Jak termometr mierzy temperaturę powietrza?

Andreas Müller / EyeEm / Getty Images

Jak ciepło jest na zewnątrz? Jak zimno będzie dziś wieczorem? Termometr – przyrząd do pomiaru powietrzatemperatura— łatwo nam to mówi, ale jak nam to mówi, to zupełnie inna kwestia.

Aby zrozumieć, jak działa termometr, musimy pamiętać z fizyki o jednej rzeczy: ciecz zwiększa swoją objętość (ilość zajmowanego przez nią miejsca), gdy jej temperatura się ociepla, i zmniejsza objętość, gdy jej temperatura spada.

Gdy termometr jest wystawiony na działanie atmosfera , temperatura otaczającego powietrza przeniknie go, ostatecznie równoważąc temperaturę termometru z jego własną - proces, którego fantazyjna nazwa naukowa to „równowaga termodynamiczna”. Jeśli termometr i ciecz w środku muszą się ogrzać, aby osiągnąć tę równowagę, ciecz (która po podgrzaniu zajmie więcej miejsca) uniesie się, ponieważ jest uwięziona w wąskiej rurce i nie ma dokąd pójść, ale w górę. Podobnie, jeśli ciecz termometru musi ostygnąć, aby osiągnąć temperaturę powietrza, ciecz zmniejszy swoją objętość i opadnie w dół rurki. Gdy temperatura termometru zrównoważy się z temperaturą otaczającego powietrza, jego ciecz przestanie się poruszać.

Fizyczne unoszenie się i opadanie cieczy wewnątrz termometru to tylko część tego, co sprawia, że ​​działa. Tak, ta akcja mówi ci, że następuje zmiana temperatury, ale bez skali numerycznej do jej oceny ilościowej nie będziesz w stanie zmierzyć, jaka jest zmiana temperatury. W ten sposób temperatury przymocowane do szkła termometru odgrywają kluczową (choć pasywną) rolę.

Kto to wymyślił: Fahrenheit czy Galileo?

Jeśli chodzi o pytanie, kto wynalazł termometr, lista nazwisk nie ma końca. To dlatego, że termometr rozwinął się z kompilacji pomysłów od XVI do XVIII wieku, począwszy od końca XVI wieku, kiedy Galileo Galilei opracowali urządzenie wykorzystujące napełnioną wodą szklaną rurkę z obciążonymi szklanymi bojami, które unosiły się wysoko w rurce lub opadały w zależności od gorąca lub zimna powietrza na zewnątrz (coś w rodzaju lampy lawowej). Jego wynalazek był pierwszym na świecie „termoskopem”.

Na początku XVII wieku wenecki naukowiec i przyjaciel Galileusz , Santorio, dodał skalę do termoskopu Galileusza, aby można było interpretować wartość zmiany temperatury. W ten sposób wynalazł pierwszy na świecie prymitywny termometr. Termometr nie przybrał kształtu, którego używamy dzisiaj, dopóki Ferdinando I de' Medici nie przeprojektował go na szczelną rurkę z żarówką i trzonem (i wypełnioną alkoholem) w połowie XVI wieku. Wreszcie w latach dwudziestych XVIII wieku Fahrenheita wziął ten projekt i „ulepszył go”, kiedy zaczął używać rtęci (zamiast alkoholu lub wody) i przymocował do niego własną skalę temperatury. Dzięki zastosowaniu rtęci (która ma niższą temperaturę zamarzania i której rozszerzanie się i kurczenie jest bardziej widoczne niż wody czy alkoholu), termometr Fahrenheita umożliwił obserwację temperatur poniżej zera i dokładniejsze pomiary. I tak model Fahrenheita został uznany za najlepszy.

Jakiego termometru pogodowego używasz?

Wliczając szklany termometr Fahrenheita, istnieją 4 główne typy termometrów używanych do pomiaru temperatury powietrza:

Płyn w szkle. Nazywane również termometry bańkowe , te podstawowe termometry są nadal używane w stacjach pogodowych Stevenson Screen w całym kraju przez Krajowa Służba Pogodowa Współpracujący obserwatorzy pogody podczas codziennych obserwacji maksymalnej i minimalnej temperatury. Są one wykonane ze szklanej rurki („trzonki”) z okrągłą komorą („żarówką”) na jednym końcu, w której znajduje się ciecz używana do pomiaru temperatury. Wraz ze zmianą temperatury objętość cieczy rozszerza się, powodując jej wspinanie się w głąb łodygi; lub kurczy się, zmuszając go do wycofania się z łodygi w kierunku cebulki.

Nienawidzisz, jak kruche są te staromodne termometry? Ich szkło jest celowo bardzo cienkie. Im cieńsze szkło, tym mniej materiału, przez który przechodzi ciepło lub zimno, i tym szybciej płyn reaguje na to ciepło lub zimno — to znaczy mniejsze opóźnienie.

Bimetaliczny lub sprężynowy. Termometr tarczowy zamontowany w domu, stodole lub na podwórku jest rodzajem termometru bimetalowego. (Twoje termometry piekarnika i lodówki oraz termostat pieca to również inne przykłady.) Wykorzystuje pasek dwóch różnych metali (zwykle stali i miedzi), które rozszerzają się w różnym tempie, aby wyczuć temperaturę. Dwie różne szybkości rozszerzania się metali zmuszają taśmę do zginania się w jedną stronę, jeśli zostanie podgrzana powyżej jej temperatury początkowej, i w przeciwnym kierunku, jeśli zostanie schłodzona poniżej tej temperatury. Temperaturę można określić na podstawie stopnia wygięcia taśmy/zwoju.

Termoelektryczny. Termometry termoelektryczne to urządzenia cyfrowe, które wykorzystują czujnik elektroniczny (zwany „termistorem”) do generowania napięcie elektryczne . Gdy prąd elektryczny płynie wzdłuż przewodu, jego opór elektryczny zmienia się wraz ze zmianą temperatury. Mierząc tę ​​zmianę rezystancji, można obliczyć temperaturę.

W przeciwieństwie do swoich szklanych i bimetalicznych kuzynów, termometry termoelektryczne są wytrzymałe, szybko reagują i nie muszą być odczytywane przez ludzkie oczy, co czyni je idealnymi do zautomatyzowanego użytku. Dlatego są termometrami wybieranymi do automatycznych lotniskowych stacji pogodowych. (Narodowa Służba Pogodowa wykorzystuje dane z tych stacji AWOS i ASOS, aby podać aktualne lokalne temperatury.) Bezprzewodowe osobiste stacje pogodowe również wykorzystują technikę termoelektryczną.

Podczerwień. Termometry na podczerwień są w stanie mierzyć temperaturę na odległość, wykrywając, ile energii cieplnej (w niewidzialnej długości fali podczerwieni widma światła) obiekt wydziela i obliczając z niego temperaturę. Zdjęcia satelitarne w podczerwieni (IR) —która pokazuje najwyższą i najzimniejszą chmury jako jasne białe i niskie, ciepłe chmury jako szare – można je traktować jako rodzaj termometru chmurowego.

Teraz, gdy wiesz, jak działa termometr, obserwuj go uważnie o tych porach każdego dnia, aby zobaczyć, jaka będzie najwyższa i najniższa temperatura powietrza .

Źródła:

• Srivastava, Gyan P. Powierzchniowe przyrządy meteorologiczne i praktyki pomiarowe. Nowe Delhi: Atlantyk, 2008.