Конспект уроку: Температура і її вимірювання. Термометри

Вимірювання температури

Теплові явища та процеси відіграють важливу роль у житті та діяльності людини. Тому постійно виникає потреба визначати теплові стани різноманітних тіл та їх систем. Яким чином це можна зробити? В першу чергу, через вимірювання такої важливої кількісної характеристики теплового стану, як температура. Кожному доводилося вимірювати температуру власного тіла, повітря в кімнаті та на вулиці. Потрібно вимірювати температуру в середині духовки газової чи електричної плити для вибору оптимального режиму приготування страв, температуру води в системі охолодження теплових двигунів, температуру протікання різних технологічних процесів (наприклад, плавлення металів), тощо.

Чи відрізняється вимірювання температури тіл від вимірювання маси або довжини? Вимірюючи масу або довжину, ми користуємося спеціальними мірами, з якими порівнюємо ці величини. Подібнимчином температуру виміряти не можна. Оскількитемпература є мірою кінетичної енергії хаотичного руху молекул або атомів тіла, то довелося б вимірювати значення кінетичної енергії кожної з мікрочастинок, що неможливо зробити.

Оскільки температура є кількісною мірою середньої кінетичної енергії молекулярного руху, то її можна було б вимірювати у джоулях. Однак історично склалося так, що для вимірювання температури використовують спеціальні одиниці - градуси. Цікаво, що вимірювати температуру навчились раніше, ніж зрозуміли будову речовини та що таке температура.

Деякі властивості тіл, наприклад, об’єм, змінюються зі зміною температури. Тому для вимірювання температури знаходять залежність певної властивості тіла від температури.

Прилади, які використовуються для вимірювання температури шляхом контакту з досліджуваним середовищем, називають термометрами.

На практиці використовують різні види термометрів. Вони відрізняються між собою тим, що в них використовується залежність різних властивостей тіла від температури, наприклад, змінаоб’єму тіла або електричного опору.

Розрізняютьтермометри рідинні (термодинамічним тілом в них є рідина), металічні (термодинамічним тілом в них є біметалічні пластини), провідності (за зміною електричного опору).

Рис. Термометри: 1 – електричний, 2,3 – електронні, 3 – інфрачервоний, 4 – металічні, 5,6 – рідинні термометри

Рідинні термометри

Одними з найбільш простих за конструкцією та зручних у використанні є рідинні термометри. В основу принципу їх дії покладено властивість рідини змінювати свій об’єм в залежності від температури (під час нагрівання розширюватися, а під час охолодження - стискатися).

Рідинний термометр складається з невеликого резервуара (скляної колбочки), заповненого рідиною (наприклад, спиртом, пентаном, толуолом). За допомогою вузького каналу (капілярної трубки) резервуар з’єднаний зі скляною трубкою, запаяною зверху. Трубка кріпиться до температурної шкали. Для зменшення зовнішніх механічних впливів елементи термометра розміщують у прозорому корпусі.

Рис. Будова термометра: 1 – резервуар (скляна колбочка) з рідиною; 2 – капілярна трубка; 3 – скляна трубка, запаяна зверху; 4 – температурна шкала; 5 – прозорий корпус.

Рідинні термометри можна застосовувати для вимірювання лише тих температур, при яких рідина зберігає свої властивості (так, ртутним термометром можна вимірювати температури не нижчі за -39 °С, оскільки це точка тверднення ртуті; аналогічно при високих температурах рідина термометра почне випаровуватися). Крім того, висота піднімання стовпчика рідинного термометра залежить від властивостей самої рідини та скла, з якого виготовлено трубку.

Розглянемо вимірювання температури рідинним термометром. Візьмемо термометр в руку, затиснувши резервуар з рідиною в долоні. Оскільки температура тіла людини, як правило, вища, ніж температура повітря в кімнаті, то тепло від долоні передаватиметься термометру. Температура рідини поступово зростатиме. Внаслідок теплового розширення збільшуватиметься її об’єм: стовпчик рідини в капілярній трубці піднімається. Якщо після нагрівання термометр залишити на столі, він почне остигати до кімнатної температури. Температура рідини, а отже і її об’єм, зменшуються. Стовпчик рідини опускається. Збільшення тазменшення температури рідини термометра, а також її об’єму відбувається поступово - потрібен певний час для встановлення теплової рівноваги між тілом та термометром.

Термометри показують власну температуру. Для вимірювання температури тіла потрібно забезпечити контакт між ним та термометром протягом деякого часу, доки встановиться теплова рівновага і температура рідини термометра зрівняється з температурою тіла.

Температурна шкала Цельсія та її градуювання

Оскільки температура є кількісною характеристикою, тому недостатньо зафіксувати зміни рівнів стовпчика рідини термометра. Потрібно поставити їм у відповідність числові значення, які б залежали не від особливостей процесу вимірювання, а лише від температури тіла, тобто, проградуювати температурну шкалу. З цією метою на шкалі вибирають дві фіксовані (так звані реперні) точки, що відповідають таким значенням температури, які легко відтворюються, і за якими можна перевіряти точність термометрів та порівнювати їх між собою.

Температурна шкала, що використовується у сучасних рідинних термометрах, була запропонована шведським ученим А. Цельсієм у 1742 році.

За фіксовані точки температурної шкали А. Цельсій взяв точки, що відповідають температурі танення льоду (замерзання води) та температурі кипіння води за нормального тиску (1 атмосфера, що відповідає 760 мм рт.ст., або 101292,8 Па).

Інтервал між фіксованими точками Цельсій поділив на 100 однакових частин і встановив розмір одиниці температурної - градус. На честь вченого, який розробив температурну шкалу, одиниці температури назвали градусами Цельсія. Виміряні значення температури позначають °С (наприклад, „22 °С” - 22 градуси Цельсія).

Рис. Температурна шкала А. Цельсія. Фіксовані (реперні) точки температурної шкали А.Цельсія: температури танення льоду та кипіння води.

Для того, щоб детальніше ознайомитися з особливостями температурної шкали Цельсія, проградуюємо шкалу рідинного термометра. Візьмемо рідинний термометр з не градуйованою шкалою. Помістимо його у посудину з танучим льодом. Зачекаємо трохи і після встановлення теплової рівноваги між термометром та льодом позначимо на шкалі точку, де зупинився верхній рівень стовпчика рідини. Приймемо зафіксовану точку за 0 °С. Після цього термометр помістимо у киплячу воду за нормального тиску. Точку на шкалі, що відповідає верхньому рівню стовпчика рідини в цьому випадку приймемо за 100 °С. Поділимо отриманий інтервал на 100 однакових частин і встановимо розмірність температурної шкали - градус. Для зручності відліку виміряної температури проставимо на шкалі числові значення через кожні 10 °С - шкалу термометра проградуйовано.

Термодинамічна (абсолютна) шкала температур

Крім шкали Цельсія в деяких країнах використовували і до нашого часу використовують температурну шкалу Реомюра (Франція, фіксовані точки 0оР та 80 °Р) і шкалу Фаренгейта (Англія, Америка, фіксовані точки 32 Т та 212 Т).

Для більш точних вимірювань температури використовують так звану термодинамічну шкалу температур, яку запропонував у 1848 році англійський фізик В. Томсон (лорд Кельвін). За цією шкалою відлік температури починають від абсолютного нуля (температури, при якій мав би повністю припинитися хаотичний рух молекул і атомів тіла). Одиницею термодинамічної шкали температур є Кельвін.

За основну одиницю температури Міжнародної системи одиниць (СІ) прийнято Кельвін (К).

Шкала Цельсія та термодинамічна шкала зміщені між собою на 273,15 К. Тобто:

Температура замерзання води (0 °С) в одиницях міжнародної системи становить 273,15 К. 1 кельвін за розміром дорівнює 1 градусу Цельсія (1 К = 1 °С).

Металічні, електричні та електронні термометри

Для вимірювання високих температур використовуються металічні термометри. Принцип дії таких термометрів ґрунтується на залежності лінійних розмірів тіла (металу) від температури. В металічних термометрах використовують так звані біметалічні пластинки (“б/” - два) - пластинки, що складаються з двох смужок різних металів. Якщо біметалеву пластинку, що складається, наприклад, з латунної та залізної смужок, нагрівати, то така пластинка відхиляється від початкового положення за рахунок різного лінійного розширення кожної зі смужок. Чим більшим буде нагрівання, тим більшим буде відхилення.

Якщо з біметалічної пластинки зробити спіраль, закріпити один її кінець на підставці, а до іншого приєднати стрілку, яка буде відхилятися при підвищенні температури, та відповідним чиномпроградуювати шкалу, отримаємо металічний термометр. Щоправда, покази такого термометра не будуть дуже точними.

Для технічних потреб використовують також електричні термометри, в яких використовується залежність від температури такої властивості тіла, як опір електричному струму.

Все більшого поширення набувають електронні термометри з цифровою індикацією. їх можна використовувати й для вимірювання власної температури тіла. Вони є мініатюрними мікроелектронними пристроями, які досить чутливі до найменших змін температури.

Перевірка знань:

1. Вкажіть, що покладено в основу вимірювання температури:

a) Порівняння температури даного тіла з температурою еталону

b) Визначення температури окремих молекул чи атомів тіла

c) Визначення залежності між масою та лінійними розмірами тіла

d) Визначення характеру залежності тих чи інших властивостей тіла від температури

2. Виберіть фіксовані (реперні) точки температурної шкали Цельсія:

a) Точка плавлення заліза

b) Точка плавлення льоду

c) Точка тверднення ртуті

d) Точка кипіння води

3. Вкажіть, яку температуру показують термометри:

a) Температуру тіла, яке досліджується

b) Температуру повітря в кімнаті

c) Власну температуру

d) Температуру замерзання води

4. Вкажіть, як співвідносяться за розміром одиниці шкали Цельсія та термодинамічної шкали:

a) 1 °С = 1 К

b) 1 °С = 1 / К

c) 1 / °С = 1 К

d) 1 °С = 10 К

5. Яка із вказаних температур відповідає температурі кипіння води за термодинамічною шкалою:

a) 100 °С

b) -100 к

c) 173.15 К

d) 373.15 К