Historia pomiaru temperatury i termometru

Andrzej Łobzowski, Kazimierz Wilczewski
LAB-EL Elektronika Laboratoryjna Sp.J.

• Termoskop Filona
• Termoskop Galileusza
• Skala Kelvina
• Skala Fahrenheita
• Skala Celsjusza
  

1. Wstęp

Problem temperatury występuje powszechnie w naszym życiu a także we wszystkich dziedzinach nauki, produkcji przemysłowej. Można powiedzieć, że jest wszechobecny. Niniejszy opis nie wyczerpuje tematu termometrów i pomiaru temperatury a jedynie ma na celu zasygnalizowanie kilku jej aspektów. Wiele problemów związanych z temperaturą (a także innymi parametrami mikroklimatu) w aspekcie produkcji, dystrybucji i przechowywania (np. farmaceutyków, produktów spożywczych, zasobów archiwalnych itd.) rozwiązuje szeroka gama przyrządów produkowanych w firmie LAB-EL. Istotne informacje o tych wyrobach a także ich zastosowaniach pod kątem wymogów prawa farmaceutycznego i przepisów HACCP można znaleźć na stronie www. Zachęcamy też do zapoznania się z naszą ofertą termometrów elektronicznych.

Od zarania dziejów ludzie określali stan cieplny otaczającego ich powietrza i przedmiotów. Początkowo skala temperatury ograniczała się do stwierdzeń: ciepło, zimno, gorąco. Określanie temperatury na podstawie odczucia zmysłów jest względne i niejednoznaczne. Jeśli w mroźny dzień wejdziemy do pomieszczenia o temperaturze np. ok. 15 stopni C, wydaje nam się, że jest w nim ciepło, ale gdy do tego samego pomieszczenia wejdziemy w bardzo upalny dzień, możemy odnieść wrażenie, że jest w nim zimno. Na odczucie zimna i ciepła mają wpływ także inne parametry mikroklimatu. Temperatura odczuwana zależy od danych warunków pogodowych. Formalne pojęcie temperatury odczuwalnej (ang. wind chill) wprowadzili Paul Siple i Charles Passel w latach czterdziestych ubiegłego wieku. Był oparty na ich spostrzeżeniach podczas badań naukowych na Antarktydzie, dotyczących zamarzania wody w naczyniu. Z obserwacji tej wynikało, że czas, po jakim zamarzała woda zależał od jej początkowej temperatury, temperatury otoczenia i prędkości wiatru. Istnieje kilka modeli pozwalających obliczyć temperaturę odczuwalną, jednak każdy z nich daje zadowalające rezultaty tylko w określonym zakresie zmienności warunków atmosferycznych. Temperatura odczuwalna obliczana jest w zależności od przyjętej metody na podstawie takich parametrów jak: temperatura powietrza, siła wiatru, wilgotność i opady.

Z czasem w wielu procesach produkcji rzemieślniczej powstała potrzeba dokładniejszego niż odczucie określenia temperatury. Wiele pokoleń rzemieślników (np. garncarzy, płatnerzy itd.) umiało oceniać temperaturę ciał. Dokonywali tego zazwyczaj wizualnie, przez określenie barwy rozgrzanego przedmiotu. Wraz z rozwojem rzemiosła i przemysłu coraz pilniejszą stawała się potrzeba znalezienia sposobu dokładniejszego określania temperatury. Zaczęto do pomiaru temperatury wykorzystać zjawiska fizyczne, których jedna właściwość silnie zależy od temperatury, a pozostałe są w przybliżeniu niezmienne. I tak na przykład zależność objętości gazów od temperatury wykorzystana została w konstrukcji termometrów gazowych, rozszerzalność termiczna cieczy – w termometrach cieczowych. Zależność oporu elektrycznego od temperatury pozwoliła na skonstruowanie termometrów oporowych. To tylko kilka możliwych przykładów. W dniu dzisiejszym nawet w zastosowaniach domowych dokładność określenia temperatury wzrosła do ułamka stopnia a większość z nas jako jedną z pierwszych porannych czynności wykonuje rzut oka na termometr.

2. Kilka definicji

Temperatura jest jedną z podstawowych w termodynamice wielkości fizycznych (parametrów stanu), określających stopień nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, (czyli stabilnej temperatury ciała lub wyrównania temperatury pomiędzy dwoma ciałami np. termometr i medium mierzone).

Temperatura jest miarą energii kinetycznej (ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ). Temperatura może być także określona opisowo jako miara "skłonności" do dzielenia się ciepłem. Jeśli dwa ciała mają tę samą temperaturę, to w bezpośrednim kontakcie nie przekazują sobie ciepła, gdy zaś mają różną temperaturę, to następuje przekazywanie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej - aż do wyrównania się temperatur obu ciał.
Do pomiaru temperatury służą przyrządy nazywane termometrami.

3. Pierwsze termometry

Pierwszy termometr, a właściwie termoskop, opisał w 210 roku p.n.e. grecki pisarz i inżynier – Filon z Bizancjum, a nieco później Heron z Aleksandrii. Był to przyrząd pozwalający na określenie różnicy temperatury ciał, którego zasada działania opierała się na wykorzystaniu zjawiska rozszerzalności cieplnej gazów. Przyrząd ten składał się z jednostronnie zasklepionej rurki, której otwarty koniec zanurzony był w naczyniu napełnionym cieczą (winem lub octem). Przyrząd nie posiadał skali a jedynie dwie ruchome obrączki na rurce umożliwiające zaznaczanie zmian temperatury.

W czasach nowożytnych do idei termoskopu powrócił ok. 1600 r. Galileusz. Choć wiele źródeł podaje Galileusza jako wynalazcę termometru (termoskopu ze skalą), żaden z opisów termoskopu Galileusza nie zawiera informacji o skali. Zarówno termoskop Filona z Bizancjium jak i Galileusza były termoskopami powietrznymi, ponieważ były oparte na zjawisku rozszerzalności powietrza pod wpływem temperatury. Termoskop Galileusza miał zasadniczą wadę: reagował nie tylko na zmiany temperatury, ale także na zmiany ciśnienia atmosferycznego. Wadę tę wyeliminował książę toskański Ferdynand II w 1644 r. Odizolował on rurkę od otaczającego powietrza, dzięki czemu znajdująca się w niej ciecz przestała reagować na wahania ciśnienia.

4. Skale termometryczne i punkty charakterystyczne

Wroku 1664 angielski fizyk Robert Boyle określił jako podstawowy punkt skali temperatury topnienie lodu. Z kolei holenderski fizyk Chrystian Huygens stwierdził, że przy stałym ciśnieniu atmosferycznym temperatura wrzenia wody jest stała.

W 1848 roku Lord Kelvin zaproponował, aby 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 ją cząsteczek.

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

Jednak jeszcze przez wiele lat w sprawie skali termometrów panował chaos i niejednolitość. Pierwszy precyzyjny termometr powstał w XVIII wieku. Jego skalę zawdzięczamy Gabrielowi Danielowi Fahrenheitowi (urodzony w roku 1686 r. w Gdańsku, w rodzinie niemieckojęzycznej, a zmarły w roku 1736 w Hadze inżynier i fizyk). Charakterystyczne punkty skali Fahrenheita to: temperatura mieszaniny lodu i wody z salmiakiem lub solą kuchenną (uznana za jej punkt zerowy) i temperatura mieszaniny wody z lodem – którą Fahrenheit określił na 32 stopnie. Taka skala została ogłoszona w 1724 r. Jako ciekawostkę można podać (wg  - Bartłomiej Kozłowski, 2007), że pierwotna wersja skali Fahrenheita, opracowana przez niego w 1715 r., miała dwa punkty wzorcowe: jej zerem była najniższa temperatura zaobserwowana w Gdańsku zimą 1708/1709 r., a punktem 100 stopni temperatura ciała jego żony. Przyjmując to drugie kryterium, Fahrenheit myślał, że jest to normalna temperatura ciała ludzkiego. Dopiero później się okazało, że żona Fahrenheita miała stan podgorączkowy, wskutek czego 100 stopni w jego skali oznaczało nie 36,6 stopnia w skali Celsjusza, lecz 37,8 stopnia.

Pierwsze termometry rtęciowe ze skalą Fahrenheita zaczęto produkować w 1720 roku. Skala Fahrenheita jest używana do dziś w wielu krajach (miedzy innym w USA).
Nieco później została określona skala Celsjusza, która dziś jest podstawową skalą stosowaną obecnie na świecie w życiu codziennym. Wprowadził ją Anders Celsius w roku 1742. Ciekawostką jest, że Celsjusz przyjął oznaczenia odwrotne do używanych obecnie. Temperatura topniejącego lodu wynosiła u niego 100°C, a temperatura wrzenia wody 0°C. „Odwrócenia” skali dokonał przyrodnik Karol Linneusz lub producent termometrów Daniel Ekström w 1850 r. Odpowiednikiem skali Fahrenheita z zerem położonym w miejscu zera bezwzględnego jest skala Rankine’a.

W nauce i technice używana jest obecnie skala Kelvina. Jednostką w tej skali jest jeden Kelvin (K), który jest równy, stopniowi Celsjusza. Temperatura zamarzającej wody jest w tej skali równa 273,15K, a temperatura wrzenia wody 373,15K.
Z czasem powstało wiele skal opartych na różnych zjawiskach i punktach charakterystycznych. Poniżej podano zestawienie tabelaryczne punktów charakterystycznych zjawisk fizycznych kilku najważniejszych, z szerszej gamy, skal temperatury.

Porównanie temperatur w różnych skalach

	Kelwin	Celsjusz	Fahrenheit	Rankine
Zero absolutne	0	-273,15	-459,67	0
Zero Fahrenheita	255,37	-17,78	0	459,67
Zamarzanie wody	273,15	0	32	491,67
Średnia temperatura ciała człowieka	310,0	36,6	98,2	557,9
Wrzenie wody	373,15	100	212	671,67
Topnienie tytanu	1941	1668	3034	3494
Temperatura efektywna powierzchni Słońca	5800	5526	9980	10440

Do podstawowych skal (Celsjusza i Fahrenheita), zdefiniowano nowe, tak by ich zero odpowiadało temperaturze zera bezwzględnego. Jest to odpowiednio skala Kelvina odpowiadająca skali Celsjusza oraz skala Rankine'a odpowiadające skali Fahrenheita.
Zależności pomiędzy pokazanymi skalami są liniowe. Temperaturę w skali Celsjusza przelicza się na temperaturę w skali Fahrenheita według wzoru:
 t[°F] = t[°C] × 1,8 + 32
a temperaturę w skali Fahrenheita na temperaturę w skali Celsjusza:
t[°C] = (t[°F] - 32)/1,8.

5. Podział czujników / termometrów ze względu na zasadę działania

Podobnie jak ilość skal temperatury istnieje szeroka gama rodzajów i sposobów pomiaru temperatury. I tak ze względu na wykorzystane zjawiska fizyczne do pomiaru temperatury, czujniki pomiarowe można podzielić na:

• wytwarzające napięcia elektrycznego 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 długości ciała stałego (termometr, termometr cieczowy),
• wykorzystujący właściwości magnetycznych (termometr magnetyczny)
• analizujący widmo emitowanego promieniowania cieplnego (pirometr)
• odkształcenie bimetalu (termometr bimetaliczny),
• zmiana barwy - barwa żaru, barwa nalotowa stali, farba zmieniająca kolor pod wpływem temperatury,
• zmiana płynności ciała (stożki Segera).

Z kolei podział termometrów ze względu na rodzaj czujnika może wyglądać następująco:

• termometr cieczowy – wykorzystuje zjawisko rozszerzalności cieplnej cieczy (przeważnie rtęci albo alkoholu) w kapilarze szklanej, wewnątrz której panuje próżnia,:
• termometr rtęciowy – dla temperatur od -38°C (temp. topnienia rtęci) do +356°C (temp. wrzenia rtęci);
• termometr alkoholowy – dla temperatur od -70 do +120°C; np. termometr pokojowy

• termometr gazowy – czynnikiem roboczym jest gaz, mierzy się parametry gazu np. objętość, przy stałym ciśnieniu lub ciśnienie przy stałej objętości.
• termometr parowy – wykorzystuje zależność ciśnienia pary nasyconej od temperatury, stosowany w termostatach, np. samochodowych,
• termometr oporowy – wykorzystuje zjawisko zmiany oporu elektrycznego przy zmianie temperatury, stosowanym czynnikiem jest platyna, brąz, półprzewodniki, specjalne stopy; patrz termistor. Konstrukcja i zastosowane materiały umożliwiają stosowanie termometrów w miejscach pomiaru gdzie występują wstrząsy, media agresywne i temperatura do 300-400°C w zależności od materiału, z którego dany termometr został wykonany.

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

• nie wymagają zewnętrznego zasilania
• niewielkie rozmiary
• niska pojemność cieplna
• mała bezwładność czasowa
• szeroki zakres pomiarowy przy dość dobrej liniowości
• prostota i niskie koszty wykonania
• duża niezawodność
• termometr magnetyczny (paramagnetyczny) – do pomiaru temperatur mniejszych niż 1 kelwin. (Paramagnetyzm - zjawisko magnesowania się makroskopowego ciała w zewnętrznym polu magnetycznym w kierunku zgodnym z kierunkiem pola zewnętrznego. Substancja wykazująca takie własności to paramagnetyk jest on przyciągany przez magnes, jednak znacznie słabiej niż ferromagnetyk. W niezbyt niskich temperaturach oraz dla niezbyt silnych pól magnetycznych paramagnetyki wykazują liniową wielkość namagnesowania od pola zewnętrznego)
• Pirometr - przyrząd pomiarowy do bezdotykowego pomiaru temperatury. Działa w oparciu o analizę promieniowania cieplnego emitowanego przez badane ciała. Wszystkie ciała o temperaturze wyższej od temperatury zera bezwzględnego emitują promieniowanie cieplne o podobnej charakterystyce zwanej promieniowaniem ciała doskonale czarnego. Proste pirometry mierzą ilość energii emitowanej 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).

Innym rozróżnieniem termometrów, jakie można dokonać jest podział na termometry mechaniczne (cieczowe, gazowe, bimetaliczne,…) oraz elektroniczne (w oparciu o czujniki oporowe, termopary, …).

6. Ciekawe temperatury

(Wg. wikipedia.org)

Maksymalna temperatura zanotowana w Polsce
40,2°C	Prószków	29.07.1921r.	Lipiec
Minimalna temperatura zanotowana w Polsce
- 41,0°C	Siedlce	11.01.1940r.	Styczeń

W 2003 roku  zespół naukowców z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge: A.E. Leanhardt, T.A. Pasquini, M. Saba, A. Schirotzek, Y. Shin, D. Kielpinski, D.E. Pritchard i W. Ketterle osiągnęli do tej pory najniższą mechanicznie otrzymaną temperaturę 450 pikokelwinów.
Najwyższą temperaturę zanotowano 10 lutego 2000r. w CERNie pod Genewą. Zaobserwowano tam plazmę kwarkowo-gluonową, która była 100 tys. razy gorętsza niż wnętrze Słońca. Jej temperatura wynosiła 10 do potęgi 12 K.

Literatura

1. www.wikipedia.org
2. www.zamkor.pl
3. www.rzygacz.webd.pl
   
4. Encyklopedia Szkolna, Fizyka z astronomią - praca zbiorowa 2002
5. Ludwik Michalski, Krystyna Eckendorf - Pomiary temperatury 1986