Как смотреть температуру на градусник галилео
Ну да, не совсем точно, зато красиво и располагает к раздумьям .
Это Вам не просто посмотреть температуру на современном термометре, около него можно сидеть долго, рассматривать и философствовать, как в японском саду камней. А если вспомнить, что первым, кто смотрел на него, был великий Галилей, то почти физически начинаешь ощущать сопричастность к великому изобретению.
Термометр Галилея — это историческая реликвия. Когда-то в средние века великий итальянский ученый Галилео Галилей (1564-1642 г.) установил, что при различных температурах плотность жидкостей меняется. Этот принцип и лежит в основе работы термометра, а сам термометр назван в честь Галилея.
Однако, изобретен этот термометр был в 1641 году Фердинандом II герцегом Тосканским из рода Медичи.
Термометр представляет собой закрытый сверху цилиндр с жидкостью, внутри которой плавают полые стеклянные шарики, одни шарики плавают на поверхности, другие погружены в жидкость и плавают внутри нее, а могут и лежать на дне.
В термометрах бывает от 4 до 17 шариков различной расцветки или же заполненных различной жидкостью. На стеклянных шариках подвешены пломбы, на которых цифрами указаны разные значения температуры. Температурная шкала может быть также и на самом цилиндре. Термометры Галилея могут показывать температуру от 14 до 30 градусов по Цельсию.
Правда, чтобы получить показания термометра требуется немного подождать, также он не очень точен, но для бытовых нужд годится!
Шарики изготовлены так, что их средняя плотность разная, поэтому они обладают различнной плавучестью. Если температура жидкости повышается, она расширяется, ее плотность уменьшается, и меняется (уменьшается) Архимедова сила, действующая на шарики. Их плавучесть меняется. Шарики, плававшие раньше на поверхности, опускаются и колеблются уже внутри жидкости, а шарики, плававшие первоначально внутри жидкости, теперь тонут. Обратное происходит при охлаждении жидкости.
Коэффициент расширения стекла в 10 и более раз меньше, чем у жидкости, поэтому практически его можно не учитывать.
Все шарики калибруются. Зная среднюю плотность шариков, их помещают в цилиндр в порядке их плавучести, самый тяжелый шарик вниз, полегче сверху и т.д.
В широком цилиндре все шарики, чья средняя плотность меньше плотности жидкости, будут плавать на поверхности. Поэтому термометр хорошо работает, когда диаметр цилиндра немногим больше, чем диаметр шариков. Шарики в жидкости располагаютс друг под другом и самый нижний плавающий шарик показывает температуру.
Цилиндр закрыт сверху, чтобы жидкость не проливалась и не испарялась, чтобы туда не попадала грязь.
Делают и многоцилиндровые термометры, где в каждом цилиндре плавает свой шарик.
При изготовлении термометров Галилея основополагающим является определение плотности шариков и установка соответствующих пломб на них.
Вода не очень хорошо подходит для таких термометров из-за маленького коэффициента расширения, поэтому у каждого изготовителя термометров свои секреты, какой жидкостью наполнять термометры.
В таком виде термометр Галилея существует уже многие столетия.
Все шарики калибруются. Зная среднюю плотность шариков, их помещают в цилиндр в порядке их плавучести, самый тяжелый шарик вниз, полегче сверху и т.д.
Галилео Галилей был знаменитым итальянским физиком, математиком, астрономом и философом, сыгравшим ключевую роль в развитии науки 16 века. Именно он впервые открыл, что плотность жидкости меняется в зависимости от снижения или повышения температуры.
Термометр, прозванный в честь великого ученого, сделан из запаянного стеклянного цилиндра. Емкость наполнена жидкостью, в которой плавает несколько буйков. К каждому из буйков привязана бирка. В зависимости от температуры воды эти поплавки либо опускаются на дно, либо поднимаются под потолок сосуда. Однако с эстетической точки зрения термометр Галилео намного привлекательнее своей функциональности – он прекрасен сам по себе!
И хотя это устройство не было изобретено самим Галилео, его назвали в честь выдающегося итальянского ученого за то, что конструкция не существовала бы без открытий Галилео. Эти градусники начали делать в 17 веке как раз на основании научных трудов Галилео.
Напомним, что на всех буйках есть этикетки. На каждой из этих бирок выгравированы цифра и символ градуса. Вес каждого поплавка четко отрегулирован и откалиброван. Подкрашенная жидкость в буйках играет свою отдельную роль в уравнивании веса поплавков, но для простого обывателя это в первую очередь очень красивое зрелище.
Математический принцип, применяемый в термометре Галилео, действует в соответствии с правилом прямо пропорциональной зависимости. Узнать температуру по этому градуснику можно благодаря тому, что каждый буек наполнен жидкостью в разной мере, что влияет на среднюю плотность каждого поплавка. У предмета, плавающего выше всех, плотность ниже, чем у зависающего над самым дном. Но удельный вес этих буйков не сильно отличается от аналогичного параметра жидкости, в которой они пребывают.
Когда температура в комнате падает, охлаждается и вода в термометре. Жидкость в емкости сжимается, а ее плотность повышается. И, как известно, тела, чья плотность меньше плотности окружающей их среды, стремятся вверх. Поэтому когда вода нагревается, буйки тонут, а когда в комнате становится прохладнее, поплавки всплывают под потолок колбы. В итоге температура воздуха определяется по самому нижнему буйку с соответствующей биркой.
На этом видео можно понаблюдать за происходящим в этом устройстве в режиме замедленной съемки:
Термометр Галилео – настоящий образец воплощения красоты в научном мире. И хотя актуальность такого устройства в современном мире уже давно утрачена, этот градусник все еще можно встретить в некоторых квартирах ценителей оригинального интерьера.
Когда температура в комнате падает, охлаждается и вода в термометре. Жидкость в емкости сжимается, а ее плотность повышается. И, как известно, тела, чья плотность меньше плотности окружающей их среды, стремятся вверх. Поэтому когда вода нагревается, буйки тонут, а когда в комнате становится прохладнее, поплавки всплывают под потолок колбы. В итоге температура воздуха определяется по самому нижнему буйку с соответствующей биркой.
2. По мере изменения температуры они поднимаются и опускаются в зависимости от математических принципов. И все же в термометре Галилея помимо практической ценности есть еще и эстетическая – это сам по себе прекрасный объект.
3. И хотя Галилео не создавал этот термометр, его назвали в его честь, потому что без его открытий термометра бы не было. Эти устройства производят с конца 17-ого века.
4. К каждому пузырьку прикреплена гирька. На каждой из них выгравирован символ и номер. Это противовесы. Каждый из них отличается от других.
5. В пузырьки была добавлена крашеная вода, чтобы каждый пузырь имел одну и ту же плотность. Но это придало термометру свою красоту.
6. Математические принципы термометра очень просты. Каждый пузырек в термометре имеет одинаковый объем, а значит и одинаковую плотность.
7. Это значит, что каждый пузырек имеет ту же гравитационную величину и выталкивающую силу. Гравитация (сила притяжения) толкает вниз, выталкивающая сила – вверх.
8. Каждый пузырик помечается гирькой, прикрепленной к его основанию. Эта гирька увеличивает относительный вес пузыря, а также эффект его силы притяжения. Гирька означает, что плотность каждого пузыря немного отличается от других.
9. Тот шарик, который находится на самом дне, и показывает нынешнюю температуру.
10. По мере того, как плотность жидкости вокруг пузыря меняется, сил притяжения превосходит выталкивающую силу, поэтому пузырь идет на дно. Когда температура повышается, плотность жидкости тоже повышается.
11. Когда плотность понижается, выталкивающая сила также понижается. Все пузыри постоянны, так что когда температура и жидкость увеличиваются, выталкивающая сила понижается из-за пропорциональности с плотностью жидкости, и пузырь идет ко дну.
12. То же самое и наоборот, когда плотность воды увеличивается. Каждый пузырь имеет вес, так что он будет подниматься и опускаться в жидкости определенной плотности при определенной температуре.
13. В плане дизайна термометр отличается элегантностью и красивой формой. Это настоящий пример научной красоты, или красивой науки.
2. По мере изменения температуры они поднимаются и опускаются в зависимости от математических принципов. И все же в термометре Галилея помимо практической ценности есть еще и эстетическая – это сам по себе прекрасный объект.
К каждому пузырьку прикреплена небольшая металлическая бирка, которая указывает на температуру. Число и символ степени выгравированы в теге. Эти металлические метки на самом деле являются калиброванными противовесами. Вес каждого тега немного отличается от других. Поскольку все пузырьки — это выдувное стекло, они не совсем одинакового размера и формы. Пузырьки калибруют, добавляя к ним определенное количество жидкости, чтобы они имели одинаковую плотность. Итак, после того, как взвешенные метки прикреплены к пузырькам, каждая из них очень незначительно отличается по плотности (отношению массы к объему) от других пузырьков, и плотность всех их очень близка к плотности окружающей воды.
Если вы прочитали этот вопрос , то вы знаете, что объект, погруженный в жидкость, испытывает две основные силы: нисходящее притяжение силы тяжести и восходящее растяжение плавучести. Это сила притяжения, которая заставляет работать этот термометр.
Основная идея заключается в том, что с изменением температуры воздуха за пределами термометра меняется температура воды, окружающей пузырьки. Когда температура воды изменяется, она либо расширяется, либо сжимается, тем самым изменяя свою плотность. Таким образом, при любой плотности некоторые пузырьки будут плавать, а другие тонут. Пузырь, который тонет больше всего, указывает приблизительную текущую температуру.
Допустим, в термометре есть пять пузырьков:
- Синий пузырь, который представляет 60 градусов
- Желтый пузырь, который представляет 65 градусов
- Зеленый пузырь, который представляет 70 градусов
- Фиолетовый пузырь, который представляет 75 градусов
- Красный пузырь, который представляет 80 градусов
Синий пузырь (60 градусов) является самым тяжелым (самым плотным), и каждый последующий пузырь немного светлее, а красный — самым легким. Теперь допустим, что температура в комнате составляет 70 градусов. Поскольку окружающий воздух составляет 70 градусов, мы знаем, что вода внутри термометра также составляет около 70 градусов. Синие и желтые пузырьки (60 и 65 градусов соответственно) откалиброваны так, чтобы при этой температуре они имели более высокую плотность, чем вода, поэтому они тонут. Пурпурный и красный пузырьки имеют плотность ниже окружающей воды, поэтому они плавают в самой верхней части термометра. Поскольку калибровка зеленого пузырька соответствует 70 градусам, что соответствует температуре воды, он слегка опускается, поэтому он плавает чуть ниже пурпурного и красного пузырьков, что указывает на температуру в комнате!
Добавить комментарий Отменить ответ
Основная идея заключается в том, что с изменением температуры воздуха за пределами термометра меняется температура воды, окружающей пузырьки. Когда температура воды изменяется, она либо расширяется, либо сжимается, тем самым изменяя свою плотность. Таким образом, при любой плотности некоторые пузырьки будут плавать, а другие тонут. Пузырь, который тонет больше всего, указывает приблизительную текущую температуру.
Кандидат химических наук Максим Абаев
Самый простой способ измерить температуру, которым пользовались ещё в древности, называется «потрогать».
Перед тем как выйти на улицу, мы обычно смотрим на термометр за окном, чтобы выбрать одежду по погоде. Можно, конечно, этого не делать, но тогда есть вероятность простудиться, и поневоле придётся воспользоваться термометром. Сейчас, правда, многие предпочитают узнавать температуру «за бортом» с экрана телевизора, смартфона или планшета. Но чтобы градусы Цельсия появились на экране, кто-то должен измерить температуру на улице, ведь не интернет же это делает? Хотя, к слову сказать, температуру можно определить и «интернетом» — с помощью оптоволоконных линий. Об этом мы расскажем чуть позже, а пока разберёмся с классическими методами.
Самый простой способ измерить температуру, которым пользовались ещё в древности, называется «потрогать». Однако у него есть два существенных недостатка. Во-первых, этот способ далеко не всегда безопасен — можно обжечься. А во-вторых, измерения, основанные на субъективных ощущениях, неточны: для одного море с температурой воды +10 о С — это всего лишь «прохладно», а для другого и +20 о С сродни купанию у берегов Антарктиды. Тут показателен классический опыт: возьмите три ёмкости — с горячей, холодной и тёплой водой. Одну руку опустите в сосуд с горячей водой (естественно, вода не должна быть кипятком!), а другую — в сосуд с холодной, подержите их там некоторое время, а затем опустите обе руки одновременно в ёмкость с тёплой водой. В этот момент одна рука «скажет» вам, что вода холодная, другая — что горячая, а истина окажется, как это часто бывает, где-то посередине.
Способ «потрогать» удовлетворял далеко не всех. Измерять температуру нужно было как можно точнее и в цифрах. А значит, предстояло изобрести иной способ, который опирался бы не на ощущения, а на беспристрастные физические законы.
Стоит напомнить, что температура влияет на самые разные свойства материи: вещества могут плавиться и испаряться, менять цвет, форму и размер, вступать в химические реакции. Первые приборы для измерения температуры были основаны на том, что при нагревании большинство тел расширяются, а при охлаждении, наоборот, сжимаются. Известно, например, что во время полёта сверхзвуковой пассажирский лайнер «Конкорд» из-за нагрева фюзеляжа увеличивался в длину на 20 см. Так что, имея соответствующую таблицу, температуру самолёта можно было бы измерять обычной рулеткой.
Первым, кто заметил, что вещества меняют объём в зависимости от температуры, был Галилео Галилей. Нагревал он, правда, не сверхзвуковые «Конкорды», а самые обыкновенные жидкости. Если взять фиксированное количество жидкости, то при нагревании она начнёт расширяться, а при охлаждении сжиматься. Соответственно будет меняться и её плотность — холодные жидкости более плотные, чем горячие. На этом принципе — изменении плотности вещества при нагревании — был построен один из первых приборов для измерения температуры — термоскоп. Галилей изобрёл его в 1597 году. Термоскоп не давал точного значения температуры, а свидетельствовал об изменении степени нагретости тела. Жидкость в термоскопе поднималась и опускалась по стеклянной трубке не за счёт собственного расширения или сжатия, а из-за изменения объёма воздуха, находящегося в стеклянном шарике, который был припаян к концу трубки. Здесь использовался принцип зависимости давления газа от его температуры: чем выше температура, тем выше давление, а следовательно, газ стремится занять больший объём, вытесняя жидкость из трубки. Главный недостаток прибора состоял в том, что показания зависели не только от самой температуры, но ещё и от атмосферного давления.
Через полвека конструкцию термоскопа усовершенствовали флорентийские учёные. Они перевернули его с ног на голову, заменили газ жидкостью, откачали из стеклянного резервуара воздух, сделав прибор независимым от каких-либо перепадов давления, и снабдили шкалой. Здесь уже температуру определяли по уровню столба жидкости, который тем выше, чем выше сама температура. Это был описанный в 1667 году первый жидкостный термометр, который получил название «термометр Галилея». В слегка изменённом виде он дожил до наших дней, им продолжают измерять температуру за окном или температуру тела и по традиции называют градусником.
Обычные ртутные термометры до сих пор используют не только в быту, но и в экспериментальных лабораториях, поскольку они просты, надёжны и недороги.
Может возникнуть вопрос: почему вредная ртуть получила такое широкое распространение в термометрах? Причина в том, что ртуть, в отличие от органических жидкостей вроде спирта или глицерина, остаётся жидкой в большом интервале температур: от –39 о С до +357 о С. Но что ещё более важно, так это практически линейный рост её объёма с увеличением температуры. Что это значит? Например, вы взяли два термометра: ртутный и глицериновый, откалибровали их по двум точкам: 0 о С и +100 о С, а затем погрузили их в жидкость с температурой +50 о С. Думаете, оба термометра покажут +50 о С? А вот и нет! Показания ртутного термометра будут действительно практически совпадать с отметкой +50 о С, а глицериновый покажет +47,6 о С. Опустим теперь оба термометра в жидкости с температурами 0 о С и +100 о С — их показания совпадут. Почему? Ответ на эту загадку кроется в коэффициенте температурного расширения жидкостей. Как мы говорили, у ртути он практически не зависит от температуры, а вот у глицерина — зависит. Это значит, что при разных значениях температуры жидкость по-разному реагирует на изменение этой самой температуры: например, холодный глицерин, как мы видим, расширяется чуть медленнее, чем горячий.
Кроме бытовых жидкостных встречаются термометры другого типа — механические. В них вместо жидкости используется металлическая спираль с закреплённой на ней стрелкой. Работают механические термометры, хотя на первый взгляд это может показаться странным, по тому же принципу, что и жидкостные, — по принципу расширения вещества при нагревании. Вспомните про удлиняющийся от нагрева самолёт. Можно было бы, конечно, вместо самолёта взять небольшую проволочку и измерять, насколько она удлинится при нагревании на несколько градусов, но тогда пришлось бы воспользоваться микроскопом. Согласитесь, это не очень удобно, поэтому инженеры придумали ухищрение: они взяли две металлические ленты из разных материалов, соединили их вместе и скрутили в спираль. Если такую конструкцию нагревать, то за счёт разной величины расширения двух разных металлов спираль начнёт раскручиваться, а при охлаждении будет закручиваться обратно. Оставалось только закрепить один конец спирали на корпусе, а на другой установить стрелку и проградуировать шкалу. Простой механический термометр готов!
Но технический прогресс не стоял на месте. С развитием промышленности во многих областях измерение температуры стало насущной необходимостью. Взять хотя бы современный автомобиль, в котором можно навскидку найти десяток различных температурных датчиков, и сделаны они, к счастью, не из стекла и ртути.
Если в жидкостных и механических термометрах используется свойство тел расширяться при нагревании, то большинство современных температурных датчиков основано на принципе зависимости электрических свойств вещества от температуры. Самые распространённые — терморезистивные датчики. Их действие основано на том, что электрическое сопротивление проводника растёт с увеличением температуры. Чтобы такой датчик заработал, достаточно включить его в цепь, состоящую из источника тока и амперметра.
Другой принцип работы у термопарных датчиков. По сути, они представляют собой маленькую «батарейку», напряжение которой зависит от температуры. Эта «батарейка» состоит из двух металлических проводников, спаянных в одной точке. Если место спайки поместить в зону с высокой температурой, а свободные концы проводов оставить при комнатной, то, подключив к ним вольтметр, можно увидеть, что «батарейка» начала вырабатывать ток. Конечно, возникает соблазн использовать термопару для выработки электричества, а не просто для измерения температуры, однако из этой затеи ничего не выйдет: напряжение на выводах термопары составляет всего несколько милливольт, что в тысячу раз меньше, чем напряжение самой обычной пальчиковой батарейки. Зато температуру с помощью термопар можно измерять весьма точно и в большом диапазоне: от –250 о С до +2500 о С.
И жидкостные термометры, и терморезисторы, и термопары требуют физического контакта с объектом. Термометр необходимо погрузить в жидкость или другую среду либо обеспечить ему плотный контакт с телом. А как поступить, если нужно измерить температуру на расстоянии? Оказывается, в этом нет ничего невозможного.
Вспомните одно свойство материи: все вещества при нагревании испускают электромагнитное излучение. Вы наверняка видели, как выглядит раскалённое железо — оно светится красным, жёлтым или белым цветом. По цвету свечения можно определить температуру металла — этим пользуются кузнецы, чтобы соблюсти технологию ковки изделий. Однако не все нагретые тела светятся ярким светом, вернее, не всё излучение от нагретых тел мы способны увидеть невооружённым глазом. Например, горячий и холодный паяльники выглядят одинаково, хотя, будь наш глаз чувствителен к инфракрасным волнам, мы без проблем отличили бы горячий предмет от холодного.
А вот гремучие змеи могут «видеть» тепло — у них для этого есть специальный орган: два углубления на голове, чувствительные к инфракрасному излучению. Другими словами, рептилии могут найти добычу, например какого-нибудь теплокровного грызуна, в полной темноте, ориентируясь только на тепловые волны, которые испускает жертва. Надо сказать, что змея не видит мышь, как мы видим изображение на экране тепловизора, она лишь может определить направление и силу тепловыделения. По принципу зависимости состава спектра излучения тела от его температуры работают инфракрасные термометры. Чтобы измерить температуру объекта, достаточно направить на него прибор, и спустя буквально доли секунды он покажет температуру с высокой точностью. Быстро и удобно, правда, стоимость такого устройства из-за относительной сложности его конструкции выше, чем обычных термометров.
А как измерить температуру с помощью «интернета»? Развитие волоконно-оптических технологий передачи информации ушло так далеко вперёд, что оптоволокно стало основным каналом передачи трафика от локальных сетей до трансатлантических подводных кабелей. Как оказалось, форма сигнала, который передаётся по световоду, зависит от его температуры — это связано с особенностями рассеяния света на стенках оптического волокна. По виду сигнала, прошедшего через весь световод, можно узнать температуру на каждом его участке. К примеру, если вы проложили оптическую линию длиной 100 км, то даже на таком большом протяжении можно зафиксировать изменение температуры на один градус на отметке, скажем, 62 км 350 м.
Такие системы широко применяются в тех областях промышленности, где требуется непрерывный мониторинг температуры на большом протяжении. Огромный плюс — их надёжность и безопасность, к тому же им не страшны электрические и магнитные помехи. Достаточно один раз проложить оптоволоконный кабель, и в течение десятков лет он будет давать информацию о температуре, при этом систему не нужно обслуживать или менять вышедшие из строя датчики. Правда, и стóят подобные системы несравнимо дороже любого другого термометра.
И напоследок расскажем о самых дешёвых способах измерения температуры. Часто для решения многих задач нужно лишь знать, достигла температура заданного значения или нет. Например, обжигаете вы кирпичи в печи либо стерилизуете медицинские инструменты в автоклаве — и в том и в другом случае нужно убедиться, что объект прогрелся до определённой температуры. Чтобы кирпичи не получились по цене золотых слитков, придётся отказаться от идеи воткнуть в каждый из них по термопаре или дежурить сутками у печи с инфракрасным термометром. Для этих целей придуманы так называемые термоиндикаторы — дешёвые одноразовые устройства, единственная задача которых состоит в том, чтобы показать, достигнута требуемая температура или нет. Например, при обжиге глиняных изделий применяются конусы Зегера — небольшие пирамидки, которые меняют свою форму при достижении определённой температуры. Для автоклавной стерилизации применяют специальные индикаторы — полоски бумаги с нанесённым на них веществом, которое меняет цвет при заданной температуре.
А как измерить температуру с помощью «интернета»? Развитие волоконно-оптических технологий передачи информации ушло так далеко вперёд, что оптоволокно стало основным каналом передачи трафика от локальных сетей до трансатлантических подводных кабелей. Как оказалось, форма сигнала, который передаётся по световоду, зависит от его температуры — это связано с особенностями рассеяния света на стенках оптического волокна. По виду сигнала, прошедшего через весь световод, можно узнать температуру на каждом его участке. К примеру, если вы проложили оптическую линию длиной 100 км, то даже на таком большом протяжении можно зафиксировать изменение температуры на один градус на отметке, скажем, 62 км 350 м.
Давайте будем совместно делать уникальный материал еще лучше, и после его прочтения, просим Вас сделать репост в удобную для Вас соц. сеть.
23 Дек 2020 okberemena 217