ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы История развития термометрии из "Температурные измерения " На основе чувственных восприятий окружающих явлений, естественно, пришли к последовательности таких понятий, как зимняя стужа, капель, летняя прохлада, красное и белое каление, температуры, соответствующие здоровой норме и лихорадочному состоянию человека. В такой последовательности каждому телу в его состоянии может быть найдено вполне четкое место между более и менее нагретыми телами. Место на такой естественной шкале позволяло всегда сопоставительно сравнивать относительное количество содержащейся в теле энергии и способности тела воспринимать или отдавать энергию в качественном смысле, т.е. независимо от количественных характеристик размеров, объема или веса тела. [c.10] Потребность в измерениях температуры с познавательной целью возникла лишь в середине XVI в. Чтобы производить такие измерения, можно было воспользоваться любой известной из наблюдений зависимостью какого-нибудь параметра от температуры. Еще Герону Александрийскому было известно свойство воздуха расширяться при нагревании, чем он объяснял стремление огня вверх. Изменение объема с изменением температуры при постоянном давлении у газов, в частности у воздуха, выражено более сильно, чем у жидких и твердых тел. На этой основе в 1592 г. Галилеем был предложен для сравнительных температурных исследований термоскоп, который состоял из стеклянного баллончика, заполненного воздухом и сообщающегося тонкой трубкой с сосудом, в котором была закрашенная жидкость (вода или спирт). Изменение температуры воздуха в баллончике сопровождалось изменением уровня закрашенной жидкости в трубке. Существенным недостатком этого первого из известных термометров являлась чувствительность к изменению атмосферного давления. [c.10] В 1631 г. французский врач Ре описал термометр, действие которого было основано на использовании расширения воды. Конструкция термометра, подобного распространенным теперь жидкостно-стеклянным, создана в 1654 г. Его появление связывают с именем ученика Галилея — герцога тосканского Фердинанда II. Термометр представлял собой герметически запаянный сосуд с вертикальным указательным капилляром. В качестве рабочей жидкости использовался винный спирт. Сохранились сведения о том, что при снегопаде он показывал 20, а в самый знойный день — 80 градусов. Деления градусов были нанесены эмалевыми капельками прямо на трубку капилляра- В создании этих термометров, очевидно, значительную роль сыграли всемирно известные своим мастерством флорентийские стеклодувы. [c.10] В 1703 г. французский академик Амонтон, основываясь на том, что теплота представляет собой одну из форм движения, пришел к выводу, что нулевая точка температурной шкалы должна соответствовать состоянию, при котором прекратится всякое движение частиц. Он полагал, что при этом частицы будут занимать наименьший объем или, в случае газа, оказывать наименьшее возможное давление на ограничивающие стенки. Амонтон впервые предпринял попытку определить положение абсолютного нуля относительно точки таяния льда. [c.11] Гданьскому стеклодуву Фаренгейту человечество обязано началом серийного производства термометров и выбором в качестве рабочей жидкости ртути (1714 г.). В шкале Фаренгейта уже достаточно определенно воспроизведены три фиксированные точки. Температура тела здорового человека принималась равной 12 градусам промежуточная температура таяния чистого льда, согласно измерениям, оказалась равной 4 градусам. Градусы Фаренгейта получились вначале неудобно большими. Для более тонких отсчетов Фаренгейт трижды последовательно делил их пополам, что привело к восьмикратному уменьшению единицы. При этом температура таяния льда стала равной 32 градусам, а температура тела человека — 96 градусам. Температура таяни.я льда в те времена предполагалась ненадежной, поскольку уже были известны случаи переохлаждения жидкостей. Температура кипения воды была вначале величиной производной и равной 212 градусам. Фаренгейт провел изыскания надежных фиксированных точек шкалы и установил, что температура смеси льда с водой стабильна при значительной вариации внешних условий, а температура кипения воды зависит от барометрического давления. Шкала Фаренгейта получила широкое распространение. В 1736 г. точки замерзания и кипения воды при фиксированном барометрическом давлении были приняты в качестве основных для всех шкал. [c.11] Около 1760 г. Ламберт, немецкий астроном, оптик и зодчий, пришел к выводу о достаточности в абсолютной шкале одной фиксированной точки. Второй такой точкой должен быть абсолютный нуль. Температура таяния льда была выбрана равной 1000 градусов, при этом температура кипения воды получалась величиной производной и равной 1370 градусам. Несмотря на очевидные достоинства, практического применения шкала Ламберта не получила. [c.11] После установления фиксированных точек шкалы естественно возникли вопросы интерполяции, что привело к тщательным исследованиям стекол и термометрических жидкостей. Наблюдения, проведенные на термометрах из одинакового стекла, которые заполнялись водой, маслом, спиртами, ртутью, показали различный ход мениска уровня жидкости при промежуточных температурах. В этих исследованиях была обнаружена температурная инверсия плотности воды при 4° С. [c.11] Одно из первых предложений метрологической основы интерполяции было сделано пизанским профессором Ренальдини в 1694 г. Оно состояло в том, что промежуточное значение показания термометра определялось пропорциональным долям смеси, составленной из кипящей воды и воды, слитой с тающего льда. При очевидных принципиальных достоинствах практическая реализация такого метода оказалась связанной с непреодолимыми трудностями. [c.11] Шведский математик и геодезист Цельсий в 1742 г. предложил разбить в ртутном термометре диапазон между точками кипения воды и таяния льда на 100 равных частей. В этой шкале точке плавления льда соответствовало 100 градусов, а точке кипения воды — 0. В 1750 г. шкала была обращена одним иа сотрудников и учеников Цельсия — Стрёмером. Подобная шкала с нулем при кипении воды и 150 градусами при ее замерзании была предложена ранее, в 1740 г., французским академиком Ислем. Смысловая основа такого обращенного представления утеряна. [c.12] До начала XX в. наравне со стоградусной шкалой Цельсия была распространена шкала, предложенная в 1730 г. французским зоологом и физиком Реомюром для термометров, заполненных 80 %-ны.м водным раствором этилового спирта. В шкале Реомюра система деления на градусы была принята такой же, как во флорентийском термометре один градус соответствовал изменению объема жидкости на одну тысячную долю. За начало отсчета Реомюр принял температуру тающего льда, те.мпература кипения воды соответствовала 80 градусам. [c.12] В начале XIX в. в поисках абсолютного метрологического прибора вернулись к идее газового термометра. Открытые к тому времени законы Гей-Люссака и Шарля позволяли предполагать, что в газовых термометрах показание не будет зависеть от вида газового заполнения. Однако при дальнейшем уточнении методов измерения в газах были обнаружены существенные индивидуальные отклонения. Тщательные исследования французского физика Реньо показали, что коэффициенты расширения газов зависят от плотности и степени удаления по температуре от состояния сжижения. Повышение температуры и снижение давления приближают газы к идеальным. Так, при 320 °С и нормальном давлении Реньо не удалось обнаружить разницы в показаниях газовых термометров, заполненных водородом, воздухом и углекислым газом. В подобных условиях сернистый газ отличался от водорода не только значением коэффициента, но и непостоянством этой величины. Реньо установил, что с понижением давления это различие становится менее заметным. Таким образом, деление температурной шкалы не получило желательной обоснованности вплоть до конца XIX в. [c.12] Сравнительные измерения показали, что в основном диапазоне о—100 °С показания водородного термометра систематически ниже, чем показания термометров, заполненных другими газами. За пределами фундаментального диапазона показания термометра были тем выше, чем легче газ. В точках 0 и 100 °С показания всех термометров приводились к одинаковым условиям. [c.12] Одновременно с чисто экспериментальными исследованиями проводились и теоретические поиски незыблемой шкалы, В этом отношении заманчиво было воспользоваться функцией Карио, которая не зависит от вещества и является функцией одной только температуры. [c.12] На основании исследований Джоуля и Томсона с учетом известных данных о неидеальности различных газов в 1887 г. Международным комитетом мер и весов было принято решение об утверждении в качестве температурного эталона водородного термометра постоянного объема (плотности) с начальным давлением (при О X) 1 м рт. ст. и стоградусным равномерным по давлению делением шкалы в промежутке между точками таяния льда и кипения воды при нормальном давлении. Неудобный в обращении водородный термометр был заменен эталонированными ртутными термометрами. Проведенные исследования показали, что максимальный разброс показаний ртутных эталонированных термометров из верредура различных плавок при 50 °С не превышает 0,02 К. [c.13] В 1906 г. Штоком и Нильсеном был предложен термометр с использованием упругости паров насыщения. В середине XX в. такие термометры широко применялись на транспорте, в частности автомобильном. Затем их вытеснили биметаллические термовибранионныа элементы. В настоящее время принцип измерения температуры по давлению насыщенных паров используется лишь в лабораторной практике в области низких температур. [c.13] В 1827 г. немецкий физик Ом обнаружил зависимость электрического сопротивления различных проводников от их температуры. Первый термометр сопротивления был изготовлен немецким физиком Сименсом в 1871 г. для измерения температуры в печах. Платиновые термометры сопротивления нашли применение в качестве прецизионного инструмента после обстоятельных исследований английского физика Каллендера (1886 г.). [c.13] Существование металлов с настолько слабо выраженной зависимостью сопротивления от температуры, что ею можно пренебречь (для константана она примерно в 100 раз меньше, чем для платины, серебра и меди), позволяет реализовать эффективный абсолютный инструмент для прецизионных измерений, включая метрологические. Значительным вкладом в повышение чувствительности таких приборов явилось применение полупроводников. Температурный коэффициент полупроводниковых элементов на порядок выше, чем коэффициент чистых металлов. В 1948 г. фирма Дженерал электрик (США) выпустила первую партию таких приборов, назвав их термисторами. [c.13] Обстоятельные исследования позволили выбрать около десятка термоэлектродных материалов, имеющих практически прямолинщ -ные температурные характеристики. Особое преимущество термопар состоит в возможности измерения практически в точке. Объем спая термопар во много раз меньще резервуара ртутного термометра, поэтому они нашли широкое применение как в промышленной, так и (особенно) в лабораторной исследовательской практике. В настоящее время подавляющее большинство температурных измерений проводится посредством термопар. [c.14] Температура является интенсивным параметром. Остальные пять основных метрологических параметров (длина, масса, время, единицы силы света и количества электричества) по своей природе экстенсивны и обладают свойством суперпозиции. Сложение и деление основной единицы, например килограмма, обеспечивает надежную метрологическую основу измерения массы при произвольно больших и малых значениях измеряемой величины. Температура таким свойством суперпозиции не обладает, и это всегда вносило большие трудности в проведение измерений. [c.14] Вернуться к основной статье