремесленниками, которых называют «Confia», разогревающими стекло на раздуваемом огне лампы и выделывающими из него удивительные и очень нежные изделия. Сначала эти термометры наполняли водой, но они лопались, когда она замерзала; употреблять для этого винный спирт начали в 1654 году по мысли великого герцога тосканского Фердинанда II . Флорентийские термометры не только изображены в «Saggi», но сохранились в нескольких экземплярах до нашего времени в Галилеевском музее, во Флоренции; их приготовление описывается подробно.

Сначала мастер должен был сделать деления на трубке, соображаясь с её относительными размерами и размерами шарика: деления наносились расплавленной эмалью на разогретую на лампе трубку, каждое десятое обозначалось белой точкою, а другие чёрными. Обыкновенно делали 50 делений таким образом, чтобы при таянии снега спирт не опускался ниже 10, а на солнце не поднимался выше 40. Хорошие мастера делали такие термометры настолько удачно, что все они показывали одно и то же значение температуры при одинаковых условиях, однако такого не удавалось достигнуть, если трубку разделяли на 100 или 300 частей, чтобы получить большую точность. Наполняли термометры посредством подогревания шарика и опускания конца трубки в спирт, заканчивали наполнение при помощи стеклянной воронки с тонко оттянутым концом, свободно входившим в довольно широкую трубку. После регулирования количества жидкости, отверстие трубки запечатывали сургучом, называемым «герметическим». Из этого ясно, что эти термометры были большими и могли служить для определения температуры воздуха, но были ещё неудобны для других, более разнообразных опытов, и градусы разных термометров были не сравнимы между собою.

Механические термометры

Термометры этого типа действуют по тому же принципу, что и жидкостные, но в качестве датчика обычно используется металлическая спираль или лента из биметалла .

Электронные термометры

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).

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} R T = R 0 [ 1 + A T + B T 2 ] (0 ∘ C ≤ T < 850 ∘ C) . {\displaystyle R_{T}=R_{0}\left\;(0\;{}^{\circ }\mathrm {C} \leq T<850\;{}^{\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 2014 году Россия подписала к 2030 году Россия откажется от производства ртутных термометров.

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.