Как работает термометр галилео

Термометр Галилея: история изобретения и принцип действия

Термометр Галилея является одним из важнейших изобретений в истории науки. Этот прибор позволил впервые точно измерять температуру и открыл дорогу для многих открытий в области термодинамики и молекулярной физики.

История создания термометра Галилея

Идея использовать жидкость для измерения температуры возникла еще в Древней Греции. Однако первые термометры были очень неточными. Прорыв произошел в начале XVII века благодаря работам итальянского ученого Галилео Галилея.

В 1603 году Галилей сконструировал термометр Галилея, который состоял из стеклянной трубки с жидкостью и шариком внутри. При нагревании жидкость расширялась и поднимала шарик вверх по трубке, а при охлаждении опускала его вниз. Шарик служил визуальным индикатором температуры.

Галилей не только изобрел термометр, но и установил зависимость между температурой и объемом газа при постоянном давлении. Этот закон носит его имя и лежит в основе принципа действия многих термометров.

Однако первые термометры Галилея имели существенный недостаток: у них отсутствовала шкала. Температуру можно было сравнивать только визуально по положению шарика.

Усовершенствование термометра Галилея

В 1654 году великий ученый и изобретатель термометр Галилео Галилей Фердинанд II Медичи предложил добавить в термометр шкалу. Он отметил на трубке две точки — температуру таяния льда и кипения воды. Это позволило калибровать прибор и получать численные значения температуры.

Позже, в 1714 году, немецкий физик Даниэль Габриэль Фаренгейт предложил более детальную шкалу, которая впоследствии была названа шкалой Фаренгейта. А в 1742 году шведский астроном Андерс Цельсий создал шкалу, где 0 градусов соответствовало температуре замерзания воды, а 100 — температуре кипения. Эта Цельсия шкала и используется в настоящее время.

Принцип работы термометра Галилея

Термометр Галилея работает на основе теплового расширения жидкостей и газов. В качестве рабочего вещества чаще всего используется спирт или ртуть. При нагревании этой жидкости ее объем увеличивается и она поднимается вверх по капиллярной трубке.

Основными элементами термометра Галилея с часами являются:

• Капиллярная стеклянная трубка с резервуаром внизу
• Жидкость — ртуть или спирт
• Шкала температур

Когда температура повышается, жидкость расширяется и поднимается вверх по узкой трубке термометра. По шкале с делениями рядом с поверхностью жидкости отсчитывается значение температуры. Калибровка шкалы выполняется по двум контрольным точкам — температурам плавления льда и кипения воды.

Принципиальная схема устройства термометра Галилея

На представленной схеме:

1. Капиллярная трубка
2. Температурная шкала
3. Резервуар с рабочей жидкостью

Преимущества термометра Галилея:

• Простота конструкции
• Высокая точность
• Быстрый отклик на изменение температуры

К недостаткам можно отнести хрупкость стеклянной конструкции и токсичность ртути. Однако современные термометры используют безопасный спирт вместо ртути.

Применение термометра Галилея

С момента изобретения термометр Галилея нашел широкое применение в самых разных областях:

• Метеорология и климатология
• Медицина и ветеринария
• Пищевая промышленность
• Химическая промышленность
• Научные исследования
• Бытовое применение

В настоящее время термометр является одним из самых распространенных измерительных приборов, используемых как профессионалами, так и в быту.

Примеры применения термометра Галилея:

• Измерение температуры тела в медицине
• Контроль температуры в печи или химическом реакторе
• Определение температуры окружающей среды
• Измерение температуры при готовке пищи

Универсальность термометра Галилея обусловлена как простотой его конструкции, так и надежностью метода измерения, основанного на фундаментальных законах физики.

Совершенствование конструкции термометра

Несмотря на гениальную простоту, оригинальный дизайн термометра Галилея имел некоторые недостатки. Главным была нестабильность показаний из-за испарения рабочей жидкости. Это приводило к ее утечке и необходимости периодической подкачки.

Решение было найдено в XVIII веке немецким физиком Габриэлем Даниэлем Фаренгейтом, который добавил в конструкцию запаянный сосуд. Это позволило герметизировать термометр и сделать показания стабильными.

Уменьшение инерционности

Еще одной проблемой первых термометров была большая инерционность — медленная реакция показаний на изменение температуры. Для ускорения отклика стали использоваться термометры с тонким капилляром, позволяющие рабочей жидкости быстрее расширяться и сжиматься.

Альтернативные конструкции

Помимо жидкостных существуют и другие разновидности термометров, использующие газ, деформацию металлов или полупроводниковые датчики для измерения температуры. Однако принцип, заложенный Галилеем, до сих пор лежит в основе бытовых медицинских термометров.

Метрологическое обеспечение термометрии

Важнейшим условием надежного измерения температуры является стандартизация и поверка термометров. Этим занимается область метрологии, устанавливающая эталон шкалы и методики калибровки приборов.

Эталоны температуры

В качестве первичного эталона сейчас используется акустический термометр, позволяющий воспроизводить температуру с точностью до миллионных градуса по шкале Кельвина. Эталонный термометр регулярно сличается с приборами в национальных метрологических институтах для передачи размера единицы температуры рабочим средствам измерений.

Калибровка термометров

Для обеспечения прослеживаемости обычные ртутные или спиртовые термометры периодически поверяются и калибруются по эталону. Это позволяет гарантировать заданную точность измерений в быту и промышленности в течение всего межповерочного интервала.

Автоматизация измерения температуры

Современные цифровые датчики температуры позволили автоматизировать процесс ее измерения и регистрации. Информация с термометров поступает в компьютер, который обрабатывает, анализирует данные и выдает управляющие сигналы без участия человека.

Цифровые термометры

В цифровых термометрах в качестве чувствительного элемента используется терморезистор или термопара. Их сопротивление, зависящее от температуры, преобразуется в цифровой код и отображается на дисплее.

Цифровые датчики обладают высокой точностью, но для ряда задач до сих пор незаменим классический ртутный термометр Галилея, наглядно демонстрирующий изменение температуры.

Термометр Галилея

Подписывайтесь на нашу группу Вконтакте — http://vk.com/chipidip , и Facebook — https://www.facebook.com/chipidip * Термометр Галилея — это особый тип термометра для измерения температуры воздуха. Название его происходит от имени итальянского физика Галилео Галилея, который обнаружил, что плотность жидкости зависит от температуры, т.е. чем выше температура, тем меньше плотность. Конструкция термометра представляет собой стеклянный цилиндр, наполненный водой, в котором плавают наполненные цветной жидкостью стеклянные сферические сосудики. К каждому такому сферическому поплавку прикреплена снизу золотистая или серебристая бирка с выбитым на ней значением температуры. Поплавки наполнены жидкостью таким образом, что их средняя плотность различна: самая маленькая плотность у верхнего, самая большая — у нижнего, но у всех близка к плотности воды, незначительно отличаясь от неё. Принцип работы термометра довольно прост. С изменением температуры воздуха в помещении соответственно изменяется температура воды в сосуде, в результате чего изменяется и ее плотность. Известно, что тела, плотность которых меньше плотности окружающей их жидкости, всплывают в ней. Таким образом, при понижении температуры в помещении плотность жидкости в цилиндре увеличивается и шарики поднимаются вверх один за другим, при повышении — опускаются. Текущее значение температуры определяется по нижнему из плавающих шариков. Такой эффект достигается за счет очень высокой точности изготовления термометров. Все шарики калибруются по температуре всплытия в интервале от 0,4 °С до 4 °С. В зависимости от размера термометра количество поплавков внутри бывает от 4-х до 11-ти. Диапазон температур, измеряемых термометром, находится в районе комнатной температуры: 16-28°С. В настоящее время, такие термометры чаще применяются в качестве сувениров.

Показать больше

Войдите , чтобы оставлять комментарии

Термометр Галилея: история и принцип действия

Термометр получил свое название от слияния двух греческих слов – «тепло» и «измерить». Без этого прибора не обходится ни один дом или квартира, ведь каждому хочется знать, какая температура в данный момент за окном или в комнате. Но не все знают, что до изобретения термометра были другие попытки создания средств измерения температуры, об одном из них и пойдет речь в этой статье.

История

Своим появлением на свет термометр обязан великому ученому и изобретателю, родившемуся в середине XVI века на Апеннинском полуострове, – Галилео Галилею. Он сделал много открытий, в том числе доказал, что земной шар вращается вокруг своей оси.

В результате опытов Галилей сделал вывод, что температура окружающей среды влияет на плотность жидкости. То есть чем теплее вокруг, тем раствор любой жидкости имеет меньшую плотность и наоборот. Если температура понижается, то жидкость становится более вязкой. В 1592 году ученый придумал устройство, измеряющее температуру жидкости, впоследствии получившее название термоскоп.

Данное приспособление стало родоначальником всех термометров, которые мы сейчас имеем.

Некоторые историки сомневаются, что Галилей имеет отношение к данному прорыву в науке, другие же твердо убеждены, что именно этот великий ученый придумал данный прибор.

Отличительной особенностью данного термометра является то, что на нем отсутствует шкала измерения. Он работает по физическому закону о выталкивании тел из различных жидкостей, открытому еще Архимедом. В отличие от современных градусников он не нуждается в наполнении спиртом или ртутью, для него вполне подходит и вода. Заполнять шарики различной краской совсем необязательно. Это сделано, скорее, для наглядности, чем для практических целей.

Принцип действия

Само устройство имеет вид цилиндра, наполненного водой, внутрь которого помещены шарики с жидкостью различного цвета. К данным сферам прикреплены пластинки с цифрами, указывающими на показания температуры. Бирки могут быть золотистыми или серебристыми. Шары заполнены жидкостью с примерно одинаковой плотностью, но стальные пластинки делают массу сфер различной: минимальная – у поплавка, находящегося в верхней части сосуда, и максимальная – у нижнего. Но в целом жидкость внутри шаров имеет плотность приблизительно одинаковую с водой.

Принцип работы термоскопа не очень сложный. В случае изменения температуры в помещении начинает меняться и температура в сосуде. В этом случае поменяется и плотность воды в цилиндре.

Еще в Древней Греции было известно, что предметы, имеющие меньшую плотность, чем окружающая их жидкость, как бы выныривают. Из этого можно сделать вывод, что при снижении температуры в комнате вязкость жидкости в сосуде становится больше, и поплавки с бирками начинают двигаться по направлению вверх. Если станет теплее, они будут опускаться. Реальные показания температуры в данный момент времени определяются по шарику, находящемуся в нижней части цилиндра.

Точность такого измерения довольно приличная. Этого добились путем тарирования сфер с жидкостью шагом от 0,1 до 0,4°С.

Измерить тепло данным градусником можно только при температуре от 16 до 28 градусов Цельсия. Число шаров внутри сосуда колеблется от 4 до 16, это зависит от размеров термометра.

Правила применения

Инструкция по пользованию термометром Галилея очень проста:

• заносим его в помещение с комнатной температурой;
• устанавливаем;
• наблюдаем за изменением положения сфер в цилиндре.

Располагать данный вид измерительного прибора следует вдали от окон, обогревательных и охлаждающих приборов. Если поставить его на подоконник, куда падает прямой солнечный свет или возле кондиционера, данные замеров будут искажены.

Сейчас вы вряд ли найдете человека, который пользуется термометром Галилея, чтобы измерить температуру в комнате. Данный прибор больше подойдет в качестве оригинального сувенира для родственников или друзей.

Еще больше информации о термометре Галилея смотрите в видео:

Термометр Галилео

Термометр, содержащий несколько стеклянных сосудов различной плотности Термометр Галилея

A Термометр Галилео (или Галилеев термометр ) представляет собой термометр, сделанный из герметичного стеклянного цилиндра, содержащего прозрачную жидкость и нескольких стеклянных сосудов различной плотности. Отдельные поплавки поднимаются или опускаются пропорционально их плотности и плотности окружающей жидкости при изменении температуры. Он назван в честь Галилео Галилея, потому что он открыл принцип, на котором основан этот термометр, — что плотность жидкости изменяется пропорционально ее температуре.

История

Хотя названы в честь 16-17-го физик Галилей, градусник был изобретен не им. (Галилей изобрел термометр, названный воздушным термометром Галилея (точнее, термоскоп ), в 1603 г. или ранее)

Инструмент, ныне известный как термометр Галилея, был изобретен группой академиков и технических специалистов, известных как Accademia del Cimento Флоренции, среди которых были ученик Галилея Торричелли и ученица Торричелли Вивиани. Детали термометра были опубликованы в Saggi di naturali esperienze fatte nell’Academia del Cimento sotto la protezione del Serenissimo Principe Leopoldo di Toscana e descritte dal segretario di essa Accademia (1666), главном издании Академии. В английском переводе этой работы (1684 г.) устройство («Пятый термометр») описывается как «медленное и ленивое», описание которого отражено в альтернативном итальянском названии изобретения, termometro lento (медленный термометр). Внешний сосуд был наполнен «винными ректификованными спиртами» (концентрированный раствор этанола в воде); вес стеклянных пузырьков регулировали путем измельчения небольшого количества стекла с запечатанного конца; и небольшое воздушное пространство было оставлено в верхней части основного сосуда, чтобы «ликер растворился» [т.е. развернуть].

Устройство, которое сейчас называется термометром Галилео, было возрождено в современную эпоху Музеем естественной истории в Лондоне, который начал продавать его версию в 1990-х.

Операция

В термометре Галилео маленькие стеклянные колбы частично заполнены жидкостями разного цвета. Состав этих жидкостей не важен для работы термометра; они просто функционируют как фиксированные веса, а их цвета служат только для украшения. Как только выдуваемые вручную лампы были опломбированы, их эффективная плотность регулируется с помощью металлических ярлыков, свисающих из-под них. Любое расширение из-за изменения температуры цветной жидкости и воздушного зазора внутри колбы не влияет на работу термометра, так как эти материалы герметизированы внутри стеклянной колбы фиксированного размера. Прозрачная жидкость, в которую погружены луковицы, — это не вода, а какое-то органическое соединение (например, этанол), плотность которого зависит от температуры больше, чем у жидкости. Изменения температуры влияют на плотность внешней прозрачной жидкости, и это вызывает подъем или опускание ламп.

Принцип действия

Крупный план ламп

Галилеевский термометр работает по принципу плавучести. Плавучесть определяет, плавают ли объекты в жидкости или тонут в ней, и отвечает за тот факт, что даже лодки, сделанные из стали, плавают в воде, в то время как цельный стальной стержень тонет.

Единственный фактор, определяющий, поднимется или упадет крупный объект в конкретной жидкости, — это плотность объекта по отношению к плотности жидкости. Если объект плотнее жидкости, он опускается на дно, так как он тяжелее вытесняемой им жидкости. Если он менее плотный, он плавает по воде и будет частично погружен, пока вес вытесненной жидкости не станет равным весу объекта.

Рис. 1

Предположим, есть два объекта, каждый объемом 1 л (0,22 имп гал; 0,26 галлона США). Масса воды, вытесняемая объектом такого размера, составляет 1 кг (2,2 фунта). Коричневый объект слева плавает, потому что масса воды, которую он вытеснил бы при полном погружении (1 кг (2,2 фунта)), больше, чем масса объекта. Он плавает наполовину погруженным в воду, потому что это точка, в которой масса вытесненной воды (0,5 кг (1,1 фунта)) равна массе объекта. Зеленый объект справа утонул, потому что масса вытесняемой им воды (1 кг (2,2 фунта)) меньше массы объекта (2 кг (4,4 фунта)).

Рисунок 2

Все объекты, сделанные из зеленого материала выше, утонут. На рисунке 2 внутренняя часть зеленого объекта выдолблена. Общая масса объекта теперь составляет 0,5 кг (1,1 фунта), но его объем остается прежним, поэтому он всплывает на полпути из воды, как коричневый объект на рисунке 1.

В приведенных выше примерах жидкость, в которой плавали объекты, считается водой. Вода имеет плотность 1 килограмм на литр (8,3 фунта / галлон США), что означает, что масса воды, вытесняемая любым из вышеперечисленных объектов при полном погружении, составляет 1 кг (2,2 фунта).

Галилей обнаружил, что плотность жидкости зависит от ее температуры. Это ключ к тому, как работает термометр Галилео: по мере увеличения температуры большинства жидкостей их плотность уменьшается.

Рисунок 3

На рисунке 3 показан полый объект весом 1 кг (2,2 фунта), сделанный из сырого материала. В левом контейнере плотность жидкости составляет 1,001 кг / л (8,35 фунта / галлон США). Поскольку объект весит меньше воды, которую он вытесняет, он плавает. В правом контейнере плотность воды составляет 0,999 кг / л (8,34 фунта / галлон США). Поскольку объект весит больше массы воды, которую он вытесняет, он тонет. Это показывает, что очень небольшие изменения плотности жидкости могут легко вызвать погружение почти парящего объекта.

Рисунок 4

Рисунок 4 показывает схематическое изображение термометра Galileo при двух разных температурах.

В некоторых моделях, если есть несколько лампочек вверху (рис. 4, слева), а некоторые внизу, но одна плавает в зазоре, а другая — в зазоре (зелёная 76 ° F ( 24 ° C)) говорит о температуре. Если в зазоре нет лампы (рис. 4, справа), то среднее значение температуры лампы выше и ниже зазора дает приблизительную температуру. В других моделях нижняя плавающая колба дает приблизительную температуру.

Вес и размер каждой колбы регулируются таким образом, чтобы они не защемлялись вместе, либо за счет того, что они должны быть не менее половины диаметра трубки, чтобы сохранить их порядок штабелирования или, в качестве альтернативы, меньше половины диаметра трубки, чтобы свободно проходить друг через друга в трубках.

См. Также

Примечания

Викискладе есть материалы, связанные с термометром Галилео.