Приборы для измерения температуры: история изобретений

Спустя некоторое время в воду начали добавлять азотную кислоту в соотношении 3 к 1, а также медный купорос для получения определенных оттенков. Этот прибор обладал значительной чувствительностью, однако его показатели были подвержены колебаниям, вызванным изменениями атмосферного давления.

История создания термометра: как был изобретен первый градусник?

Санторио был выдающимся ученым, который совмещал в своей деятельности врачебную практику, анатомические исследования и физиологию. Он работал в странах, таких как Польша, Венгрия и Хорватия, стремясь глубже понять процессы дыхания, возникающие испарения с поверхности кожи и особенности метаболизма человека. Он проводил опыты на себе и, изучая сложные механизмы функционирования человеческого тела, создал множество устройств для измерения различных физиологических параметров — включая прибор для оценки силы пульсации артерий, весы для отслеживания изменений массы тела и, конечно, первый ртутный термометр.

Три изобретателя

На сегодняшний день довольно сложно выделить конкретного автора, создавшего термометр, поскольку это изобретение приписывают множеству ученых — среди них Галилео, Санторио, лорд Бэкон, Роберт Фладд, Скарпи, Корнелий Дреббель, Порте и Саломон де Каус. Это связано с тем, что многие ученые одновременно стремились создать инструмент, способный точно измерять температуру воздуха, почвы, жидкости и человеческого тела.

Хотя в своих трудах Галилео не описывал этот прибор, его ученики утверждали, что он разработал термоскоп в 1597 году — это устройство позволяло определять температуру путем поднятия жидкости в трубке в результате нагревания. Термоскоп представлял собой стеклянный шарик с припаянной к нему трубкой, в которой вместо ртути использовался воздух. Однако, как и в случае с современным термометром, термоскоп мог лишь давать относительное представление о нагреве или охлаждении, поскольку у него не было шкалы измерений.

Санторио, являвшийся профессором Падуанского университета, изобрел устройство, позволяющее измерять температуру человеческого тела. Однако его прибор был слишком громоздким, и его устанавливали во дворе дома для проведения наблюдений. Устройство имело форму шара с длинной извивающейся трубкой, на которой были отмечены деления; свободный конец трубки заполнялся окрашенной жидкостью. Это новшество относится к 1626 году.

В 1657 году ученые из Флоренции усовершенствовали термоскоп, добавив к нему шкалу, составленную из маленьких бусинок, что значительно упростило процесс чтения показаний.

С течением времени, несмотря на попытки улучшить конструкцию, все термометры оставались воздушными, что приводило к тому, что их показания зависели не только от изменения температуры, но и от атмосферного давления, создавая определенную неустойчивость в измерениях. Первые термометры с жидкостью появились в 1667 году, однако, если в них использовалась вода, они лопались при замерзании. Поэтому для изготовления приборов начали применять винный спирт. Истинный прорыв произошел благодаря экспериментам физика Эванджелиста Торричелли, ученика Галилея, который заполнил свой термометр ртутью и, перевернув его, добавил в шар подкрашенный спирт, а затем запаял верхний конец трубки, что свело к минимуму влияние атмосферного давления.

Первый термометр

Первый современный термометр был создан во Флорентийской академии в Италии. Он представлял собой стеклянную трубку с закрытым верхом, соединенную с полым шариком внизу. В качестве термометрической жидкости использовался подкрашенный винный спирт. Процесс наполнения резервуара был следующим: шарик термометра сильно нагревался, тем самым разрежая воздух, чтобы большая его часть могла выйти наружу. После этого открытый конец трубки погружался в окрашенный спирт, который поднимался и заполнял трубку и шарик. Прибор охлаждали до той степени, при которой в трубке оставалась пустой примерно половина объема, а после этого трубка запаивалась, что на тот момент было довольно сложным процессом.

В дальнейшем принцип создания термометров заключался в том, чтобы наполнить спирт так, чтобы он заполнил примерно четверть длины трубки, и нагреть его до уровня, когда жидкость поднимется почти до верхушки трубки (при условии максимально выкачанного воздуха) и сразу же запечатать трубку. Созданные таким образом термометры были практически такими же чувствительными, как и современные.

Термометры флорентийских академиков

Значительно позже было установлено, что размеры резервуара не должны превышать определённых границ, а тепло должно передаваться, по возможности, через его центральную часть. В результате этого появились термометры, имеющие причудливую форму, которые, по выражению современников, напоминали даму, играющую в трик-трак. Для компактности вместо прямолинейных трубочек начали применять изогнутые конструкции, причем каждый физик создавал их по собственному усмотрению. Флорентийские академики располагали ноль своей шкалы в том месте, где находился столбик жидкости термометра, установленного в подвале их обсерватории. Другие ученые считали за нулевую точку температуру максимальных зимних морозов. В термометрах того времени также указывали деление «жарко», определяемое прикладыванием устройства к телу лихорадочного пациента во временные периоды пароксизмов или под воздействием прямых солнечных лучей в один из самых знойных летних дней.

Температурные шкалы

В середине XVII века известный физик Роберт Бойль (1627—1691) предложил использовать за начальную точку температуру замерзания воды. Однако вскоре стало очевидно, что такого подхода недостаточно для построения полноценной шкалы.

В своем труде о теплоте Делансэ отмечал:

«Во время холодного времени года необходимо наблюдать за процессом замерзания воды и сделать соответствующие пометки на шкале термометра. Уложите немного сливочного масла на шарик термометра и отметьте его шкалу в момент плавления масла. Затем делайте деления, чтобы найти среднюю температуру между холодом и жаром, раздробив два полученных интервала на десять равных частей. Затем добавьте по четыре таких деления ниже точки замерзания воды и выше точки плавления масла. В результате получите пятнадцать делений для холода и столько же для тепла.»

В поисках повышения чувствительности термометров ученые стремились увеличить длину трубка, достигая один метра! Однако такие устройства значительно утяжелять транспортировку. Поэтому были предприняты попытки уменьшить габариты, добавляя изгибы в конструкцию трубки.

В 1694 году Шарль Ренальдини в Павии (Италия) создал термометр, нулевое деление которого устанавливалось на основе помещения шарика в смесь воды со льдом, а следующая отметка соответствовала температуре кипящей воды.

Исаак Ньютон (1643—1727) для установления верхней точки использовал льняное масло, имеющее значительно более высокую точку кипения. Его шкала включала шесть делений, соответствующих следующим температурам: 1° — температура тающего льда, 2° — температура человеческой крови, 3° — температура плавления воска, 4° — температура кипения воды, 5° — плавление сплава свинца, висмута и олова, и 6° — температура плавления чистого свинца.

В середине XVII века были представлены несколько весьма интересных термометров. Одним из них был Картезианский водолаз, который представлял собой продолговатую хрустальную емкость длиной 10—12 см и диаметром около 5 см. Эта емкость была герметично закрыта, оставив немного воздуха в верхней части, а остальное пространство заполнялось разбавленным спиртом. В этом спирте плавали 10—12 маленьких шариков различного веса, сделанных из тонкого дутого стекла и наполненных воздухом. При значительном снижении температуры шарики всплывали на поверхность жидкости, в то время как при повышении температуры они опускались на различном уровне. При высокой температуре все шарики оседали на дно сосуда.

Делансэ комментировал этот термометр так: «С его помощью можно было фиксировать усиление или ослабевание лихорадки.» Для этих целей были созданы специальные термометры аналогичного типа, которая имела форму черепахи для удобства измерений под мышкой.

В ходе дальнейшего совершенствования термометров важной вехой стало замещение спирта ртутью, обладающей множеством преимуществ: она является отличным проводником тепла, быстро реагирует на изменения температуры окружающей среды, не замерзает при обычных низких температурах и не кипит при сравнительно высоких, а также не смачивает стекло.

Измерение температуры: как найти ноль?

Первое устройство, которое можно назвать термометром, было разработано во Флорентийской академии и выглядело как стеклянная трубка с расширенной частью в форме шара на конце. При нагревании конструкции воздух внутри разрежался и частично выходил наружу. Затем открытый конец трубки опускали в окрашенный винный спирт, который поднимался и заполнял трубку вместе с шаром. Позже термометр охлаждали, пока трубка не опустеет на половину. По своей чувствительности прибор был практически на уровне современных моделей, но пользоваться им было совсем не удобно.

Ученые экспериментальным путем установили, что нет необходимости в большом резервуаре, а тепло должно передаваться в основном через центральную часть термометра. Начали появляться приборы необычной формы с изогнутыми трубками, длина которых доходила до 1 метра. Одни исследователи принимали за нулевую точку уровень, на котором останавливалась жидкость в трубке, другие устанавливали ее в соответствии с минимальными зимними температурами. На шкалу наносили даже деление «жарко», которое соответствовало температуре лихорадочного пациента.

Идея определения температурной точки замерзания воды как начальной принадлежит Роберту Бойлю. Однако вскоре стало ясно, что на одной точке шкала не получается. Итальянец Шарль Ренальдини в 1694 году предложил новый термометр с новой шкалой, где нулевая деление определялось путем помещения шарика в смесь воды и льда, а следующая точка соответствовала температуре кипения воды.

Ньютон устанавливал верхнюю отметку с помощью льняного масла, имеющего значительно высокую точку кипения. Его шкала учитывала несколько делений, соответствующих следующим температурным уровням:

• 1° — охлаждение льда;
• 2° — температура крови человека;
• 3° — температура плавления воска;
• 4° — температура кипения воды;
• 5° — температура плавления сплава свинца, висмута и олова;
• 6° — температура плавления чистого свинца.

На тот момент до современного термометра было еще далеко, но ученые не оставляли свои поиски. Один из экспериментов привел к созданию устройства под названием Картезианский водолаз: длинная герметичная хрустальная емкость, закрытая с одной стороны, с маленьким количеством воздуха в области сверху. Средняя часть заполнялась разбавленным спиртом, а в нем плавали 10—12 шариков разного веса, выполненных из прочного стекла и наполненных воздухом. При снижении температуры шарики всплывали, тогда как при повышении они погружались на разную глубину. При значительных температурах все шарики оказывались на дне.

В это время ученые уже понимали, что контролировать развитие заболеваний можно с помощью термометра. Появилось понимание, что наиболее удобным местом для измерений является подмышка, и для удобства термометры начали делать в форме черепахи.

За несколько веков до современного термометра

Следующий значимый шаг заключался в замене спирта на ртуть, которая демонстрировала высокую проводимость тепла, оперативно реагировала на температурные колебания, оставаясь неизменной при очень низких и высоких температурах.

В 1714 году голландец Даниэль Фаренгейт разработал ртутные термометры на основе нескольких фиксированных точек:

• 0° — определялось путем погружения резервуара в смесь воды со льдом и морской солью;
• нормальная температура человеческого тела;
• температура кипения воды.

Шкала Фаренгейта до сих пор используется во многих странах, наряду с известными термометрами Реомюра, которые когда-то были популярны в Италии и Франции, но показывали меньшую точность, чем ртутные устройства.

Последним во времени усовершенствование шкалы термометра провел шведский ученый Андерс Цельсий. Он установил постоянными точками температуру кипения воды и таяния льда, а длинный отрезок между этими значениями разделил на 100 частей. Современные термометры основываются именно на этой шкале.

Презентация истории изобретения термометра

• 
• 

На настоящий момент дополнительные накопительные скидки (от 2% до 25%) предоставляются 67 009 образовательным учреждениям. Чтобы узнать, какая именно скидка действует для всех сотрудников вашего образовательного учреждения, войдите в свой личный кабинет «Инфоурок».

• В настоящее время обучается 427 человек из 68 регионов
• Данный курс уже прошли 948 человек

Курс повышения квалификации

Руководство электронной службой архивов, библиотек и информационно-библиотечных центров

• Совсем недавно обучаются 26 человек в 16 регионах
• Этот курс уже прошли 27 человек

1 слайд Презентация «История создания термометра»
Автор: Студентка группы 1-5 Мустафаева Алиме
Преподаватель: Шипицына Л.В.
ГАОУ СПО РК Евпаторийский медицинский колледж

2 слайд Мы должны считать, что одним из общепринятых законов теплоты является утверждение, согласно которому все тела, независимо от внешних воздействий, стремятся прийти к одному и тому же температурному состоянию, что и показывает термометр.
Джозеф Блэк

3 слайд Хронология создания термометра:
В 1597 году Галилео Галилей изобрел первый прибор для отслеживания изменений температуры (термоскоп).
В 1657 году термоскоп Галилея был усовершенствован флорентийскими учеными.
Постоянные точки термометра были установлены в 18 веке.
В 1714 году голландский ученый Д. Фаренгейт изготовил ртутный термометр.
В 1730 году французский физик Р. Реомюр предложил спиртовый термометр.
В 1848 году английский физик Вильям Томсон (лорд Кельвин) доказал возможность создания абсолютной шкалы температур.

4 слайд
Прибор Галилея оказался весьма несовершенным:
он не имел градуировки и на трубке не были указаны деления.
Уровень жидкости в трубке зависел не только от температуры воздуха в стеклянном шаре, но и от атмосферного давления.
Первый термометр был создан Галилео Галилеем в 1592 году и назывался термоскопом.

5 слайд
Термоскоп представлял собой стеклянную трубку с расширением в верхней части, помещённой в сосуд с жидкостью. Нагревание или охлаждение трубки изменяло высоту столбика жидкости.

6 слайд В середине XVII века Флорентийская академия предложила прибор, представляющий собой стеклянную трубку, завершенную внизу шариком. Верхний конец трубки был запаян. Шарик и часть трубки заполнялись спиртом, а вдоль трубки помещались бусинки, образующие шкалу для считывания температуры.
Показания этого прибора уже не зависели от атмосферного давления.

Этапы усовершенствования

Решающим шагом в развитии термометров стал вклад Габриэля Фаренгейта, который представил форму, идеальную для повседневного применения, и создал точную шкалу. Описание работы Фаренгейта было опубликовано в 1723 году. Изначально немецкий физик работал с спиртовой шкалой, но, обнаружив ряд недостатков, предпочел использовать ртуть. Шкала Фаренгейта имеет три ключевые точки:

• при 0° по Фаренгейту стабильно присутствует смесь аммиачного спирта с водой и льдом (так, что лед не тает и вода не замерзает);
• при 32° стабильно существует водно-ледяная смесь;
• при 212° (при нормальном атмосферном давлении у уровня моря) вода неизбежно закипает.

Цельсий не только предложил альтернативную, более удобную по сравнению с Фаренгейтом шкалу измерения температуры. Он значительно точнее определил градусы. Правда, в начале за 100° была принята температура таяния льда, а 0° — момент кипения воды. Для повышения удобства шкалу изменили, однако кто именно это сделал — Штремер или сам Цельсий — до сих пор остается загадкой.

Тем не менее, созданные приборы для бытовых нужд в XIX столетии уже не удовлетворяли потребности науки. В 1848 году Томсон (будущий лорд Кельвин) доказал возможность создания абсолютной шкалы температур. Числом -273,15° по шкале Цельсия определяется начальная точка, ниже которой нельзя охладить какое-либо материальное тело.

Термометры со шкалой Кельвина в профессиональных физических лабораториях используются даже шире, чем устройства, измеряющие ту же температуру по шкалам Цельсия или Фаренгейта.

Первые удобные медицинские термометры были разработаны английским изобретателем Томасом Олбатом. Ранее, в XVIII столетии, использовались конструкции длиной 12 дюймов (или около 0,305 метра).

Интересно, что Сережа Боткин сыграл важную роль в распространении термометров в нашей стране.

На протяжении долгого времени практически все термометры были с ртутной шкалой. Однако с развитием технологий появились более современные и безопасные варианты измерительных приборов.

Современные варианты

Изначально термометры изготавливались их основателями самостоятельно. Но вскоре стало ясно, что этот подход не отвечает потребностям населения. С нарождающейся технологией и ростом промышленности начали появляться специализированные предприятия. Современные термометровые заводы способны производить разнообразные градусники, которые применяются для измерения температуры окружающей среды, а также для различных медицинских диагностик и исследовательских целей. Термометры необходимы для:

• газовых плит;
• автомобилей;
• отопительных котлов;
• электростанций;
• летательных аппаратов;
• морских судов.

Кроме того, приборы часто используются в быту. Единственным производителем в России является ООО Первый термометровый завод. Хотя было принято решение о выводе ртутных термометров из оборота (согласно Минаматской конвенции 2013 года), их применение все еще продолжается. Такие устройства функционируют достаточно просто и не зависят от электричества.

Ртутные термометры отличаются низкой стоимостью, однако они не только представляют опасность, но и измеряют температуру с задержкой, которая может составлять от 5 до 10 минут.

Современные альтернативы — электронные медицинские термометры. Изменение проводимости металла на ее наконечнике происходит в зависимости от температуры, и специальный датчик фиксирует это изменение, переводя его в градусы по заданному алгоритму. Электронные термометры могут:

• запоминать последние измерения;
• издавать звуковой сигнал в начале и в конце процесса измерения (в зависимости от модели);
• использоваться с определенными сменными и гибкими наконечниками для повышения уровня гигиеничности;
• выполнять измерения очень точно.

Чтобы эффективно пользоваться таким устройством, необходимо подробно изучить инструкцию.

К тому же электронный термометр зависит от источников питания: батарейки придется менять примерно раз в 3—5 лет. Использовать устройство можно как в клиниках, так и в домашних условиях. Несмотря на то, что электронные термометры стоят дороже ртутных, их улучшенные характеристики оправдывают затраты.

Волоконно-оптические и термоэлектрические устройства обладают высочайшей точностью и, как правило, используются в лабораторию. Различные сферы применения включают:

• газовые;
• биметаллические;
• инфракрасные;
• конденсационные термометры.

Пирометры (или оптические термометры) способны работать в бесконтактном режиме. Эти устройства могут измерять широкий диапазон температур, достигая предела в 3000°. У некоторых моделей этот предел меньше, если они предназначены для медицинских нужд.

Для получения более подробной информации об истории создания термометра смотрите далее.