Kā termometrs mēra gaisa temperatūru?

Andreas Müller / EyeEm / Getty Images

Cik silts ir ārā? Cik auksts būs šonakt? Termometrs - instruments, ko izmanto gaisa mērīšanaitemperatūra— tas mums viegli pasaka, bet tas, kā tas mums stāsta, ir pavisam cits jautājums.

Lai saprastu, kā termometrs darbojas, mums ir jāpatur prātā viena lieta no fizikas: šķidrums palielinās tilpumā (telpas daudzums, ko tas aizņem), kad tā temperatūra sasilst, un samazinās tilpums, kad tā temperatūra atdziest.

Kad termometrs ir pakļauts atmosfēra , apkārtējā gaisa temperatūra to caurstās, galu galā līdzsvarojot termometra temperatūru ar savu temperatūru, kura izdomātais zinātniskais nosaukums ir “termodinamiskais līdzsvars”. Ja termometram un tā iekšpusē esošajam šķidrumam ir jāsasilst, lai sasniegtu šo līdzsvaru, šķidrums (kas sasilstot aizņems vairāk vietas) pacelsies, jo tas ir iesprostots šaurā caurulē un tam nav kur iet, kā vien augšup. Tāpat, ja termometra šķidrumam ir jāatdziest, lai sasniegtu gaisa temperatūru, šķidruma tilpums samazināsies un samazināsies pa cauruli. Kad termometra temperatūra līdzsvaro apkārtējā gaisa temperatūru, tā šķidrums pārtrauks kustēties.

Šķidruma fiziskais pieaugums un kritums termometra iekšpusē ir tikai daļa no tā, kas liek tam darboties. Jā, šī darbība norāda, ka notiek temperatūras izmaiņas, taču bez skaitliskās skalas to kvantitatīvai noteikšanai jūs nevarētu izmērīt, kādas ir temperatūras izmaiņas. Tādā veidā temperatūrai, kas pievienota termometra stiklam, ir galvenā (kaut arī pasīva) loma.

Kas to izgudroja: Fārenheits vai Galileo?

Runājot par jautājumu, kurš izgudroja termometru, vārdu saraksts ir bezgalīgs. Tas ir tāpēc, ka termometrs attīstījās no ideju apkopojuma 16. līdz 18. gadsimtā, sākot ar 1500. gadu beigām, kad Galilejs Galilejs izstrādāja ierīci, izmantojot ar ūdeni pildītu stikla cauruli ar svērtām stikla bojām, kas peldētu augstu caurulē vai izlietnē atkarībā no gaisa karstuma vai aukstuma ārpus tās (kā lavas lampa). Viņa izgudrojums bija pasaulē pirmais 'termoskops'.

1600. gadu sākumā venēciešu zinātnieks un draugs Galileo , Santorio, pievienoja Galileo termoskopam skalu, lai varētu interpretēt temperatūras izmaiņu vērtību. To darot, viņš izgudroja pasaulē pirmo primitīvo termometru. Termometrs nepieņēma tādu formu, kādu izmantojam šodien, līdz 1600. gadu vidū Ferdinando I de' Medici to pārveidoja kā noslēgtu cauruli ar spuldzi un kātu (un pildīja ar spirtu). Visbeidzot, 1720. gados Fārenheita izmantoja šo dizainu un uzlaboja to, kad sāka lietot dzīvsudrabu (spirta vai ūdens vietā) un piestiprināja pie tā savu temperatūras skalu. Izmantojot dzīvsudrabu (kam ir zemāks sasalšanas punkts un kura izplešanās un saraušanās ir redzamāka nekā ūdens vai spirta), Fārenheita termometrs ļāva novērot temperatūru zem sasalšanas un precīzākus mērījumus. Un tā, Fārenheita modelis tika pieņemts kā labākais.

Kādu laikapstākļu termometru jūs izmantojat?

Ieskaitot Fārenheita stikla termometru, gaisa temperatūras mērīšanai tiek izmantoti 4 galvenie termometru veidi:

Šķidrums stiklā. Ko sauc arī par spuldžu termometri , šie pamata termometri joprojām tiek izmantoti Stīvensona ekrāna meteoroloģiskās stacijās visā valstī Nacionālais laikapstākļu dienests Kooperatīvie laikapstākļu novērotāji, veicot ikdienas maksimālās un minimālās temperatūras novērojumus. Tie ir izgatavoti no stikla caurules ('kāta') ar apaļu kameru ('spuldzi') vienā galā, kurā atrodas temperatūras mērīšanai izmantotais šķidrums. Mainoties temperatūrai, šķidruma tilpums vai nu paplašinās, liekot tam uzkāpt kātā; vai saraujas, liekot tai sarukt atpakaļ no kāta spuldzes virzienā.

Ienīst, cik trausli ir šie vecmodīgie termometri? Viņu stikls patiesībā ir īpaši plāns. Jo plānāks ir stikls, jo mazāk materiāla ir siltuma vai aukstuma caurlaidībai, un jo ātrāk šķidrums reaģē uz šo karstumu vai aukstumu, tas ir, ir mazāka aizkave.

Bi-metāla vai atsperes. Ciparnīcas termometrs, kas uzstādīts jūsu mājā, šķūnī vai pagalmā, ir bimetāla termometra veids. (Cits piemēri ir arī jūsu cepeškrāsns un ledusskapja termometri un krāsns termostats.) Tajā tiek izmantota divu dažādu metālu (parasti tērauda un vara) sloksne, kas izplešas ar atšķirīgu ātrumu, lai uztvertu temperatūru. Divi dažādi metālu izplešanās ātrumi liek sloksnei saliekties vienā virzienā, ja tā tiek uzkarsēta virs sākotnējās temperatūras, un pretējā virzienā, ja tā tiek atdzesēta zem tās. Temperatūru var noteikt pēc sloksnes/spoles saliekšanās.

Termoelektrisks. Termoelektriskie termometri ir digitālas ierīces, kas izmanto elektronisku sensoru (sauktu par termistoru), lai ģenerētu elektriskais spriegums . Kad elektriskā strāva virzās pa vadu, tā elektriskā pretestība mainīsies, mainoties temperatūrai. Izmērot šīs pretestības izmaiņas, var aprēķināt temperatūru.

Atšķirībā no stikla un bimetāla brālēniem, termoelektriskie termometri ir izturīgi, ātri reaģē un nav jālasa cilvēka acīm, tāpēc tie ir lieliski piemēroti automatizētai lietošanai. Tāpēc tie ir izvēlētais termometrs automatizētajām lidostu meteoroloģiskām stacijām. (Nacionālais laikapstākļu dienests izmanto datus no šīm AWOS un ASOS stacijām, lai parādītu jūsu pašreizējo vietējo temperatūru.) Bezvadu personīgās meteoroloģiskās stacijas izmanto arī termoelektrisko paņēmienu.

Infrasarkanais. Infrasarkanie termometri spēj izmērīt temperatūru no attāluma, nosakot, cik daudz siltumenerģijas (gaismas spektra neredzamajā infrasarkanajā viļņa garumā) objekts izdala un no tā aprēķinot temperatūru. Infrasarkanā (IR) satelīta attēli —kas parāda visaugstāko un aukstāko mākoņi kā spilgti balti un zemi, silti mākoņi kā pelēki — tos var uzskatīt par sava veida mākoņu termometru.

Tagad, kad jūs zināt, kā darbojas termometrs, katru dienu uzmanīgi vērojiet to šajos laikos, lai redzētu, kāda būs jūsu augstākā un zemākā gaisa temperatūra .

Avoti:

• Srivastava, Gyan P. Virsmas meteoroloģiskie instrumenti un mērīšanas prakse. Ņūdeli: Atlantijas okeāns, 2008.