Kako termometer meri temperaturo zraka?

Andreas Müller / EyeEm / Getty Images

Kako toplo je zunaj? Kako hladno bo nocoj? Termometer - instrument za merjenje zrakatemperatura— nam to zlahka pove, toda kako nam pove, je povsem drugo vprašanje.

Da bi razumeli, kako deluje termometer, moramo imeti v mislih eno stvar iz fizike: da se prostornina tekočine razširi (količina prostora, ki jo zavzame), ko se njena temperatura segreje, in zmanjša prostornino, ko se njena temperatura ohladi.

Ko je termometer izpostavljen ozračje , bo temperatura okoliškega zraka prežemala vanj in sčasoma uravnovesila temperaturo termometra s svojo temperaturo – proces, katerega modno znanstveno ime je 'termodinamično ravnovesje'. Če se morata termometer in njegova tekočina segreti, da dosežeta to ravnovesje, se bo tekočina (ki bo segreta zavzela več prostora) dvignila, ker je ujeta v ozki cevi in ​​nima kam iti, kot navzgor. Podobno, če se mora tekočina v termometru ohladiti, da doseže temperaturo zraka, se bo prostornina tekočine zmanjšala in spustila po cevi. Ko se temperatura termometra uravnoteži s temperaturo okoliškega zraka, se njegova tekočina neha premikati.

Fizično dviganje in spuščanje tekočine v termometru je le del njegovega delovanja. Da, to dejanje vam pove, da prihaja do spremembe temperature, vendar brez numerične lestvice, ki bi to količinsko opredelila, ne bi mogli izmeriti, kakšna je sprememba temperature. Na ta način imajo temperature, pritrjene na steklo termometra, ključno (čeprav pasivno) vlogo.

Kdo ga je izumil: Fahrenheit ali Galileo?

Ko gre za vprašanje, kdo je izumil termometer, je seznam imen neskončen. To je zato, ker se je termometer razvil iz zbirke idej skozi 16. do 18. stoletje, začenši v poznih 16. stoletjih, ko Galileo Galilei razvili napravo, ki uporablja z vodo napolnjeno stekleno cev z uteženimi steklenimi bojami, ki bi lebdele visoko v cevi ali se potopile glede na vročino ali hladnost zraka zunaj nje (nekako kot lava svetilka). Njegov izum je bil prvi 'termoskop' na svetu.

V začetku 16. stoletja je beneški znanstvenik in prijatelj Galileo , Santorio, je Galilejevemu termoskopu dodal lestvico, da bi lahko interpretirali vrednost temperaturne spremembe. Pri tem je izumil prvi primitivni termometer na svetu. Termometer ni prevzel oblike, ki jo uporabljamo danes, dokler ga Ferdinando I. de' Medici sredi 17. stoletja ni preoblikoval kot zaprto cev z mehurčkom in steblom (ter napolnjeno z alkoholom). Končno, v 1720-ih, Fahrenheit vzel ta dizajn in ga 'izboljšal', ko je začel uporabljati živo srebro (namesto alkohola ali vode) in nanj pritrdil lastno temperaturno lestvico. Z uporabo živega srebra (ki ima nižje ledišče in katerega širjenje in krčenje je bolj vidno kot pri vodi ali alkoholu) je Fahrenheitov termometer omogočil opazovanje temperatur pod lediščem in opazovanje natančnejših meritev. In tako je bil Fahrenheitov model sprejet kot najboljši.

Kakšen vremenski termometer uporabljate?

Vključno s Fahrenheitovim steklenim termometrom obstajajo 4 glavne vrste termometrov, ki se uporabljajo za merjenje temperature zraka:

Tekočina v steklu. Imenuje se tudi termometri z žarnico , se ti osnovni termometri še vedno uporabljajo v vremenskih postajah Stevenson Screen po vsej državi Nacionalna meteorološka služba Kooperativni vremenski opazovalci pri opazovanju dnevnih najvišjih in najnižjih temperatur. Narejeni so iz steklene cevi ('stebla') z okroglo komoro ('žarnica') na enem koncu, v kateri je tekočina, ki se uporablja za merjenje temperature. Ko se temperatura spremeni, se prostornina tekočine poveča, kar povzroči, da se povzpne v steblo; ali se skrči, zaradi česar se skrči nazaj iz stebla proti čebulici.

Sovražite, kako krhki so ti staromodni termometri? Njihovo steklo je pravzaprav namenoma zelo tanko. Tanjše kot je steklo, manj je materiala, skozi katerega lahko prehaja toplota ali mraz, in hitreje se tekočina odzove na to toploto ali mraz – to pomeni, da je zakasnitev manjša.

Bimetalni ali vzmetni. Termometer s številčnico, nameščen na vaši hiši, hlevu ali na dvorišču, je vrsta bimetalnega termometra. (Termometri za pečico in hladilnik ter termostat za peč so tudi drugi primeri.) Uporablja trak dveh različnih kovin (običajno jekla in bakra), ki se raztezata z različnimi hitrostmi, da zaznata temperaturo. Dve različni hitrosti raztezanja kovin prisilita trak, da se upogne v eno smer, če je segret nad začetno temperaturo, in v nasprotni smeri, če je ohlajen pod njo. Temperaturo je mogoče določiti s tem, koliko je trak/tuljava upognjena.

Termoelektrični. Termoelektrični termometri so digitalne naprave, ki uporabljajo elektronski senzor (imenovan 'termistor') za ustvarjanje električna napetost . Ko električni tok potuje po žici, se njen električni upor spreminja s spremembo temperature. Z merjenjem te spremembe upora je mogoče izračunati temperaturo.

Za razliko od svojih steklenih in bimetalnih sorodnikov so termoelektrični termometri robustni, hitro se odzivajo in jih ni treba brati človeškim očem, zaradi česar so popolni za avtomatizirano uporabo. Zato so izbrani termometri za avtomatizirane letališke vremenske postaje. (Državna meteorološka služba uporablja podatke teh postaj AWOS in ASOS, da vam prikaže vaše trenutne lokalne temperature.) Brezžične osebne vremenske postaje uporabljajo tudi termoelektrično tehniko.

Infrardeči. Infrardeči termometri lahko merijo temperaturo na daljavo tako, da zaznajo, koliko toplotne energije (v nevidni infrardeči valovni dolžini svetlobnega spektra) oddaja predmet, in na podlagi tega izračunajo temperaturo. Infrardeči (IR) satelitski posnetki — ki prikazuje najvišje in najhladnejše oblaki kot svetlo belo in nizke, tople oblake kot sive – lahko si jih predstavljamo kot nekakšen termometer za oblake.

Zdaj, ko veste, kako deluje termometer, vsak dan ga pozorno opazujte ob teh urah, da vidite, kakšne bodo vaše najvišje in najnižje temperature zraka .

Viri:

• Srivastava, Gyan P. Površinski meteorološki instrumenti in merilne prakse. New Delhi: Atlantic, 2008.