Приборы для измерения температуры: история изобретений

Идея создания прибора для измерения температуры впервые возникла у голландского естествоиспытателя Ван-Гельмонта (1577—1644), а первый «термометр» был сконструирован итальянским физиком Галилеем в 1597 г. Он состоял из стеклянной трубочки с шаровидным расширением на одном конце. В открытое горлышко трубки была введена капелька ртути. При изменении температуры воздуха внутри шарика ртутная «пробка» соответственно то поднималась, то опускалась.

Галилео Галилей

Однако фактическим изобретателем термометра считают голландца Ван-Дреббеля (1572—1632). Его заслуга в том, что он использовал для своего прибора способность газов значительно изменять свой объем при относительно малых колебаниях температуры. Он взял довольно большой сосуд, до половины наполненный водой, и стеклянную трубочку с шарообразным расширением на одном ее конце. Её закупоренный конец был опущен под воду и там открыт. В результате вода осталась только в части трубки. При нагревании шара, вследствие расширения находившегося в нем воздуха, наблюдалось понижение уровня воды в трубке, и наоборот.

В дальнейшем Ван-Дреббель упростил свой термометр, причем введение воды в коленчатую трубку производилось путем сильного нагревания шара и последующего его охлаждения.

Вскоре ввиду относительно высокой температуры замерзания вода была заменена смесью из трех частей воды и одной части азотной кислоты. Для окрашивания сюда добавляли немного медного купороса. Хотя такие термометры были весьма чувствительны, однако они, в сущности, являлись «баротермоскопами», т. с. приборами, показания которых зависели от изменений атмосферного давления.

Первый термометр

Первый термометр в современном смысле слова был сконструирован во Флорентийской академии (Италия). Он состоял из стеклянной трубочки, закрытой наверху и соединенной нижним концом со стеклянным полым шариком. Термометрической жидкостью служил подкрашенный винный спирт. Для наполнения резервуара шарик термометра сильно нагревали, в результате чего воздух разрежался настолько, что большая его часть выходила наружу. Затем открытый конец трубки погружали в окрашенный спирт, который поднимался в ней и заполнял не только ее, но и шарик. После этого термометр охлаждали так, чтобы осталась пустой приблизительно половина трубки, и запаивали открытый ее конец. Это было слишком сложно.

В дальнейшем прибор наполняли окрашенным спиртом настолько, чтобы спирт заполнил приблизительно четверть длины трубки, и нагревали до тех пор, пока жидкость не поднималась почти до верхушки трубки (при предельно выкачанном воздухе), и тотчас же трубку запаивали. Изготовленные таким путем термометры были почти так же чувствительны, как и современные.

Термометры флорентийских академиков

Значительно позже обнаружили, что размеры шарика резервуара не должны быть слишком большими, а кроме того, — что теплота должна передаваться, по мере возможности, его центральной частью. В результате появились термометры, сплющенные настолько причудливо, что они напоминали, по выражению современника, «даму, играющую в трик-трак». Для компактности вместо прямолинейных трубок применяли изогнутые несколько раз причем каждый физик делал их по-своему: флорентийские академики помещали ноль своей шкалы против того места, где устанавливался столбик жидкости термометра, поставленного в подвале их обсерватории. Другие принимали за ноль температуру максимальных зимних морозов. В термометрах того времени отмечали также деление «жарко», определяя его прикладыванием к руке лихорадочного больного в моменты пароксизмов или подвергая действию прямых лучей солнца в один из наиболее знойных летних дней.

Температурные шкалы

В середине XVII в. известный физик Роберт Бойль (1627—1691) предложил принять за исходную точку температуру замерзания воды. Однако вскоре обнаружили, что для построения шкалы одной исходной точки недостаточно.

Роберт Бойль

Делансэ в своем труде о теплоте писал:

«Надо зимой проследить процесс замерзания воды и сделать на шкале термометра соответствующую пометку. Положите немного сливочного масла на шарик того же термометра и сделайте на его шкале вторую пометку против верхушки столбика в момент плавления масла. Расстояние на шкале между полученными двумя пометками разделите пополам и получите место третьей пометки — средней температуры между холодом и жаром. Каждый из полученных двух интервалов а свою очередь разделите на десять равных частей, кроме того, нанесите по четыре таких же деления ниже точки замерзания воды и выше точки плавления масла. В результате получите пятнадцать делений для холода и столько же для тепла».

Для повышения чувствительности термометров старались максимально увеличить длину трубок, которая доходила до 1 м! Однако такие термометры были слишком громоздки, и их перевозка была затруднительна. Поэтому пытались уменьшить, габарит термометров, делая ряд изгибов трубки.

В 1694 г. Шарль Ренальдини в Павии (Италия) изготовил термометр, нулевое деление которого было установлено после помещения шарика в смесь воды со льдом; вторая пометка соответствовала температуре кипящей воды.

Исаак Ньютон (1643—1727) для установления верхней точки брал не спирт, а льняное масло, имеющее более высокую точку кипения. Его шкала состояла из шести делений, соответствовавших следующим температурам: 1° — тающего льда, 2° — человеческой крови, 3° — плавления воска, 4° — кипения воды, 6° — плавления сплава свинца, висмута и олова и 6° — плавления чисто свинца.

Исаак Ньютон

В середине XVII в. появилось несколько весьма интересных термометров. Один из них назывался «Картезианским водолазом» и состоял из продолговатого хрустального сосуда длиной 10—12 см и диаметром около 5 см. Этот сосуд герметически закрыт, и только в верхней его части имеется небольшое количество воздуха. Остальное пространство заполнено разбавленным спиртом, в котором плавают 10—12 маленьких шариков разного веса, имеющих форму слезы и изготовленных из тонкого дутого стекла и наполненных воздухом. При достаточном понижении температуры эти шарики всплывают на поверхность жидкости, а при повышении температуры окружающего пространства снова погружаются в жидкость на разную глубину. При очень высокой температуре все шарики опускаются на дно хрустального сосуда.

Делансэ по поводу такого термометра отметил: «Благодаря ему стало возможным обнаруживать усиление и ослабление лихорадки». Для этой цели были изготовлены специальные термометры аналогичного типа, имевшие форму маленькой черепахи, чтобы их было удобно вкладывать подмышку.

В процессе дальнейшего усовершенствования термометров особенно важным моментом была замена спирта ртутью, обладающей следующим основными преимуществами: она — хороший проводник тепла и быстро реагирует на перемены температуры окружающего пространства, не замерзает при обычных низких температурах и не кипит при сравнительно высоких, не смачивает стекла.

Голландский физик Даниэль Фаренгейт (1686—1736) впервые сконструировал (1714 г.) сравнимые термометры, использовав для них в качестве термометрической жидкости винный спирт. Ноль был поставлен против верхушки столба спирта при погружении резервуара в замораживающую смесь определенных количеств льда, воды и морской соли. Температура тающего льда по шкале Фаренгейта 32°. Кроме того, имеется еще третья постоянная точка, соответствующая нормальной температуре здорового человека, измеряемой во рту или подмышкой. В дальнейшем Фаренгейт внес в свой термометр два существенных улучшения: третьей точкой он установил температуру кипящей воды (212°) и заменил спирт ртутью. Шкала Фаренгейта и теперь применяется в Англии и США. Чтобы перевести градусы Фаренгейта в современные градусы Цельсия, надо из данного числа вычесть 32 и полученный остаток помножить на 5/9. И, наоборот, для перевода градусов Цельсия в градусы Фаренгейта число их следует помножить на 9/5 и к произведению прибавить 32. Французский физик Рене Антуан Реомюр изготовил в 1730 г. термометры с жидкостью, состоявшей из такой смеси воды со спиртом, что объем ее увеличивался в отношении 80/1000 при изменении температуры от ноля (тающий лед) до 80° (кипящая вода). Промежуток между этими отметками был разделен на 80 равных частей. Термометры Реомюра быстро распространились во Франции и Италии, однако качество их было хуже, чем ртутных.

Даниэль Фаренгейт

Для этого периода характерно многообразие типов термометров и шкал: почти в каждой стране имелись свои. Так, например, Королевское физическое о-во в Лондоне применяло термометры со шкалой Реомюра, причем наряду с цифрами градусов была проставлены словесные обозначения, а именно: против 0 стояло «Очень жарко», 25° — «Жарко», 45° — «Умеренно» и 65° — «Мороз». Порядок обозначений был обратный— чем больше число градусов, тем ниже температура.

Последнее усовершенствование обозначений шкалы свел шведский ученый Андерс Цельсий (1701— 1744), предложивший деление всей шкалы на 100 градусов и указавший на необходимость только двух постоянных точек — таяния льда и кипения воды. Эта конструкция термометров принята повсеместно и до сих пор применяется в науке и технике, а также и в повседневной жизни.

Андерс Цельсий

В 1989 году сессия Международного комитета мер и весов приняла новую температурную шкалу МТШ-90, действующую в настоящее время. Эта шкала заменила Международную температурную шкалу 1968 года (редакция 1975 года) и Временную температурную шкалу 1976 года, действующую в диапазоне температур от 0,5 до 30 К.

В МТШ-90 основной физической величиной является термодинамическая температура, символ Т, единицей термодинамической температуры является кельвин, символ К. По определению кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

Учитывая опыт применения предыдущих температурных шкал, сохранена для практического применения температура Цельсия, символ t; единицей температуры Цельсия является градус Цельсия, символ °C.

Термоэлектрические эффекты

В начале 19 века электричество было захватывающей областью научных исследований, и вскоре ученые обнаружили, что металлы различаются по своему сопротивлению и проводимости. В 1821 году Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что напряжение создается, когда концы разнородных металлов соединяются и помещаются при разных температурах. Пельтье обнаружил, что этот эффект термопары обратим и может использоваться для охлаждения.

Томас Иоганн Зеебек, термоэлектрический эффект

В том же году Хамфри Дейви продемонстрировал, как удельное электрическое сопротивление металла связано с температурой. Пять лет спустя Беккерель предложил использовать платино-платиновую термопару для измерения температуры, но только в 1829 году Леопольдо Нобили создал устройство.

Платина также используется в резистивном датчике температуры, изобретенном в 1932 году К. Х. Мейерсом. Он измеряет электрическое сопротивление отрезка платиновой проволоки и обычно считается наиболее точным датчиком температуры. RTD, использующие проволоку, по своей природе хрупки и не подходят для промышленного применения. В последние годы были разработаны пленочные РДТ, которые менее точны, но более надежны.

В 20 веке также были изобретены полупроводниковые устройства для измерения температуры. Они реагируют на изменения температуры с хорошей точностью, но до недавнего времени им не хватало линейности.

Тепловое излучение

Очень горячие и расплавленные металлы светятся, выделяя тепло и видимый свет. Они излучают тепло и при более низких температурах, но на более длинных волнах. Английский астроном Уильям Гершель был первым, кто примерно в 1800 году осознал, что этот «темный» или инфракрасный свет вызывает нагрев. Работая со своим соотечественником Меллони, Нобили нашел способ обнаружить эту излучаемую энергию, последовательно соединив термопары в термобатарею.

Уильям Гершель

За ним последовал болометр в 1878 году. Изобретенный американцем Сэмюэлем Лэнгли, он использовал две платиновые полосы, одна из которых была зачернена, в конструкции моста Уитстона. Нагрев инфракрасным излучением вызвал заметное изменение сопротивления.

Болометры чувствительны к инфракрасному свету в широком диапазоне длин волн. Напротив, устройства типа фотонных детекторов, разработанные с 1940-х годов, как правило, реагируют только на инфракрасное излучение в ограниченном диапазоне волн. Детекторы сульфида свинца чувствительны к длинам волн до 3 микрон, а открытие тройного сплава HgCdTe в 1959 году открыло двери для детекторов, приспособленных для определенных длин волн.

Сегодня широко используются недорогие инфракрасные пирометры, а тепловизионные камеры находят все больше применений по мере снижения их цен.