Termometr

Termometr jest jednym z tych urządzeń, z których korzystamy codziennie. Niestety niewielu z nas zdaje sobie sprawę jak bogata jest historia pomiaru temperatury oraz jak ciekawym urządzeniem jest codziennie widywany przez nas „słupek” ciepła. W tym artykule zagłębimy się więc w historię pomiarów temperatury oraz działanie różnego rodzaju termometrów.

Jak działa termometr?

Ogólnie rzecz biorąc termometr jest urządzeniem służącym do pomiaru temperatury metodą pośrednią. Jej podstawą jest wpływ zmian temperatury na właściwości ciał o specyficznej charakterystyce, w której zmiany te są stałe i możliwe do zmierzenia i odniesienia do skali. Nazywamy je właściwościami termometrycznymi. Odpowiednio wykonane urządzenie może służyć do pomiaru dowolnej temperatury w określonym zakresie, albo wskazywania tylko wybranych wartości. W tym drugim przypadku mówimy już o wskaźniku temperatury.

Ze względu na zasadę działania można wyróżnić kilkanaście rodzajów termometru. Najpopularniejsze są oczywiście termometry cieczowe. Klasyczny z nich, wykorzystywany przez nas najczęściej to termometr rtęciowy. Stworzony został na bazie zjawiska rozszerzalności cieplnej rtęci. Dzięki nim możemy zmierzyć temperatury w zakresie od -38 do aż 356°C Kolejnym popularnym termometrem cieczowym jest alkoholowy. Ma on mniejszy zakres temperaturowy, lecz pozwala na pomiar niższych wartości niż jego rtęciowy odpowiednik.

Jeżeli chodzi o klasyfikację termometrów to istotne jest również ich zastosowanie. W medycynie wykorzystywane są precyzyjne termometry lekarskie – ich zakres temperatur wynosi od 35 do 42°C i używa się ich do pomiaru temperatury ludzkiego organizmu. Z tego też powodu muszą być bardzo dokładne. Nasze domowe urządzenia to termometry zaokienne (od −50 do 50°C ) oraz pokojowe (od 0 do 40°C).

Jak zaczęto mierzyć temperaturę?

Przewodnictwo cieplne różnych materiałów, od najdawniejszych czasów, wzbudzało zainteresowanie człowieka. Instynktownie wykorzystywał on chociażby izolacyjne właściwości skór zwierząt aby ochronić się przed zimnem. Oceniał również stan cieplny otoczenia, początkowo były to „pomiary” wyłącznie na poziomie zmysłów i pozwalały na ocenę czy jest ciepło, zimno lub gorąco. Są one bardzo niedokładne, gdyż ocena następuje w układzie odniesienia. Mówiąc prościej, chodzi o to, że gdy na zewnątrz jest upał i wejdziemy do pomieszczenia, w którym panuje temperatura rzędu 18°C to wyda nam się ono chłodne. W sytuacji gdy zrobimy to mroźną zimą, poczujemy, że otacza nas przyjemne ciepło. Poczucie temperatury jest więc bardzo subiektywne.

Od termoskopu do termometru

Pierwszy termometr, a ściślej precyzując termoskop został opisany w 210r p.n.e. przez Filona z Bizancjum – greckiego pisarza i inżyniera. Podobny opis sformułował również Heron z Aleksandrii. Było to urządzenie, które pozwalało na określenie różnicy temperatury ciał. Jego zasada działania była oparta na wykorzystaniu zjawiska rozszerzalności cieplnej gazów. Składało się ono z jednostronnie zamkniętej rurki, której drugi koniec był otwarty i zanurzony w naczyniu napełnionym cieczą. Nie posiadał on żadnej skali, a jedynie dwie ruchome obręcze, które umożliwiały zaznaczenie zmian temperatury.

Do idei termoskopu powrócono w nowożytności około 1600r. Wiele źródeł uznaje Galileusza za wynalazcę termometru – czyli termoskopu ze skalą. Warte jest jednak odnotowania, że w żadnym z jego opisów nie znalazły się informacje o skali. Jego urządzenie korzystało ze zjawiska rozszerzalności powietrza pod wpływem temperatury, miało jednak zasadniczą wadę – wpływ na jego wskazanie miały nie tylko zmiany temperatury, ale również wahania ciśnienia atmosferycznego. Wada ta została wyeliminowana w 1644r. przez księcia toksańskiego Ferdynanda II, który odizolował rurkę od powietrza z otoczenia, w wyniku czego znajdująca się w niej ciecz przestała reagować na zmiany ciśnienia.

Historia jednostek temperatury

Robert Boyle, zaledwie dwadzieścia lat po udoskonaleniu termoskopu Galileusza, zaproponował podstawowy punkt skali temperaturowej jako topnienie lodu. W przeciwieństwie do angielskiego „konkurenta” holender Chrystian Huygens uznał, iż przy niezmiennym ciśnieniu atmosferycznym temperatura wrzenia wody jest stała. Jednolitą jednostkę temperatury sformułował dopiero Lord Kelvin w 1848r, kiedy to zaproponował, aby temperaturę wyrażać jako bezwzględną. Wyeliminował w ten sposób stałą, którą wcześniej odejmowano od temperatury. Zaprezentował on „zero bezwzględne” - najniższą możliwą temperaturę, wyznaczoną na podstawie czysto teoretycznych obliczeń dla kryształu doskonałego, w którym to przy tej temperaturze miały ustać wszelkie drgania tworzących ją cząsteczek. Skala zaproponowana przez Kalvina, w bardziej dokładnej formie wykorzystywana jest do dzisiaj w nauce i technice.

Mimo tego osiągnięcia nadal panowały niejasności w zakresie skali termometrów. Pierwszy precyzyjny termometr stworzono w XVIIIw. Autorem jego skali był Gabriel Fahrenheit. Charakterystycznymi punktami jego skali były temperatura mieszaniny lodu i wody z solą kuchenną – punkt zerowy oraz temperatura mieszaniny wody z lodem – określona na 32 stopnie. Ostateczną skalę ogłoszono w 1724r. Pierwsze termometry rtęciowe z jego skalą zaczęto produkować już w 1720 r. Jest ona używana do dzisiaj m.in. w Stanach Zjednoczonych.

Ostatnią skalą wartą odnotowania jest skala Celsjusza – która do dziś zalicza się do podstawowych obok Fahrenheita. Została wprowadzona przez Andersa Celsiusa w 1742r. Pierwotna wersja jego jednostki posiadała oznaczenia odwrotne do współczesnych – topniejący lud miał temperaturę 100°C a wrząca woda 0°C. Skala została odwrócona w 1850r. Przez Karola Linneusza, który produkował termometry, korzystające omawianej skali. W Polsce Stopnie Celsjusza są główną jednostką, z jakiej korzystamy przy pomiarach temperatury w meteorologii.