Как термометр измеряет температуру наружного воздуха

Тепло ли на улице? А сегодня будет холодно? Часто мы слышим и отвечаем на такие вопросы. Термометр – инструмент, используемый для измерения температуры воздуха – легко расскажет нам об этом, но как именно он говорит нам об этом, – это еще один вопрос.

Чтобы понять, как работает термометр, нам нужно вспомнить физику: жидкость расширяется в объеме (объем пространства, которое она занимает), когда его температура нагревается и уменьшается в объеме при охлаждении ее температуры.

Когда термометр подвергается воздействию атмосферы, температура окружающего воздуха пронизывает его, в конечном итоге уравновешивая температуру термометра со своей собственной – это процесс, научное название которого – «термодинамическое равновесие». Если термометр и соответственно его внутренняя жидкость нагреваются, чтобы достичь этого равновесия, уровень жидкости (которая будет занимать больше объема при нагревании) будет расти, так как она замкнута внутри узкой прозрачной трубки и ей некуда деваться, кроме как расширяться вверх. Аналогично, если жидкость термометра должна остыть для достижения температуры воздуха, жидкость будет уменьшаться в объеме и ее уровень в трубке будет опускаться ниже. Как только температура термометра будет уравновешена с температурой окружающего воздуха, уровень его жидкости перестанет двигаться.

Рост и снижение уровня жидкости внутри термометра является лишь частью того, как он работает. Да, этот процесс говорит о том, что происходит изменение температуры, но без его количественной оценки. Для количественной оценки температуры нужно к столбику термометра приложить шкалу, и это ключевой момент.

Кто придумал термометр: Фаренгейт или Галилей?

Когда встает вопрос о том, кто изобрел термометр, список имен можно перечислять бесконечно. Это объясняется тем, что термометр был разработан из разработки идей в XV-XVIII веках, начиная с конца 1500-х годов, когда Галилео Галилей разработал устройство с использованием заполненной водой стеклянной трубки со взвешенными стеклянными поплавками, которые плавали выше или ниже в трубке в зависимости от тепла или холода наружного окружающего воздуха. Его изобретение было первым в мире «термоскопом».

В начале 1600-х годов венецианский ученый и друг Галилея, Санторио, добавили к термоскопу Галилея шкалу, чтобы можно было фиксировать значения изменения температуры. При этом он изобрел первый примитивный термометр в мире. Термометр не принял форму, которую мы используем сегодня, до тех пор, пока Фердинандо Медичи не переделал ее как герметичную трубку, имеющую расширенную с одного конца колбу и более суженную трубку (заполненную спиртом) в середине 1600-х годов. Наконец, в 1720-х годах Фаренгейт улучшил эту конструкцию, когда использовал ртуть (вместо спирта или воды) и приложил к ней собственную температурную шкалу. Используя ртуть (которая имеет более низкую точку замерзания и изменение ее объема (расширение и сокращение) которой более заметны, чем вода или спирт), термометр Фаренгейта позволил наблюдать температуры ниже нуля и выполнять более точные измерения. Так, модель термометра Фаренгейта была признана лучшей.


Каким термометром для измерения температуры пользуетесь вы?

Считая стеклянный термометр Фаренгейта, существует 4 основных типа термометров, используемых для измерения температуры воздуха:

Стеклянный жидкостный. Обычные, всем нам привычные, термометры с колбой на конце столбика, все еще используются в метеорологических станциях национальными метеорологическими наблюдателями метеорологических служб при ежедневных максимальных и минимальных наблюдениях за температурой. Они сделаны из стеклянной трубки («столб») с круглой камерой («колба») на одном конце, где находится жидкость, используемая для измерения температуры. По мере изменения температуры объем жидкости либо расширяется, заставляя ее подниматься в столб; или сжиматься, заставляя ее сжиматься из столба в колбу.

Конечно всем не нравится, насколько хрупки эти старомодные термометры? Их стекло действительно сделано очень тонким специально. Чем тоньше стекло, тем меньше материала для прохождения тепла или холода, и тем быстрее жидкость реагирует на это тепло или холод, то есть меньше отставание по времени, то есть он быстрее реагирует.

Биметаллический или пружинный. Термометр с циферблатом, установленный на вашем доме, сарае или на заднем дворе, является типом биметаллического термометра. Также обычно используются такие термометры для измерения и термостатирования печей (то есть поддержания постоянной температуры). Для определения температуры в таком термометре используется полоса из двух разных металлов (обычно из стали и меди), которые расширяются с разной скоростью. Две разные скорости расширения металлов заставляют полосу сгибаться в одну сторону, если она нагревается выше ее начальной температуры, и в противоположном направлении, если она охлаждается ниже нее. Температура может быть определена тем, насколько эта полоса / катушка согнута.

Термоэлектрический. Термоэлектрические термометры – это цифровые устройства, которые используют электронный датчик (называемый термистором) для генерации электрического напряжения. По мере прохождения электрического тока вдоль провода его электрическое сопротивление изменяется при изменении температуры. Измеряя это изменение сопротивления, можно вычислить температуру.

В отличие от своих стеклянных и биметаллических братьев термоэлектрические термометры прочны, быстро реагируют и не нуждаются в считывании величины температуры глазами человека, что делает их идеальными для автоматического использования. Вот почему они являются термометром для автоматизированных метеорологических станций аэропортов. Беспроводные персональные метеостанции также используют термоэлектрическую технику.

Инфракрасный. Инфракрасные термометры способны измерять температуру на расстоянии, определяя, сколько тепловой энергии (в невидимой инфракрасной длине волны спектра света) испускает объект и вычисляет из него температуру. Инфракрасные (ИК) спутниковые снимки, которые показывают самые высоко расположенные и самые холодные облака как яркие белые, а более низко расположенные, теплые облака, как серые, можно рассматривать как своего рода облачный термометр.

Теперь, когда вы знаете, как работает термометр, внимательно последите за ним каждый день, чтобы видеть, какие будут самые высокие и самые низкие температуры воздуха. 🙂