Kaip termometras matuoja oro temperatūrą?

Kaip lauke šilta? Kaip šalta bus šį vakarą? Termometras - prietaisas, naudojamas matuoti orą temperatūra—Lengvai tai pasako, bet kaip tai mums pasakyti, yra visai kitas klausimas.

Norėdami suprasti, kaip veikia termometras, turime atsiminti vieną dalyką iš fizikos: kad skystis išsiplečia tūris (užimamas vietos kiekis), kai jo temperatūra sušyla, o tūris mažėja, kai temperatūra atvėsina.

Kai termometras yra veikiamas atmosfera, aplinkinio oro temperatūra jį prasiskverbs, galiausiai subalansuodama termometro temperatūrą su sava - procesu, kurio išgalvotas mokslinis pavadinimas yra „termodinaminė pusiausvyra“. Jei termometras ir jo viduje esantis skystis turi sušilti, kad pasiektų šią pusiausvyrą, skystis (kuris užims daugiau vietos šildant) pakils, nes yra įstrigęs siauro vamzdelio viduje ir neturi kur eiti bet aukštyn. Panašiai, jei termometro skystis turi atvėsti, kad pasiektų oro temperatūrą, skysčio tūris susitraukia ir tūbelė nusileis žemyn. Kai termometro temperatūra subalansuos aplinkinio oro temperatūrą, jo skystis nustos judėti.

Fizinis skysčio pakilimas ir kritimas termometro viduje yra tik dalis to, dėl ko jis veikia. Taip, šis veiksmas jums sako, kad vyksta temperatūros pokytis, tačiau be skaitinės skalės, kad ją įvertintumėte kiekybiškai, negalėtumėte išmatuoti tik to, kas yra temperatūros pokytis. Tokiu būdu pagrindinę (nors ir pasyvią) reikšmę vaidina temperatūra, pritvirtinta prie termometro stiklo.

Kai kyla klausimas, kas išrado termometrą, vardų sąrašas yra begalinis. Taip yra todėl, kad termometras sukūrė idėjų rinkinį per XVI – XVIII amžių, pradedant 1500-ųjų pabaigoje, kai „Galileo Galilei“ sukūrė prietaisą, naudojantį vandens pripildytą stiklinį vamzdelį su svertiniais stiklo plūdurais, kurie būtų plūduriuojantys aukštai vamzdyje ar kriauklėje, priklausomai nuo oro karščio ar šalčio, esančio už jo ribų (tarsi lava lempa). Jo išradimas buvo pirmasis pasaulyje „termoskopas“.

1600 m. Pradžioje Venecijos mokslininkas ir draugas „Galileo“, Santorio, prie „Galileo“ termoskopo pridėjo skalę, kad būtų galima suprasti temperatūros pokyčio vertę. Tai darydamas jis išrado pirmąjį pasaulyje primityvų termometrą. Termometras neįgavo tokios formos, kokią mes naudojame šiandien, kol Ferdinando I de 'Medici 1600-ųjų viduryje nesukūrė jo kaip uždarą vamzdelį, turintį lemputę ir stiebą (ir užpildytą alkoholiu). Pagaliau 1720 m. Farenheitas paėmė šį dizainą ir „sutvirtino“, kai pradėjo naudoti gyvsidabrį (vietoj alkoholio ar vandens) ir prie jo pritvirtino savo temperatūros skalę. Naudojant gyvsidabrį (kurio užšalimo temperatūra yra žemesnė ir kurio išsiplėtimas ir susitraukimas yra labiau matomas nei vandens ar alkoholio), pagal Fahrenheito termometrą buvo galima stebėti žemesnę užšalimo temperatūrą ir atlikti tikslesnius matavimus Pastebėjus. Taigi Fahrenheito modelis buvo priimtas kaip geriausias.

Įskaitant Fahrenheito stiklinį termometrą, yra 4 pagrindiniai termometrų tipai, naudojami oro temperatūrai nustatyti:

Skystas stiklas. Taip pat vadinama lempučių termometrai, šie pagrindiniai termometrai vis dar naudojami Stevensono Ekrano orų stotyse visoje šalyje Nacionalinė oro tarnyba Bendradarbiaujantys orų stebėtojai, kai kasdien stebima maksimali ir minimali temperatūra. Jie pagaminti iš stiklinio vamzdžio ("stiebo") su apvalia kamera ("lempute") viename gale, kuriame yra skysčio, naudojamo matuoti temperatūrą. Kintant temperatūrai, skysčio tūris arba plečiasi, todėl jis priplūsta prie stiebo; arba susitraukia, priversdamas jį susitraukti atgal nuo stiebo link lemputės.

Nekenčiu, kokie trapūs yra šie senamadiški termometrai? Jų stiklas iš tikrųjų pagamintas labai plonai. Kuo plonesnis stiklas, tuo mažiau medžiagų jam praeina per šilumą ar šaltį ir tuo greičiau skystis reaguoja į tą šilumą ar šaltį - tai yra, tuo mažiau atsilieka.

Dviejų metalų arba spyruoklių. Laikrodinis termometras, sumontuotas ant jūsų namo, tvarto ar kieme, yra dviejų metalų termometras. (Kiti jūsų orkaitės ir šaldytuvo termometrai bei krosnies termostatas yra ir kiti pavyzdžiai.) Tam naudojamas a dviejų skirtingų metalų (dažniausiai plieno ir vario) juostelės, kurios prasiplečia skirtingu greičiu temperatūros. Dviejų skirtingų metalų išsiplėtimo greičiai juostelę sulenkia į vieną pusę, jei įkaista daugiau nei pradinė temperatūra, ir priešinga kryptimi, jei vėsinama žemiau. Temperatūrą galima nustatyti pagal tai, kiek juostelė / ritė buvo sulenkta.

Termoelektriniai. Termoelektriniai termometrai yra skaitmeniniai įtaisai, kurie sukuria elektroninį jutiklį (vadinamą „termistoriumi“) elektros įtampa. Elektros srovei einant išilgai laido, kintant temperatūrai, jos elektrinė varža pasikeis. Išmatuojus šį pasipriešinimo pokytį, galima apskaičiuoti temperatūrą.

Skirtingai nuo stiklinių ir pusmetalių pusbrolių, termoelektriniai termometrai yra tvirti, greitai reaguoja ir jų nereikia skaityti žmogaus akimis, todėl jie puikiai tinka automatiniam naudojimui. Štai kodėl jie yra automatinis oro uostų oro stočių termometras. (Nacionalinė oro tarnyba naudoja duomenis iš šių AWOS ir ASOS stočių, kad pateiktų jūsų dabartinę vietinę temperatūrą.) Belaidės asmeninės oro stotys taip pat naudoja termoelektrinę techniką.

Infraraudonųjų spindulių. Infraraudonieji termometrai gali išmatuoti temperatūrą per atstumą, aptikdami šilumos energijos kiekį (coliais) nematomas šviesos spektro infraraudonųjų spindulių bangos ilgis) objektas išskiria ir apskaičiuoja temperatūrą nuo tai. Infraraudonųjų (IR) palydovų vaizdai—Kurie rodo aukščiausią ir šalčiausią debesys kaip ryškiai balti ir žemi, šilti debesys kaip pilki - gali būti laikoma savotišku debesų termometru.

Dabar, kai žinote, kaip veikia termometras, Kiekvieną dieną atidžiai stebėkite tai, kokia bus jūsų aukščiausia ir žemiausia oro temperatūra.

• Srivastava, Gyanas P. Paviršiaus meteorologiniai prietaisai ir matavimo praktika. Naujasis Delis: Atlantas, 2008 m.