Термометр

Термометри із 19 століття

Термо́метр (грец. θερμός — тепло; грец. μετρέω — міряю) — прилад для вимірювання температури шляхом перетворення її в покази або в сигнал, що є відомою функцією температури. Частина термометра, яка перетворює теплову енергію у сигнал на основі іншого виду енергії, називається чутливим елементом або вимірювальним перетворювачем. Прилад може бути проградуйований у різних шкалах (шкала Цельсія, шкала Кельвіна, шкала Фаренгейта).

Термометр Галілея

Ртутний лабораторний термометр

Ще Філон Візантійський та Герон Александрійський знали про явище, що деякі речовини, зокрема повітря, здатні розширюватися і стискуватися та описували дослід, у якому спостерігали переміщення границі поділу між повітрям і водою у закритій трубці, опущеній відкритим кінцем у ємність з водою^[1].

Винахідником термометра часто називають Галілея^[2], хоча у його власних творах немає опису цього приладу, але його учні, Неллі і Вівіані, засвідчили, що вже в 1597 р. він створив щось на зразок термобароскопа (термоскопа)^[2].

Термоскоп представляв собою невелику порожнисту скляну кульку з припаяною до неї скляною прозорою трубкою. Кульку нагрівали, а кінець трубки опускали у посудину з водою. Коли кулька охолоджувалася, тиск повітря у ній зменшувався, і вода в трубці під дією атмосферного тиску піднімалася на певну висоту вгору. При зростанні температури і, відповідно, тиску повітря в кульці, рівень води в трубці опускався вниз. Недоліком приладу було те, що за ним можна було судити тільки про відносний ступінь нагрівання чи охолодження тіла, так як шкали у нього ще не було^[3]. Крім того, рівень води в трубці залежав не тільки від температури, але і від атмосферного тиску, що вносило похибку.

Галілей також виявив закономірність, що об'єкти (скляні кульки заповнені водно-спиртовими розчинами) з різною густиною можуть спливати і опускатись на дно у воді при зміні ступеня нагрівання, яка покладена в основу принципу роботи термометра Галілея.

Перша схема термоскопа була опублікована в 1617 році Джузеппе Б'янчані (Giuseppe Biancani). Перше зображення шкали, що фактично перетворювала термоскоп у термометр належить Роберту Фладду (Robert Fludd) у (1638). Це була вертикальній трубка, з колбою на верхньому кінці і зануреним у воду другим кінцем. Рівень води в трубі залежить від розширення і стиснення повітря. Це конструкція, яку зараз можна назвати повітряним термометром^[4].

Першими, хто запропонував встановити шкалу на термоскоп за різними версіями називають Джованні Франческо Сагредо (Giovanni Francesco Sagredo)^[5] або Санторіо (Santorio)^[6] в роках між 1611 та 1613.

Термін «термометр» (французькою) першим застосував 1624 у праці «La Récréation Mathématique» J. Leurechon, котрий описав прилад із шкалою, що мала 8 поділок.^[7]

Описані вище інструменти мали один суттєвий недолік: вони були одночасно і барометрами і на покази їх окрім температури суттєвий вплив робив атмосферний тиск. Для вирішення цієї проблеми флорентійськими дослідниками термоскоп було перевернуто кулькою вниз, а в трубку наливалася вода (посудина з водою у цьому випадку вже була непотрібна). Дія цього приладу ґрунтувалася на тепловому розширенні, за точки відліку брали температури найжаркішого літнього і найхолоднішого зимового днів. Це був один з перших рідинних термометрів, покази якого не залежали від атмосферного тиску. Приблизно у 1654 році Фердинандо ІІ Медічі водяний термоскоп був перетворив у спиртовий.^[7].

Термометри з рідиною описані вперше у 1667 р. у «Saggi di naturale esperienze fatte nell'Accademia del Cimento» («Нариси про природничо-науковому діяльності Академії дослідів»), де про них говориться як про предмети, які називають «Confia», давно виготовлені майстерними ремісниками, з розігрітого скла. Флорентійські термометри не тільки зображені в «Нарисах...», але збереглися у декількох примірниках до нашого часу в Галілеївському музеї, у Флоренції.

Багато інших вчених того часу експериментували з різними рідинами та конструкціями термометра. Однак, кожен винахідник і його термометр був унікальним, оскільки не було стандартної шкали вимірювання температур. У 1665 році Хрістіан Гюйгенс запропонував використовувати плавлення льоду і кипіння води як точки відліку ступеня нагріву, а в 1694 році Карло Ренальдіні (Carlo Renaldini) запропонував використовувати ці точки в якості опорних точок універсальної температурної шкали. У 1701 році Ісаак Ньютон пропонує шкалу на 12 поділок між температурою плавлення льоду і температура тіла людини. У 1703 р. Амонтоном у Парижі зробив спробу удосконалити повітряний термометр, вимірюючи не розширення, а збільшення пружності повітря, приведеного до одного й того ж об'єму при різних температурах підливанням ртуті у відкрите коліно; барометричний тиск та його зміни при цьому враховувалися. Нулем такої шкали повинна була служити температура, при якій повітря втрачає всю свою пружність (тобто сучасний абсолютний нуль), а другою постійною точкою — температура кипіння води. Вплив атмосферного тиску на температуру кипіння ще не був відомий Амонтону, а повітря у його термометрі не було звільненим від водяної пари; тому за його даними абсолютний нуль знаходився при -239,5° за шкалою Цельсія.

Нарешті в 1724 році Даніель Габріель Фаренгейт запроваджує температурну шкала яка в даний час (дещо у скоригованому вигляді) носить його ім'я. Він міг цього досягти, використовуючи при виготовленні термометрів ртуть (яка володіє високим коефіцієнтом розширення), що забезпечило відповідну точність та відтворюваність вимірювання температури, що привело у кінцевому рахунку до загального визнання. У 1742 році шведський фізик Андерс Цельсій запропонував шкалу з нулем в точці кипіння води і 100 градусів у точці плавлення льоду^[8], і ця шкала, хоча в оберненому вигляді тепер носить його ім'я^[9]. Зручнішою виявилася «перевернута» шкала, на якій температура танення льоду позначили 0°С, а температуру кипіння 100°С. Таким термометром вперше користувалися шведські вчені: ботанік К. Лінней і астроном М. Штремер. Цей термометр набув найбільшого поширення.

Роботи Реомюра в 1736 р. хоча і повели до встановлення 80° шкали, але були скоріше кроком назад проти того, що зробив уже Фаренгейт: термометр Реомюра був громіздкий, незручний у користуванні, а спосіб поділу на градуси був неточним і незручним.

Після Фаренгейта, Цельсія і Реомюра справу виготовлення термометрів потрапило до рук ремісників, так як термометри стали предметом торгівлі. У 1848 р. англійський фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін) довів можливість створення абсолютної шкали температур, нуль якої не залежить від властивостей води або речовини, що заповнює термометр. Точкою відліку за шкалою Кельвіна послужило значення абсолютного нуля: - 273, 15 °С. При цій температурі припиняється тепловий рух молекул. Отже, стає неможливе подальше охолодження тіл.