Pomiary temperatury

210 r. p.n.e. pojawiają się wzmianki o pierwszym termometrze, a właściwie termoskopie, opisał go grecki pisarz i inżynier Filon z Bizancjum, a nieco później Heron z Aleksandrii. Był to przyrząd pozwalający na określenie różnicy temperatury ciał. Zasada działania opierała się na wykorzystaniu zjawiska rozszerzalności cieplnej gazów. Urządzenie składało się z jednostronnie zasklepionej rurki, której otwarty koniec zanurzony był w naczyniu napełnionym cieczą (winem lub octem). Nie było skali, a jedynie dwie ruchome obrączki na rurce, umożliwiające zaznaczanie zmian temperatury. Tak rozpoczęła się długa historia termometrów.

1592-1593 Galileusz, równocześnie z Holendrem Cornelisem Jacobszoonem Drebbelem, budują termoskop wykorzystujący efekt zmiany ciśnienia powietrza do zmiany poziomu wody. Żaden z opisów termoskopu Galileusza nie zawiera niestety informacji o skali. Urządzenie miało zasadniczą wadę – reagowało na zmiany nie tylko temperatury, ale także ciśnienia atmosferycznego.

1612 Włoch Santorio Santorio publikuje dzieło, w którym podaje pierwszy opis konstrukcji termometru. Była to bańka wypełniona powietrzem, zakończona długą otwartą rurką, której koniec zanurzano w wodzie po ogrzaniu bańki. Poziom wody w rurce po ostygnięciu wskazywał temperaturę.

1620 Cornelis Jacobszoon Drebbel wynajduje termometr spirytusowy.

1624 Po raz pierwszy pojawia się w źródłach pisanych słowo „termometr” (we francuskiej wersji językowej). Miało to miejsce w rozprawie „La Récréation Mathématique” autorstwa Jeana Leurechona, który podał opis urządzenia z ośmiostopniową skalą.

1638 Termoskop zbudowany przez Roberta Fludda uchodzi za pierwsze tego rodzaju urządzenie wyposażone w skalę, jakie rzeczywiście powstało. Był to przyrząd oparty na zmianach ciśnienia powietrza.

1644 Książę toskański Ferdynand II eliminuje wadę urządzeń stosowanych do pomiarów temperatury – do tej pory były otwarte, a więc podatne na zmienność ciśnienia atmosferycznego. Ferdynand II odizolował rurkę od otaczającego powietrza, dzięki czemu znajdująca się w niej ciecz przestała reagować na wahania ciśnienia.

1664 Angielski fi zyk Robert Boyle określa topnienie lodu jako podstawowy punkt skali temperatury.

1665 Holenderski fizyk Chrystian Huygens twierdzi, że przy stałym ciśnieniu atmosferycznym temperatura wrzenia wody jest stała. Sugeruje wykorzystanie punktów zamarzania i wrzenia wody jako niezmiennych punktów w skali pomiaru temperatury.

1701 W jednym ze swoich artykułów Isaac Newton publikuje wyniki, które uzyskał podczas badań nad ciepłem. Posługiwał się termometrem cieczowym z olejem lnianym. W wyniku przeprowadzonych badań przypisał liczbę 12 ciepłocie ciała ludzkiego, 34 – wodzie wrzącej, a 0 – topniejącemu lodowi. Dziś pracę tę uważa się za początek współczesnej nauki o cieple.

1701 Ole Christensen Rømer jako jeden z pierwszych ustala skalę temperatur znaną jako skala Rømera, w której 0 było równoznaczne z temperaturą mieszanki lodu z solą. Na jej podstawie powstała później skala Fahrenheita. Rømer buduje praktyczny termometr. Wskaźnikiem temperatury jest w nim czerwone wino.

1702 Guillaume Amontons proponuje określenie „zero bezwzględne”, jako wniosek z zależności ciśnienia gazów od ich temperatury. Badacz zauważył, że ciśnienie jest proporcjonalne do temperatury pomniejszonej o stałą wartość jednakową dla wszystkich gazów. Temperatura zera bezwzględnego została później przez Lorda Kelvina wyznaczona na podstawie teoretycznych obliczeń temperatury kryształu doskonałego, w którym ustały wszelkie drgania tworzących go cząsteczek.

1714-25 Daniel Gabriel Fahrenheit z Gdańska buduje termometr rtęciowy oparty na opracowanej przez siebie skali (3). Wynalazca zarobkowo zajmował się wyrabianiem termometrów, barometrów oraz wysokościomierzy. Konstruował termometry tak niezwykle starannie, że były one ze sobą porównywalne, a w tamtych czasach sytuacja, w której dwa termometry (o takiej samej skali) dawały takie same wskazania, budziła podziw. Swoją nową skalę gdańszczanin opisał w 1725 r. w dziele „Philosophical Transactions”. Jest oparta na trzech punktach stałych. Pierwszy, najniższy, leży na początku skali i jest wyznaczony przez mieszaninę lodu, wody i salmiaku lub soli morskiej. Oznaczono go jako 0°. Drugi punkt otrzymano w wyniku zmieszania ze sobą tylko wody z lodem. Termometr z cieczą, który został zanurzony w tej mieszaninie, wskazał 32°. Punkt ten nazwano punktem początkowym zamarzania. Ostatni punkt sięga 96° – alkohol rozszerza się do tego stopnia, gdy się włoży termometr do ust lub pod pachę zdrowego człowieka i trzyma się tak długo, aż przyjmie temperaturę ciała. Skala Fahrenheita jest używana do dziś w wielu krajach (m.in. w USA).

1730 Francuski uczony René Antoine Ferchault de Réaumur konstruuje termometr spirytusowy, którego skala miała tylko jeden punkt stały – temperaturę topnienia śniegu przyjętą za 0°. Według jego pomiarów spirytus rozszerzał się od tego punktu do punktu wrzenia wody w stosunku 1080 do 1000, toteż Réaumur przyjął temperaturę wrzenia wody za 80°.

1794 Brytyjski fi zyk, odkrywca azotu, Daniel Rutherford, konstruuje termometr maksymalno-minimalny. Termometry maksymalne i minimalne są przeznaczone do mierzenia odpowiednio najwyższych i najniższych temperatur osiąganych w pewnym okresie, np. w ciągu tygodnia. Używa się ich głównie w badaniach meteorologicznych.

1821 Thomas Johann Seebeck odkrywa efekt termoelektryczny polegający na tym, że jeżeli w obwodzie składającym się z dwóch różnych metali oba złącza pozostają w różnych temperaturach, pojawia się różnica potencjałów między złączami. Obecnie efekt ten nazywa się często zjawiskiem Seebecka albo efektem Peltiera–Seebecka. Stanowi on podstawę działania termopary, czujnika temperatury.

1848 Lord Kelvin (William Thomson) zaproponował, by temperaturę wyrażać jako temperaturę bezwzględną, eliminując w ten sposób z wielu wzorów stałą, którą trzeba odejmować od temperatury. Temperatura zera bezwzględnego została przez Lorda Kelvina. wyznaczona na podstawie teoretycznych obliczeń temperatury kryształu doskonałego, w którym ustały wszelkie drgania tworzących go cząsteczek. Tym samym powstała skala Kelvina, w której jeden stopień, kelwin, to jednostka temperatury w układzie SI, równa 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody, oznaczana jako K. Definicja ta odnosi się do wody o następującym składzie izotopowym: 0,00015576 mola 2H na jeden mol 1H, 0,0003799 mola 17O na jeden mol 16O i 0,0020052 mola 18O na jeden mol 16O.

1859 William John Macquorn Rankine proponuje skalę nazwaną potem od jego nazwiska. Jest to skala absolutna, tzn. zero oznacza w niej najniższą możliwą temperaturę, jaką może mieć kryształ doskonały, w którym ustały wszelkie drgania cząsteczek (zero bezwzględne). Temperatura ta została obliczona na podstawie funkcji uzależniającej temperaturę od energii kinetycznej drgań cząsteczek w krysztale doskonałym. Jest odpowiedniczką skali Kelvina dla stopni Fahrenheita.

1866 Thomas Clifford Allbutt wynajduje nowoczesny medyczny termometr rtęciowy, co umożliwiło zmniejszenie rozmiaru urządzenia do mierzenia temperatury z 30 do 15 cm i skróciło czas pomiaru z 20 do 5 minut.

1871 Carl Wilhelm Siemens opisuje termometr rezystancyjny – przyrząd pomiarowy służący do pomiaru temperatury, wykorzystujący zmianę oporu towarzyszącą zmianom temperatury. Pomiar jest dokonywany drogą pośrednią. Mierzy się oporność odpowiednio dobranego elementu pomiarowego (rezystora) przy pomocy omomierza, który jest wyskalowany w jednostkach temperatury. Kilka lat później powstają pierwsze modele takich termometrów.

1892 Henri-Louis Le Châtelier buduje pierwszy optyczny pirometr. Jest to przyrząd pomiarowy służący do bezdotykowego pomiaru temperatury, protoplasta m.in. popularnych współcześnie termometrów na podczerwień. Działa w oparciu o analizę promieniowania cieplnego emitowanego przez badane ciała (wszystkie ciała o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego emitują promieniowanie cieplne o podobnej charakterystyce, zwanej promieniowaniem ciała doskonale czarnego). Proste pirometry mierzą ilość emitowanej energii poprzez pomiar temperatury elementu, na który pada promieniowanie. Do pomiaru temperatur powyżej 600°C używane są pirometry optyczne, w których jasność świecenia badanego obiektu jest porównywana z jasnością obiektu wzorcowego (np. żarnika).

1930 Samuel Ruben wynajduje termistor, typ opornika, którego rezystancja znacznie zależy od temperatury, w dużo większym stopniu niż w przypadku standardowych oporników. Najczęściej jest półprzewodnikowy lub metalowy. Wykonuje się go z tlenków: manganu, niklu, kobaltu, miedzi, glinu, wanadu lub litu. lata 40. XX w. Paul Siple i Charles Passel wprowadzają pojęcie temperatury odczuwalnej (ang. wind chill). Oparli się na spostrzeżeniach podczas badań naukowych na Antarktydzie, dotyczących zamarzania wody w naczyniu. Czas, po jakim zamarzała woda, zależał od jej początkowej temperatury, temperatury otoczenia i prędkości wiatru. Temperatura odczuwalna obliczana jest w zależności od przyjętej metody na podstawie takich parametrów, jak: temperatura powietrza, siła wiatru, wilgotność i opady.

1965 Hewlett-Packard wprowadza termometr kwarcowy jako narzędzie do bardzo precyzyjnych pomiarów temperatury. Działa przez pomiar oscylacji w kryształach kwarcu. Czułość takich urządzeń wynosi do 0,0001°C. 1965 Szwedzka fi rma AGEMA wprowadza na rynek urządzenia termowizyjne wizualizujące pola temperatury. Jest to praktyczna realizacja rozwijanej wcześniej w wielu dziedzinach nauki i techniki termografi i, czyli procesu obrazowania w paśmie średniej podczerwieni (długości fali od ok. 0,9 do 14 mm). Pozwala ona na rejestrację promieniowania cieplnego emitowanego przez ciała fi zyczne, w przedziale temperatur spotykanych w warunkach codziennych, bez konieczności oświetlania ich zewnętrznym źródłem światła; oraz, dodatkowo, na dokładny pomiar temperatury tych obiektów.

lata 70. Pojawiają się termometry ultradźwiękowe, w których wykorzystuje się zależność prędkości rozchodzenia się fal dźwiękowych od temperatury obiektu (ośrodka przewodzącego.

Klasyfikacja urządzeń i technik do pomiaru temperatury

Temperatura jest w termodynamice jedną z podstawowych wielkości fizycznych (parametrów stanu), które określają stopień nagrzania ciał. Można ją ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej (czyli stabilnej temperatury ciała lub wyrównania temperatury pomiędzy dwoma ciałami – np. termometrem i mierzonym medium).

Podobnie jak ilość skal temperatury istnieje szeroka gama rodzajów i sposobów jej pomiaru.

Ze względu na zjawiska fizyczne wykorzystane do tej czynności, urządzenia pomiarowe można podzielić na:

• wytwarzające napięcie elektryczne na styku dwóch metali (termopara) w różnych temperaturach;

• zmieniające rezystancję elementu (termistor, rezystor platynowy);

• zmieniające parametry złącza półprzewodnikowego (termometr diodowy);

• zmieniające objętość cieczy, gazu lub długość ciała stałego (termometr, termometr cieczowy);

• wykorzystujące właściwości magnetyczne (termometr magnetyczny);

• analizujące widmo emitowanego promieniowania cieplnego (pirometr);

• wykorzystujące odkształcenie bimetalu (termometr bimetaliczny);

• wykorzystujące zmianę barwy;

• zmieniające płynność ciała (stożki Seegera – stosowane dawniej trójścienne ostrosłupy ścięte o określonych wymiarach, wykonane z tak dobranego materiału, że przy ogrzaniu ich do określonej temperatury, zwanej temperaturą zgięcia stożka, zginają się, dotykając wierzchołkiem podstawy.).

Klasyfikacja termometrów ze względu na zasadę działania:

• cieczowy – wykorzystuje zjawisko rozszerzalności cieplnej cieczy (przeważnie rtęci albo alkoholu) w kapilarze szklanej, wewnątrz której panuje próżnia;

• rtęciowy – dla temperatur od –38°C (topnienie rtęci) do 356°C (wrzenie rtęci);

• alkoholowy – dla temperatur od –70 do 120°C; np. termometr pokojowy;

• bimetalowy – wykorzystuje się w nim różnice rozszerzalności cieplnej dwóch metali;

• gazowy – czynnikiem roboczym jest gaz, a mierzy się parametry gazu, np. objętość, przy stałym ciśnieniu lub ciśnienie przy stałej objętości;

• parowy – wykorzystuje zależność ciśnienia pary nasyconej od temperatury, stosowany jest w termostatach, np. samochodowych;

• oporowy – wykorzystuje zjawisko zmiany oporu elektrycznego przy zmianie temperatury, stosowanym czynnikiem jest platyna, brąz, półprzewodniki, specjalne stopy;

• elektryczny – wykorzystuje wpływ temperatury na właściwości elektryczne materiałów stosowanych do budowy czujników;

• termopara – wykorzystuje zjawisko termoelektryczne (powstawanie siły elektromagnetycznej w miejscu połączenia dwóch różnych metali);

• magnetyczny (paramagnetyczny) – do pomiaru temperatur mniejszych niż 1 kelwin;

• pirometr – przyrząd pomiarowy do bezdotykowego pomiaru temperatury. Działa w oparciu o analizę promieniowania cieplnego emitowanego przez badane ciała.

Urządzenia mierzące temperaturę można klasyfikować także na inne sposoby, np. ze względu na przeznaczenie. W tym kontekście wyróżniamy więc termometry:

• lekarski – dla temperatur od 35 do 42°C (termometry elektroniczne: 32-42°C). Jego odmianą jest termometr owulacyjny. Są to termometry temperatury maksymalnej;

• meteorologiczny – zespół dwóch termometrów, maksymalnego i minimalnego;

• zaokienny – dla temperatur od -50 do 50°C;

• pokojowy – dla temperatur od 0 do 40°C;

• laboratoryjny – dla różnych temperatur (zazwyczaj 0-150°C).