Таким образом, при выборе термометра крайне важно учитывать условия эксплуатации, чтобы наполнитель всегда оставался в жидком состоянии.
Выбираем термометр Статья
Термометром называют прибор, предназначенный для измерения температуры окружающей среды или поверхности. Известный всем градусник также является термометром, однако стоит отметить, что «градусник» — это всего лишь разговорный термин, не имеющий научного статуса. В наше время существует множество различных типов термометров, и каждый из них обладает своими уникальными характеристиками. Но почему их так много? Ответ на этот вопрос довольно прост: различия в принципах работы и особенностях конструкции позволяют добиться более точных результатов измерения температуры в различных условиях. Например, когда мы измеряем температуру человеческого тела, мы ориентируемся на изменения в пределах нескольких градусов. В противоположность этому, при измерении температуры на улице мы говорим о диапазонах в десятки градусов. И если необходимо замерить температуру в духовке, то диапазон может достигать и сотни градусов. Следовательно, один и тот же термометр не подойдёт для всех этих задач — потребуется использование различных типов приборов.
На самом деле, выбор термометра не представляет особой сложности, если не учитывать специализированные устройства, которые в данной статье рассматриваться не будут. В общем-то, в выборе руководствуются назначением прибора — ничего сложного здесь нет. Однако даже при таком подходе могут возникнуть трудности, поскольку на сегодняшний день доступно множество различных моделей термометров, и не всегда очевидно, какой из них будет предпочтительнее. Вот почему мы решили подготовить эту статью, в которой подробно освещаются основные аспекты выбора термометров. Классифицировать их можно по различным критериям, но мы сосредоточимся на двух наиболее популярных: принципу действия и материалу (конструкции). Понимание различий между термометрами в рамках этих категорий поможет вам подобрать наиболее подходящий вариант — как с точки зрения точности измерения, так и с точки зрения стоимости. Ведь не всегда высокая цена является показателем нужного качества.
Классификация термометров по материалу
Когда мы обсуждаем классификацию термометров по материалу, мы имеем в виду не материалы корпуса, а наполнители, используемые для измерения температуры. В данной категории существует несколько вариантов, каждый из которых обладает своими основными характеристиками, о которых следует знать.
Жидкостные
Жидкостные термометры — это самый традиционный тип, чья работа основана на изменении объёма жидкости в зависимости от температуры. Например, всем известный ртутный термометр является разновидностью жидкостного прибора, но нередко используются и другие жидкости. Кстати, стоит отметить, что с 2020 года в большинстве стран прекращено производство ртутных термометров и использование ртути в разных областях согласно Минаматской конвенции, так как это вещество ядовито и опасно для здоровья. Но вернемся к термометрам.
Устройство жидкостных термометров предельно простое — это их первый плюс. Но простота устройства не всегда подразумевает низкую стоимость; многое зависит от используемых материалов. Второй плюс заключается в возможности подбора оптимального наполнителя для практически любого диапазона температур. Например, если требуется измерить высокие температуры, то чаще всего выполняется выбор галлия в качестве жидкостного наполнителя. Точность измерения достаточно высока, однако стоит учесть, что с увеличением диапазона погрешность может также возрасти — это связано со спецификой самой шкалы. Вспоминая пример из начала статьи, можно заметить, что в измерениях духовки допустимые погрешности в пять или даже десять градусов не являются критичными, в то время как при измерении температуры человеческого тела важно сохранять точность до десятых долей градуса, что и бывает в действительности.
Однако, у жидкостных термометров есть и свои минусы. В первую очередь, это опасность используемых жидкостей: о ртути мы уже упоминали, но и другие наполнители могут представлять потенциальную угрозу, хоть и менее опасны. Кроме того, чаще всего такая жидкость помещается в стеклянную колбу, что требует осторожного обращения. Также жидкостные термометры не подойдут для измерения экстремально высоких или низких температур и неэффективны для точных измерений в очень широком диапазоне (как показано в примере с духовкой). Им необходимо время для реакции на изменения температуры окружающей среды, что в определенных случаях может оказаться значительным недостатком. Тем не менее, жидкостные термометры продолжают использоваться и будут использоваться в будущем благодаря своей простоте и доступности.
Механические
Принцип действия механических термометров схож с жидкостными, однако они используют металлические спирали или биметаллические ленты вместо жидкости. Да, именно те приборы, которые вы ставите в духовку, являются механическими термометрами, и принцип их работы аналогичен предыдущему типу — с изменением температуры металл деформируется. Они обладают циферблатом со стрелкой и внешне напоминают аналоговые часы. Главные преимущества таких термометров заключаются в их низкой стоимости и высокой надежности — сломать их намного труднее, чем жидкостные термометры. В случае поломки механический термометр просто перестанет работать, что не создаёт угрозы для здоровья.
Однако существуют и недостатки. Первым из них является низкая скорость измерения, которая зависит от свойств применяемых металлов. Вторым недостатком является точность измерения, которая также сопоставима с жидкостными термометрами. Чем шире диапазон измерений, тем ниже точность, и, конечно, есть пределы, как в высоких, так и в низких температурах, при которых этот прибор не будет функционировать.
Жидкостный термометр
Жидкостный термометр — это известное многим устройство, которое можно встретить практически повсеместно. Эти термометры могут делиться на бытовые и технические (например, технические жидкостные термометры – ТТЖ). В их работе заложен простой принцип: когда температура изменяется, изменяется и объем жидкости внутри термометра. При повышении температуры жидкость расширяется и поднимается вверх, в то время как при понижении – наоборот, она сжимается. Обычно в жидкостных термометрах используются либо спирт, либо ртуть.
Дополнительно можно рассмотреть и манометрические термометры, которые работают по принципу изменения давления газа, пара или жидкости в замкнутом объеме, зависящих от температуры. Манометрический термометр состоит из манометра, термобаллона и гибкого капилляра. Манометрические термометры можно классифицировать по используемым заполнителям на газовые (ТПГ, ТДГ), жидкостные (ТПЖ, ТДЖ) и парожидкостные (ТПП). Они способны измерять температуру в диапазоне от -60 до +600°С, что позволяет их использовать в опасных условиях.
В рабочем состоянии термобаллон манометрического термометра размещается в измеряемой среде. При нагреве давление внутри замкнутого объема термобаллона увеличивается, и это значение измеряется манометром. Шкала манометра проградуирована в градусах Цельсия, и они могут использоваться в потенциально опасных помещениях.
Термометр сопротивления
Термометры сопротивления функционируют благодаря принципу изменения электрического сопротивления вещества в зависимости от температуры. В частности, в металлических термометрах с повышением температуры сопротивление увеличивается почти линейно. В полупроводниковых термометрах протекает обратный процесс — сопротивление уменьшается.
Металлические термометры сопротивления обычно изготавливаются с использованием тонкой медной или платиновой проволоки, помещенной в электроизоляционный корпус.
Назначение
Сфера применения жидкостных термометров довольно разнообразна, но в каждом конкретном случае необходимо выбирать прибор, рассчитанный на определённые задачи. Наиболее часто встречаются следующие варианты устройств:
- Для помещений с контролем температуры – как правило, это спиртовые устройства, предназначенные для измерения температуры в помещениях, где находятся люди, а также на улице в регионах с умеренными климатическими условиями. Часто такие приборы имеют диапазон от -50 до +50 градусов;
- Для измерения температуры во время готовки – оснащены только положительной температурной шкалой, от уровня комнатной температуры до максимума, который может достигать печь или духовка. Эти термометры необходимы для создания условий, при которых готовимые продукты могут быть доведены до оптимальных кулинарных кондиций;
- Для систем отопления – также имеют лишь положительную шкалу, рассчитанную примерно до 70-80 градусов, и используются для определения температуры теплоносителя, необходимой для успешного обогрева помещения, но недостаточной для нормального функционирования устройства;
- Технический – предназначен для измерения температур в различных условиях, теоретически обладая наиболее широким диапазоном измерений. Однако такой термометр может быть специально сконструирован для узких задач, что уменьшает шкалу и повышает точность измерений.
Принцип действия и устройство
Жидкостный термометр функционирует на основе физического закона, согласно которому многие вещества расширяются при нагреве. Наполнение вертикального капилляра производится с использованием жидкостей, обладающих относительно стабильным коэффициентом расширения. Кроме основной жидкости, которая изменяет свои объемы под воздействием температурных изменений, в колбе отсутствует воздух, что способствует свободному поведению наполнителя при расширении. В противном случае газ мог бы замедлять процесс расширения.
Существует множество вариантов наполнителей — среди наиболее известных можно упомянуть этиловый спирт и ртуть, однако также используются такие органические жидкости, как толуол, керосин, петролейный эфир или пентан. У каждого из этих веществ имеются специфические характеристики, и выбор наполнителя обычно основывается на разнице температур замерзания и испарения.
Таким образом, при выборе термометра важно учитывать условия, в которых он будет использоваться, чтобы наполнитель мог оставаться в жидком состоянии.
Что касается шкалы, она также адаптирована под нужды, ради которых был создан данный тип термометра. Например, в нашей стране распространены бытовые термометры, предназначенные для измерения температуры в помещениях или на улице, у которых шкала отмечена в градусах Цельсия, а измеряемый диапазон, как правило, соответствует климатическим условиям региона или типичным комнатным температурам. В то же время многие англоязычные страны используют шкалу Фаренгейта для тех же задач — при необходимости проведенный переход в градусы Цельсия возможен, но в некоторых случаях предпочтительнее работать именно с этой системой. Кроме того, медицинские и ветеринарные ртутные термометры оборудованы шкалой, размеченной с точностью до десятых долей градуса, что позволяет добиваться высокой точности в измерениях.
Стоит заметить, что расстояние между делениями на шкале не обязательно фиксировано — оно зависит от внутреннего диаметра трубки, заполненной термометрической жидкостью. Как правило, чем толще трубка, тем больше будет интервал между метками на шкале, хотя данная закономерность действительна только для одного и того же наполнителя.
Электрические
Электрические термометры функционируют на основе зависимости сопротивления проводника от температуры. Известно, что сопротивление большинства металлов линейно связано с их температурой. Для достижения более точных измерений возможен переход к полупроводникам, однако из-за отсутствия линейной зависимости между характеристиками полупроводников и температурой в этих приборах полупроводники практически не используются, что делает невозможным их точную градуировку.
В качестве проводников обычно используется медь, которая позволяет измерять температуру в диапазоне от -50 до +180 градусов. Если же в качестве рабочего механизма выбрать, например, платину, диапазон её температуры значительно расширяется и может составить от -200 до +750 градусов. Такие электрические тепловые датчики активно используются в лабораториях, на экспериментальных установках или же в производственном процессе.
Оптические
Оптические измерительные устройства, или пирометры, позволяют определять температуру тела по уровню его светимости, анализируя спектр и некоторые другие характеристики. Это бесконтактные приборы, которые способны обеспечивать измерение температур с высокой точностью — до нескольких градусов — в весьма широком диапазоне, от 100 до 3000 градусов. На практике чаще всего встречаются инфракрасные бытовые термометры. Такие устройства крайне удобны, так как позволяют быстро, точно и безопасно определять температуру тела человека.
Существуют также более сложные устройства для измерения температур, такие как волоконно-оптические или термоэлектрические термометры. Эти приборы отличаются высокой чувствительностью и способны обеспечивать результаты измерений с минимальными погрешностями.
Методические разработки к Вашему уроку:
Описание презентации по отдельным слайдам:
1 слайд Жидкостный термометр
Презентация по физике
Выполнил: Коробов В. В. Учитель физики, МОУ СОШ №3 р. п. Средняя Ахтуба, Волгоградская область
2 слайд Жидкостные термометры распространены повсеместно: их можно встретить как в быту, так и на производстве. Схема работы устройства проста: измеряется объем жидкости при изменении температуры: при повышении температуры жидкость расширяется, а при ее снижении – сжимается, и уровень опускается вниз.
3 слайд Особенности
устройства
Жидкостный термометр, как говорилось ранее, представляет собой устройство для измерения температуры, которое функционирует благодаря использованию жидкости – тепловое расширение вещества и его сокращение определяет текущую температуру. Возможно, вы не знали, что данный прибор называется именно так, однако узкий и тонкий, вертикально ориентированный прозрачный резервуар из стекла или кварца вы встречали множество раз. Внутри него находится столбик подкрашенной жидкости, уровень которого изменяется в зависимости от температуры окружающей среды. К резервуару крепится шкала с отметками, позволяющая преобразовать результат измерений в градусы.
4 слайд Составляющее капилляра термометра должно быть указано в регистрационном удостоверении, так как утечка спирта, часто используемого как наполнитель, представляет меньшую угрозу, чем утечка ртути, которая является весьма опасной. В соответствии с ГОСТ, использование обоих вариантов наполнителей разрешено, как и эксперименты с другими жидкостями, однако пользователь обязан знать состав, чтобы адекватно подготовиться к возможной утечке.
5 слайд Жидкостные термометры по праву считаются одними из лучших. Во-первых, они основаны на простых физических принципах, не требуя при этом источника питания. Во-вторых, ртутный вариант термометра отличается минимальной термометрической погрешностью, которая составляет не более 0,1 градуса. Кроме того, все жидкостные термометры имеют низкую стоимость, они легки в обслуживании, а при соблюдении правил эксплуатации могут служить десятилетиями. При этом диапазон измеряемых температур может разниться в зависимости от используемой жидкости — от -200 до +750 градусов!
При этом выбор модели даёт возможность более точно определять температуру в определённом температурном диапазоне — например, от 1 до 100 градусов (для водяныхз термометров), от 30 до 40 градусов (для медицинских термометров), или более 150 градусов (промышленные термометры).
Минусы у жидкостных термометров также имеются. Однажды в процессе работы такая термометрическая система оказалась подверженной ряду ограничений, например, от внешних факторов и качества используемого наполнителя, который может отрицательно сказываться на результатах измерений или принудительно ограничивать диапазон. Не забывайте следить за условием использования таких изделий, чтобы обеспечить их оптимальную работу.
