Termometrar

Vad är en termometer?

En termometer är en enhet som mäter temperatur eller en temperaturgradient (hur varmt eller kallt ett objekt är).

En termometer har två viktiga delar:

1. En temperatursensor (till exempel glödlampan för en glaskvicksilvertermometer eller den pyrometriska sensorn för en infraröd termometer) där en förändring sker med en temperaturförändring.
   
   
2. Ett sätt att konvertera denna förändring till ett digitalt värde (till exempel den synliga skalan som är markerad på en kvicksilvertermometer i glaset eller den digitala avläsningen på en infraröd modell).

Termometrar används ofta inom teknik och industri för att övervaka processer, inom meteorologi, medicin och vetenskaplig forskning. 

Några av termometerns principer var kända för grekiska filosofer för två tusen år sedan. Den italienska läkaren Santorio Santorio (Sanctorius, 1561-1636) krediteras i allmänhet uppfinningen av den första termometern, men standardiseringen slutfördes under 17- och 18-talen. Under de första decennierna av 18-talet i Nederländerna. Daniel Gabriel Fahrenheit gjorde två revolutionerande genombrott i termometrihistorien. Han uppfann glaskvicksilvertermometern (den första allmänt använda, exakta och praktiska termometern) och Fahrenheit-skalan (den första standardiserade temperaturskalan som användes i stor utsträckning).

historia

En infraröd termometer är en slags pyrometer.

Medan en enskild termometer kan mäta värmegrad, kan avläsningarna av två termometrar inte jämföras om de inte uppfyller en överenskommen skala. Idag finns en absolut termodynamisk temperaturskala. Den senaste officiella temperaturskalan är den internationella temperaturskalan 1990.

Termometer med Fahrenheit (° F symbol) och Celsius (° C symbol) enheter.

Precisionen av termometri

År 1714 uppfann den nederländska forskaren och uppfinnaren Daniel Gabriel Fahrenheit den första pålitliga termometern med kvicksilver istället för blandningar av alkohol och vatten. År 1724 föreslog han en temperaturskala som nu (något justerad) bär hans namn. Han kunde göra detta för att han tillverkade termometrar för första gången med kvicksilver (som har en hög expansionskoefficient), och kvaliteten på hans produktion kunde ge en finare skala och större reproducerbarhet, vilket ledde till hans allmänna antagande. År 1742 föreslog Anders Celsius (1701–1744) en skala med noll vid kokpunkten och 100 grader vid fryspunkten för vatten, även om skalan som nu bär hans namn vände om dem.

Den första läkaren som använde termometermätningar i klinisk praxis var Herman Boerhaave (1668–1738).

Termometriska material

Det finns olika typer av empiriska termometrar baserat på materialens egenskaper.

Många empiriska termometrar förlitar sig på det konstitutiva förhållandet mellan trycket, volymen och temperaturen i deras termometriska material. Till exempel expanderar kvicksilver vid uppvärmning.

Om det används för dess förhållande mellan tryck och volym och temperatur måste ett termometriskt material ha tre egenskaper:

1. Uppvärmningen och kylningen måste vara snabb. Det vill säga, när en mängd värme kommer in i eller lämnar en kropp av materialet, måste materialet expandera eller dra sig samman till sin slutliga volym eller nå sitt slutliga tryck och måste nå sin slutliga temperatur praktiskt taget utan dröjsmål; en del av värmen som kommer in kan anses ändra kroppens volym vid konstant temperatur och kallas den latenta expansionsvärmen vid konstant temperatur; och resten kan anses ändra kroppstemperatur vid konstant volym och kallas specifik värme vid konstant volym. Vissa material har inte den här egenskapen och tar lite tid att fördela värmen mellan temperatur- och volymförändringen.
   
   
2. Uppvärmningen och kylningen måste vara reversibel. Det vill säga att materialet måste kunna värmas och kylas på obestämd tid ofta med samma tillväxt och minskning av värme och alltid återgå till sitt ursprungliga tryck, volym och temperatur varje gång.
   
   
3. Uppvärmningen och kylningen måste vara monoton. Det vill säga att den har över hela temperaturområdet för vilket den måste arbeta med ett konstant tryck eller en konstant volym.

Vid temperaturer runt 4 ° C har vatten inte dessa egenskaper, så det beter sig onormalt i detta avseende. Vatten kan därför inte användas som material för denna typ av termometri i temperaturintervaller nära 4 ° C.

Gaser, å andra sidan, har alla dessa egenskaper. Därför är de lämpliga termometriska material, och det är därför de spelade en viktig roll i utvecklingen av termometri.

Primära och sekundära termometrar

En termometer kallas en primär eller sekundär beroende på hur den fysiska bruttomängden den mäter motsvarar en temperatur. För primära termometrar är den uppmätta egenskapen för materia så välkänd att temperaturen kan beräknas utan någon okänd mängd. Exempel på dessa är termometrar baserade på tillståndsekvationen för en gas eller på ljudets hastighet i en gas.

Däremot är "sekundära termometrar de mest använda på grund av deras bekvämlighet. Dessutom är de ofta mycket känsligare än primära termometrar. För sekundära termometrar är kunskapen om den egenskap som mäts inte tillräcklig för att möjliggöra en direkt beräkning av temperatur De måste kalibreras.

Kalibrering

Termometrar kan kalibreras antingen genom att jämföra dem med andra kalibrerade termometrar eller genom att jämföra dem med kända fasta punkter på temperaturskalan. Den mest kända av dessa fasta punkter är smält- och kokpunkterna för rent vatten. (Observera att vattenets kokpunkt varierar beroende på tryck, så detta måste kontrolleras.)

Det enklaste sättet att kalibrera en vätska-i-glas- eller vätska-i-metall-termometer innebar tre steg:

1. Fördjupa avkänningsdelen i en omrörd blandning av ren is och vatten vid atmosfärstryck och markera den angivna punkten när den har uppnått termisk jämvikt.
   
   
2. Sänk avkänningsdelen i ett ångbad vid standardatmosfärstryck och markera den angivna punkten igen.
   
   
3. Dela avståndet mellan dessa märken i lika delar beroende på vilken temperaturskala som används.

Upplösning, precision och reproducerbarhet

La upplösning av en termometer är helt enkelt vilken bråkdel av en grad det är möjligt att ta en avläsning. För högtemperaturarbete kan det vara möjligt att bara mäta inom 10 ° C eller mer. Kliniska termometrar och många elektroniska termometrar är vanligtvis läsbara vid 0,1 ° C. Specialinstrument kan ge avläsningar till tusendels grad. Denna temperaturdisplay betyder dock inte att avläsningen är korrekt eller korrekt, det betyder bara att mycket små förändringar kan observeras.

La noggrannhet av en kalibrerad termometer ges till en känd och korrekt fixpunkt (dvs det ger en sann avläsning) vid den punkten. Mellan fasta kalibreringspunkter görs interpolering vanligtvis linjärt. Detta kan ge betydande skillnader mellan olika typer av termometrar vid punkter långt från fasta punkter. Exempelvis är expansionen av kvicksilver i en glastermometer något annorlunda än motståndsförändringen hos en platinamotståndstermometer, så dessa två kommer inte att vara oense.

La reproducerbarhet är viktigt. Med andra ord, ger samma termometer samma avläsning för samma temperatur? Reproducerbar temperaturmätning innebär att jämförelser är giltiga i vetenskapliga experiment och industriprocesser är konsekventa. Så om samma typ av termometer kalibreras på samma sätt, kommer dess avläsningar att gälla även om de är något felaktiga från den absoluta skalan.

Ett exempel på en referenstermometer som används för att kontrollera andra mot industristandarder skulle vara en platinamotståndstermometer med en digital display vid 0,1 ° C (dess noggrannhet) som har kalibrerats vid 5 punkter (−18, 0, 40, 70, 100 ° C) och vars noggrannhet är ± 0,2 ° C.

Korrekt kalibrerade, manövrerade och underhållna termometrar med flytande glas kan uppnå en mätosäkerhet på ± 0,01 ° C i området 0 till 100 ° C.

tillämpningar

Termometrar använder en rad fysiska effekter för att mäta temperaturen. Temperatursensorer används i en mängd olika vetenskapliga och tekniska tillämpningar, särskilt mätsystem. Temperatursystem är främst elektriska eller mekaniska, ibland oskiljaktiga från systemet de kontrollerar (som i fallet med en glaskvicksilvertermometer). Termometrar används på vägar i kalla klimat för att avgöra om det finns isförhållanden. Inomhus används termistorer i luftkonditioneringssystem som luftkonditioneringsapparater, frysar, kylare, kylskåp och varmvattenberedare. Galileo-termometrar används för att mäta inomhuslufttemperaturen på grund av deras begränsade mätområde.

Dessa flytkristalltermometrar (som använder termokroma flytande kristaller) används också för att mäta vattentemperaturen i akvarier.

Fiber Bragg-gittertemperaturgivare används i kärnkraftverk för att övervaka reaktorkärnans temperaturer och undvika risken för kärnkraftssmältning.

Nanotermometri

Nanotermometri är ett framväxande forskningsområde som handlar om kunskapen om temperatur i submikronskalan. Konventionella termometrar kan inte mäta temperaturen på ett objekt som är mindre än en mikrometer, och nya metoder och material måste användas. Nanotermometri används i sådana fall. 

Kryometri

Termometrar som används speciellt för låga temperaturer.

Medicinsk

Örontermometrar är vanligtvis infraröda termometrar.

Panntermometern är ett exempel på en flytande kristalltermometer.

Rektala och orala termometrar är i allmänhet kvicksilverbaserade, men har sedan dess till stor del ersatts av digitala avläsnings-NTC-termistorer.

Olika termometriska tekniker har använts genom historien från Galileo-termometern till värmebildning. Medicinska termometrar som kvicksilver i glastermometrar, infraröda termometrar, pillertermometrar och flytkristalltermometrar används i vårdinställningar för att avgöra om människor har feber eller är hypotermiska.

Mat och livsmedelssäkerhet

Termometrar är viktiga för livsmedelssäkerheten, där livsmedel vid givna temperaturer kan utsättas för potentiellt skadliga nivåer av bakterietillväxt efter flera timmar, vilket kan leda till livsmedelsburna sjukdomar. Detta inkluderar övervakning av kyltemperaturer och upprätthållande av temperaturen på livsmedel som serveras under värmelampor eller varmvattenbad. Matlagningstermometrar är viktiga för att avgöra om maten är ordentligt tillagad. I synnerhet används kötttermometrar för att hjälpa tillagning av kött till en säker inre temperatur och samtidigt förhindra överkokning. De finns vanligtvis med antingen en bimetallspole eller ett termoelement eller termistor med en digital avläsning. Candytermometrar används för att uppnå en specifik vattenhalt i en sockerlösning baserat på dess koktemperatur.

Miljö

Inomhus-utomhus termometer

Värmemätaren använder en termometer för att mäta värmeflödet.

Termostater använde bimetallremsor, men digitala termistorer har sedan dess blivit populära.

Alkoholtermometrar, infraröda termometrar, inspelningstermometrar och termistorer används i meteorologi och klimatologi på olika nivåer av atmosfären och haven. Flygplan använder termometrar och hygrometrar för att avgöra om atmosfäriska isförhållanden finns längs deras flygväg. Dessa mätningar används för att initialisera väderprognosmodellerna. Termometrar används på vägar i kalla klimat för att avgöra om isförhållanden finns och inomhus i luftkonditioneringssystem.