Что такое термометр? Если вы интересуетесь этим вопросом и хотите найти на него простой и понятный ответ, то добро пожаловать! Специально для вас мы написали данную публикацию, в которой в полной мере освещается эта тема.
Дабы понять, что такое термометр, для начала необходимо окунуться в дебри истории. Думаем, предоставленная ниже информация будет очень полезна для общего развития.
С греческого языка слово "термометр" переводится как "измерять тепло". Первым прототипом данного приспособления был термоскоп, и создал его небезызвестный Галилео Галилей в 1957 году. Это изобретение представляло собой небольшой шарик с приделанной ручкой. Его использовали для определения температуры жидкости. Термоскоп хоть и можно назвать первым термометром, но по конструкции он сильно отличался от своих современных аналогов. Его показания напрямую зависели от атмосферного давления, а не от ртутной шкалы.
С развитием научного прогресса менялся и сам термометр. В 1667 году, через 110 лет после изобретения термоскопа, впервые был упомянут жидкостный термометр, а в 1742 году физик из Швеции Цельсий изобрел термометр со шкалой, в которой точка "0" обозначала температуру замерзания жидкости, а точка "100" - температуру ее кипения.
Перевод и определение слова "термометр" вам уже известны, теперь пришло время поговорить о существующих разновидностях этого прибора. Всего есть семь видов термометра, и каждому из них мы посвятим свой абзац.
Данный прибор действует за счет эффекта расширения жидкости во время ее нагревания. Самым известным жидкостным термометром является ртутный. Его часто использует в медицине для измерения температуры тела. Несмотря на то что ртуть является очень токсичным и опасным веществом, она способна наиболее точно определять температуру тела (чего нельзя сказать про другие жидкости).
Термометры на спирту активно используются в метеорологии. "Почему не ртутные?" - наверняка спросите вы. А дело в том, что, когда температура воздуха достигает 38 градусов по Цельсию, ртуть внутри прибора начинает приобретать густую форму, из-за чего тот перестает работать.
Что такое термометр жидкостный? Думаем, на этот вопрос нам удалось дать емкий и информативный ответ. Теперь поговорим о газовых термометрах, которые работают практически по тому же принципу, что и жидкостные. Единственным отличием между ними является то, что газовые термометры используют инертный газ вместо жидкости. Диапазон таких приборов составляет от 271 градуса по Цельсию до 1000 градусов по Цельсию. Как правило, газовые термометры используются для первичного измерения температуры того или иного вещества.
Он работает примерно по тому же принципу, что и его ранее упомянутые аналоги. Температура в нем определяется за счет расширения ленточки из биометалла и металлической спирали. Такого рода приборы отличаются простотой в использовании и хорошей надежностью. Зачастую их используют в системах автоматизации и сигнализациях.
Основой работы данного термометра является зависимость проводника от температуры. Для создания этих приборов используют металлы. Такого рода термометры зачастую используются на экспериментальных стендах, в лабораториях и на производстве.
Термопара - это контакт, через который при изменении температуры начинает проходить ток. К плюсам термоэлектрических термометров стоит отнести широкий диапазон измерений, простоту в использовании и возможность заземления спая. Но, к сожалению, не обошлось и без минусов. Со временем термопара может заржаветь или подвергнуться другим химическим процессам, способным навредить термометру. Термопары с электродами из золота, палладия или какого-либо другого благородного металла обладают максимальной точностью.
Что такое волоконно-оптический термометр? Это датчик, в основе которого находится оптоволокно. Данные приборы очень хорошо реагируют на любые, даже малейшие изменения в погоде. Их активно используют на производствах для обеспечения безопасности.
Главным отличием инфракрасного термометра от всех предыдущих является то, что он работает бесконтактно. Зачастую их используют на производствах, но в последнее время их все чаще стали применять в медицинских целях. В этом нет ничего удивительного: пирометры более безопасны, чем стандартные ртутные градусники, а также они тратят меньше времени на измерение температуры.
Значение слова "градусник", как ни странно, часто становится предметом обсуждений среди многих людей. Кто-то считает, что градусник и термометр - это один и тот же прибор, а кто-то уверен в обратном. Давайте разъясним все раз и навсегда: градусник - это то же самое, что и термометр! Градусник - это просто разговорное наименование термометра, прижившееся в народе. Поняли? Идем дальше.
Мы уже обсудили с вами, что означает слово термометр, и какими бывают его виды, но до сих пор не поговорили об одной не менее важной теме - безопасности. Иногда бывает так: человек начал плохо себя чувствовать и решил проверить температуру своего тела. Он достает свою домашнюю аптечку, берет градусник и случайно роняет его на пол. В итоге этот прибор разбивается, а токсичное вещество ртуть оказывается на его полу.
Если вы случайно разбили термометр и не хотите отравиться ядовитыми парами ртути, обязательно следуйте таким указаниям:
На самом деле синонимов к слову термометр существует немного, а те, что есть, уже неоднократно звучали в данной статье. Но для закрепления материала мы повторим их еще раз:
В нашем столетии очень тяжело представить жизнь без термометра. Это универсальное устройство по праву считается незаменимым и единственным в своем роде. Оно неоднократно встречается в быту, и без него уже практически нельзя обойтись. Выбор термометра в первую очередь зависит от сферы его использования, размеров и точности.
Надеемся, что информация, предоставленная в данной статье, вам помогла и вы узнали много нового.
Наверное, каждый из нас сталкивался с ситуацией, когда измерения повышенной из-за болезни температуры дают довольно неоднозначные результаты: то показания термометра слишком высоки, в то время как самочувствие не кажется таким уж плохим, то, наоборот, мы подозреваем градусник в приуменьшении серьезности ситуации.
Все может стать еще более запутанным, если измерять температуру термометрами нескольких типов: ртутным, электронным или инфракрасным (который также называется электронным бесконтактным термометром).
В инструкциях, прилагаемых к градусникам, можно найти информацию о том, что погрешность ртутного и электронного термометров составляет 0,1 °C, у инфракрасных чуть больше — 0,2-0,3 °C. Однако можно натолкнуться и на отзывы людей, которые пишут: погрешность электронного градусника иногда доходит до 0,5 °C. Отдел науки решил разобраться, действительно ли самым точным является ртутный термометр, принцип действия которого основан на тепловом расширении ртути, а также понять, как правильно пользоваться электронными приборами для измерения температуры, обратившись к эксперту и поставив собственный эксперимент.
На вопросы ответил Владимир Седых, коммерческий директор одной из фирм, производящей термометры .
— Можно ли утверждать, что ртутные термометры точнее электронных?
— Нет. Электронные термометры по точности не отличаются от ртутных: погрешность измерений обоих термометров составляет 0,1°C. Проблема электронных термометров в том, что для эффективного измерения температуры градусник должен очень плотно прилегать к поверхности тела, поэтому использовать его желательно в оральном или анальном отверстиях.
Практически все электронные термометры предназначены для измерения температуры тела человека оральным или анальным способами, но в России такой метод измерения непопулярен.
При использовании электронных термометров очень важно соблюдать нужное время измерения. В инструкции часто пишут: время измерения — 10 секунд. Но выдерживать его надо не менее 5 минут. Обычно термометр, когда снимает первое значение, издает характерный писк. После этого писка его лучше подержать еще пару минут.
— Но если электронный прибор определяет температуру почти мгновенно, зачем держать его несколько минут?
— Ртутный и электронный термометры снимают разную температуру: ртутный показывает максимальную температуру за определенный промежуток времени. (То есть, если вы его держите пять минут, он покажет максимальную температуру, которая у вас была в течение этих пяти минут.) Электронный термометр снимает температуру за считаные секунды, а держать несколько минут его нужно для того, чтобы он усреднил полученное значение. Стоит помнить, что температура тела любого человека может даже в течение минуты колебаться на достаточно большие значения — до 1°C.
— Что-нибудь еще может помешать точности данных, полученных при помощи электроники?
— На работу электронных термометров влияет еще один фактор — падение напряжения в элементах питания. Как правило, все батарейки служат в среднем около двух лет, если не поменять батарейку вовремя, то термометр начнет «врать». Как почти все измерительные приборы (например, тонометры), градусники имеют межповерочный интервал, как правило, это один-два года. А стеклянный термометр не поверяется в течение всего срока службы! Поэтому все электронные термометры должны проходить процедуру проверки не реже чем один раз в год, для некоторых изделий — один раз в два года. Это должно быть указано в техническом паспорте изделия. Производители обычно пишут: гарантия на термометр — столько-то лет. Но если читать внимательно инструкцию, там будет сказано:
чтобы эта гарантия сохранялась и чтобы прибор в течение срока гарантии показывал точную температуру, его надо регулярно привозить или в сервисный центр фирмы-производителя, или банально в метрологическую службу.
Стоимость проверки, а точнее поверки (метрологический термин), одного электронного термометра может доходить до 1 тыс. руб.
— А какими преимуществами обладает стеклянный термометр по сравнению с электронным?
— В отличии от электронного термометра, срок службы стеклянного термометра не ограничен — разумеется, при отсутствии механических повреждений. Если им бережно пользоваться, то он будет служить, можно сказать, вечно. Точность термометра не изменяется с годами, он герметичен, водонепроницаем, антиаллергенен, не требует замены элементов питания. Единственный минус старого ртутного термометра — это ртуть, а точнее, пары ртути. В Европе такие запрещены, и там давно используют стеклянные термометры без ртути. Совсем недавно такие появились и в России. В стеклянных термометрах нового образца
вместо ртути используется нетоксичный сплав металлов, состоящий из галлия, индия и олова. Такой термометр экологически чистый, безопасный, нетоксичный.
— А что вы можете сказать об электронных бесконтактных термометрах — инфракрасных?
— С инфракрасными термометрами нельзя достигнуть точности ± 0,1 °C, потому что луч, измеряющий температуру, проходит через воздушные потоки: кондиционер, обогреватель, лоб у вас влажный — все это влияет на результат измерений. Я, конечно, не могу утверждать стопроцентно, но я видел огромное количество инфракрасных термометров, и ни одного с погрешностью ± 0,1 °C не видел. Лучший показатель — это ± 0,2 °C. Инфракрасные термометры удобно применять, например, в санитарной зоне аэропорта для быстрого бесконтактного измерения температуры.
— Каким термометром вы посоветуете пользоваться в домашних условиях?
— Вообще, рекомендуется иметь дома один электронный или инфракрасный термометр для быстрых измерений и один ртутный, а лучше стеклянный безртутный, чтобы следить за температурой в динамике, если человек уже болен. Хотя, конечно, лучше всего не болеть, чего вам и желаю!
В ходе эксперимента корреспонденты отдела науки привлекли коллег из отдела технологий и использовали три термометра: стеклянный ртутный, электронный и инфракрасный. В опыте принимали участие пять человек, каждый из которых измерял температуру пять раз: первый раз — ртутным градусником, второй — электронным, но «неправильным», привычным нам способом, в подмышечной впадине (стоит отметить, что в инструкции к термометру этот способ был указан как имеющий право на жизнь), третий — электронным термометром, расположив его, согласно инструкции, под языком, четвертый — инфракрасным градусником. В последний раз мы снова измерили температуру этим же термометром, но перед этим тщательно протерли его датчик. Полученные нами результаты можно увидеть в таблице ниже.
Приобретенный термометр показывает на 1,5 градуса меньше (35,1 в места 36,6), что можно сделать, чтобы изменить тарирование?
Игорь, Омск
Уважаемый Игорь, в первую очередь спасибо, за то что выбрали наш электронный термометр. Вы, к сожалению, не указали модель устройства, поэтому я не смогу привести вам точные цитаты из инструкции по эксплуатации именно вашей модели. Я воспользуюсь классической инструкцией для электронного термометра.
Для начала пару слов о принципе действия электронного термометра. В отличии от классического ртутного, где указание температуры происходит за счет увеличения объема ртути при нагревании, что по большому счету делает неважным то, как его держат, можно хоть поперек под мышкой, это ничего не изменит, в электронных - датчик находится на конце и только нагрев этой части влияет на температуру (изменяется от температуры сопротивление проводника) в остальной части термометра только провода. Таким образом, надо очень внимательно смотреть на то, каким образом происходит измерение температуры. Наконечник должен быть "воткнут в мясо" т.е. крепко "втыкаем" в подмышку и плотно прижимаем рукой. Если контакт не плотный или частично свободен датчик, то температура будет ниже.
Далее. В инструкции указано, что "Звуковой сигнал не является сигналом завершения измерения. Это означает, что ваша температура повышается, но незначительно. Рекомендуем удерживать термометр после сигнала еще в течении нескольких секунд". Если перевести это на простой язык - то после того как термометр запищит надо достать его, посмотреть на температуру, додержать его (чтобы быть уверенным еще минутку) после этого посмотреть на показатели и запомнить разницу. И в дальнейшем добавлять эту разницу к измерению, чтобы лишнее время не ждать. Обычно разница составляет 0.3-0.4 градуса. но первый раз необходимо это проверить.
Таким образом - неправильная методика измерения и раннее изъятие термометра может дать "погрешность" в 1.5 градуса. Но при правильном использовании проблем не будет.
Если вы сомневаетесь в правильности показаний термометра, есть фантастически простой тест - налейте стакан теплой воды примерно температуры тела. Или горячую ванну. Опустите туда ртутный и кончик электронного термометра. Данные будут одинаковыми спустя 3 минуты. Это даст вам возможность судить о том, насколько правильно работает термометр. Если же данный тест покажет, что с термометром есть проблемы - обратитесь в сервисный центр. Я уверен, что вам смогут помочь.
Это все касается классического электронного термометра. Если у вас инфракрасный термометр - то напишите. Я расскажу, как правильно проводить обслуживание и измерение данным прибором. Я уверен, что проблемы все решаемы.
Кажется, что это всем ясно - температуру! А что такое температура?
Очень хорошо сказал по этому поводу один физик: «Гораздо легче производить измерения, чем точно знать, что измеряется». И почти три сотни лет измеряли повсюду температуру, но только совсем недавно, в конце прошлого столетия, стало окончательно ясно, что такое температура.
А в самом деле, что же показывает термометр? Стоит еще раз проследить, как возникло понятие «температура». Когда-то думали: если становится жарко, то это потому, что в теле повышается содержание теплорода. Латинское слово «температура» означало «смесь». Под температурой тела понимали смесь из материй тела и теплорода тела. Затем понятие самого теплорода было отброшено как ошибочное, а слово «температура» осталось.
Добрые две сотни лет в науке сохранялось странное положение: случайно выбранным свойством (расширение) случайно выбранного вещества (ртуть) и шкалы, установленной по случайно выбранным постоянным точкам (плавление льда и кипение воды), измерялась величина (температура), смысл слова «температура», строго говоря, никому не был понятен.
Но ведь термометр все-таки что-то показывает? Если от ответа потребовать необходимую строгость и точность, то на такой вопрос придется ответить так: ничего, кроме удлинения в столбике нагретой ртути.
Ну а если ртуть заменить другим веществом: газом или каким-либо твердым телом, которое также расширяется при нагревании, что будет тогда? Что будут показывать построенные на иной основе термометры?
Представим себе, что такие термометры мы сделали. Одни из них мы заполнили ртутью, воздухом, другие изготовили целиком из железа, меди, стекла. Точно установим на каждом из них постоянные точки: в тающем льду 0°, в кипящей воде 100°.
Попробуем теперь измерять температуру. Окажется, что, когда воздушный термометр покажет, например, 300°, другие термометры будут показывать:
ртутный 314,1°,
железный 372,6°,
медный 328,8°,
стеклянный 352,9°.
Какая же из этих «температур» правильна: «воздушная», «ртутная», «железная», «медная» или «стеклянная»? Ведь каждое из испытанных нами веществ показывает свою собственную температуру. Еще интересней повел бы себя «водяной» термометр. В пределах от 0° до 4° Ц он показывал бы при нагревании понижение температуры.
Можно, конечно, попытаться выбрать вместо теплового расширения какое-нибудь другое свойство вещества, изменяющееся при нагревании. Можно, например, построить термометры на основе изменения (при нагревании) упругости пара жидкости (например, спирта), электрического сопротивления (например, платины), термоэлектродвижущей силы (термопара). В наше время такие термометры широко применяются в технике.
При условии предварительной калибровки по двум постоянным точкам такие термометры, например, при 200°Ц будут показывать: спиртовой (по упругости пара) 1320°, платиновый (по сопротивлению) 196°, спай платины и сплава ее с родием (термопара) 222°.
Так какая же из всех этих разных «температур» настоящая? Как и чем нужно измерять температуру?
Прежде чем ответить на эти вопросы, следует уяснить себе самое важное в них - их точное содержание и смысл: «чем нужно измерять температуру». Почему такой «простой» вопрос вообще может возникать?
Чем мы измеряем длину? Метрами. Метр - это длина линейки эталона, который ученые
очень бережно хранят, чтобы он не пропал и не испортился. Чем мы измеряем объемы? Можно измерять литрами. Литр - это объем, равный одному кубическому дециметру. А чем мы измеряем температуру?
Эти вопросы совершенно сходны, но ответы на них принципиально различны. Если мы сольем в бочку несколько ведер холодной воды, то бочка будет заполнена водой. Сумма объемов воды в ведрах будет равна объему бочки. Но сколько бы холодной воды вы ни влили в бочку, горячей воды при этом не получится. Рассуждение это совсем не смешно и не наивно, и факт этот вовсе не очевиден сам собой. Это очень важный закон природы, к которому мы просто привыкли, потому что знаем его из опыта. Из нескольких коротких палок можно составить одну длинную, соединив их между собою встык. Но нельзя сложить температуру раскаленного угля из печи и температуру куска льда. Раскаленный уголь от этого не станет более горячим.
Измерять температуру, подобно тому как измеряют длину, объем, массу, нельзя потому, что температуры не складываются. Невозможна такая единица температуры, которой можно непосредственно измерять любую температуру, подобно тому как метром можно измерить любую длину. Объем, длина, масса - примеры экстенсивных свойств системы. Если железный стержень разделить на несколько частей, температура каждой из них от этого не изменится. Температура - пример интенсивных свойств системы. Непосредственно установить числовое соотношение между различными температурами невозможно и бессмысленно.
Но ведь измерять температуру необходимо. Так как же ее измерять, если ее нельзя измерить методом, пригодным для измерения экстенсивных величин?
Для этого возможен только один путь - использовать объективную связь между температурой и любой экстенсивной величиной: изменением объема, длины, отклонением стрелки гальванометра и т. п.
Поэтому ответ на вопрос - какая из перечисленных выше различных «температур» настоящая - может показаться с первого раза странным: все они равноправны. Любое свойство системы, зависящее от температуры, может быть выбрано для ее характеристики и измерения.
Термодинамика сумела указать способ и вещество, которое позволяет осуществить температурные измерения наиболее целесообразно.
Это - идеальный газ. По его расширению при постоянном давлении или по росту давления при постоянном объеме могут быть проведены наиболее целесообразно измерения температуры. При таком способе измерения бесчисленные выражения для любых закономерностей в природе становятся наиболее простыми.
Но у идеального газа есть один существенный недостаток: такого газа нет в природе.
Давление
Насколько сложно и трудно понятие о температуре, настолько просто и ясно понятие «давление». Его хорошо знает любой школьник из самого начального учебника физики. Давление - это сила, действующая на единицу площади поверхности. Направлено давление в случае газов и жидкостей всегда перпендикулярно к поверхности. Понятие «давление» можно приложить к твердым телам, но следует ном-нить, что свойства твердых тел могут зависеть от направления, в котором действует давление (например, пьезоэффект).
В термодинамике давление и температура - два основных, главнейших параметра, определяющих состояние термодинамической системы. Это определение означает, что одно и то же количество вещества при одних и тех же значениях температуры и давления занимает всегда один и тот же объем. Правда, необходимо добавить: это определение справедливо, когда в системе достигнуто равновесное состояние.
Химику очень полезно знать, что один грамм-моль любого газа при 0° Ц и при давлении в 1 атм занимает объем, равный приблизительно 22,4 литра. Это стоит запомнить.
Теплота
Наверное, не одна сотня тысяч лет протекла с тех пор, как наши далекие предки впервые познакомились с огнем и научились сами получать теплоту. Каждый из нас грелся у горячей печки и мерз в стужу. Казалось бы, что может быть теперь привычнее и понятней, чем так хорошо знакомая всем теплота.
Но вопрос - что такое теплота - далеко не так прост. Правильный ответ на него был найден наукой совсем недавно. Долгое время ученые даже не замечали всю сложность этой проблемы.
Первое истолкование природы теплоты было основано на бесспорном и очевидном как будто бы факте: при нагревании тела его температура повышается - следовательно, тело получает теплоту. При остывании, охлаждаясь, тело ее теряет. Поэтому всякое нагретое тело представляет собой смесь того вещества, из которого оно состоит, и тепла. Чем выше температура тела, тем больше в нем примешано теплоты. Теперь уже мало кто помнит, что слово «температура» в переводе с латинского и означает «смесь». Когда-то, например, о бронзе говорили, что она - «температура олова и меди».
Два совершенно различных объяснения, две гипотезы о природе теплоты спорили между собой в науке почти два столетия.
Первую из этих гипотез высказал в 1613 г. великий Галилей. Теплота - это вещество. Оно необычно. Оно способно проникать в любые тела и выходить из них. Тепловое вещество, иначе теплород, или флогистон, не порождается и не уничтожается, а только перераспределяется между телами. Чем его больше в теле, тем температура тела выше. Еще не так давно говорили - «градус теплоты» (а не температуры), считая, что термометр измеряет крепость смеси из материи и теплорода. (До сих пор еще сохранился обычай мерить в градусах крепость вина - смесь воды и спирта.)
Вторую гипотезу, совершенно, казалось бы, отличную от представления Галилея, высказал в 1620 г. знаменитый философ Бэкон. Он обратил внимание на то, что было издавна известно любому кузнецу: под сильными ударами молота становится горячим холодный кусок железа. Известен способ получения огня трением. Значит, ударами и трением можно произвести теплоту, не получая ее от уже нагретого тела. Бэкон из этого заключил, что теплота есть внутреннее движение мельчайших частиц тела и температура тела определяется скоростью движения частиц в нем. Эта теория получила в науке название механической теории теплоты. Для ее обоснования и развития очень много сделал гениальный Ломоносов.
При коренном расхождении обе гипотезы имеют немало сходства: из теории теплорода следовало, что термометр измеряет количество теплорода, содержащегося в теле, согласно же механической теории тепла, термометр показывает количество движения, содержащегося в теле. Согласно обеим теориям, должен существовать абсолютный нуль температуры. Он будет достигнут тогда, когда, по теории теплорода, от тела будет отнят весь теплород, а по механической теории - когда тело потеряет все содержащееся в нем движение.
Теория теплорода почти два века господствовала в науке. Она проста и наглядна. Но она ошибочна. Точное взвешивание тел при разных температурах показало, что теплота невесома. Невесомость теплоты хорошо согласовывалась с механической теорией тепла. Тогда думали, что движение никоим образом не может повлиять на вес тела. Правда, теперь мы знаем, что это не точно. Энергия, согласно закону Эйнштейна, должна обладать массой и, следовательно, тоже «весит»; только соответствующая прибавка в весе лежит далеко за пределами даже современной точности взвешивания.
Не следует смешивать теплоту с тепловой энергией тела. Тепловая энергия тела определяется кинетической энергией движения его молекул. Но теплота (это очень важно) далеко не равна тепловой энергии. И еще более важно, что теплота вообще не содержится в теле. Теплоты от дров, горящих в печи, в дровах вообще не было. Теплота только поступает в тело или уходит из него.
Совсем не трудно подсчитать количество энергии хаотического теплового движения в системе, состоящей из молекул перегретого водяного пара,- это и будет его тепловая энергия. Но количество теплоты, которое может выделиться из этой системы при ее охлаждении, совсем не равно тепловой энергии: сначала охладится пар, потом он начнет конденсироваться в жидкую воду, затем охладится вода и, наконец, вода замерзнет. Теплота же испарения воды и теплота плавления льда очень велики. От перегретого пара, таким образом, можно получить гораздо больше теплоты, чем в нем содержится тепловой энергии.
Поэтому, строго говоря, обе гипотезы не верны - ни представление о теплоте как о тепловом веществе, ни механическая теория тепла. Вторая из них подтверждена опытом, но она не имеет никакого отношения к теплоте и касается только тепловой энергии, а это не одно и то же.
Работа
Совершать механическую работу - это значит преодолевать или уничтожать сопротивления: молекулярные силы, силу пружины, силу тяжести, инерцию материи и т. д. Истирать, шлифовать тело, разделять его на части, поднимать грузы, тянуть по дороге повозку,
по рельсам - поезд, сжимать пружину - все это значит совершать работу; это значит преодолевать в течение некоторого времени сопротивление. Совершать работу - это значит преодолевать сопротивление газа, жидкости, твердого тела, кристалла. Сжимать газ, жидкость, кристалл - это значит совершать работу.
Одним и тем же именем «работа» названы несходные явления, но за внешними различиями надо видеть общие основные черты. Работа связана с движением: груз поднимается, повозка перемещается, поршень скользит в цилиндре двигателя. Без движения нет работы.
Работа связана с упорядоченным движением. Весь груз перемещается вверх. Вся повозка движется по дороге в одном направлении. Весь поршень в одном направлении движется в цилиндре. Работа невозможна без двух участников. Для поднятия одного груза должен опуститься другой груз, должна распрямиться пружина, должен расшириться газ. Оба участника движутся упорядочение. Работа - это передача упорядоченного движения от одной системы к другой.
Не следует думать, что работа может быть связана только с механическим движением. Работа может совершаться и при изменении электрического или магнитного поля.
Способность системы совершать работу, конечно, очень важна для термодинамики. Но какую именно работу может совершить система - это для термодинамики несущественно. Как именно данную работу можно рассчитать и как ее измерить, должна сказать другая наука.
Определение механической работы дает механика. Это определение знает каждый школьник: работа (А) равна произведению силы (F) на путь (l).
Если же сила непостоянна, то приходится подсчитывать величину работы на каждом достаточно малом участке пути (математики говорят - на бесконечно малом), на котором силу можно считать постоянной
dA=Fdl,
и затем просуммировать бесконечно малые значения работы по всему пройденному пути:
Тем, кто еще не отучился пугаться математических формул, полезно запомнить, что знак интеграла ∫- это просто вытянутая буква S - начальная в слове «сумма».
В физической химии часто рассматриваются процессы, связанные с дроблением вещества в тонкий порошок (в пыль) или с возникновением из пара новой фазы тумана или дыма. При таких процессах возникает огромная новая поверхность множества мельчайших частиц, и на ее образование должна быть затрачена немалая работа. Эту работу нельзя не учитывать. Она равна произведению поверхностного натяжения (а) на площадь новой поверхности (S):
Такая работа затрачивается и при выдувании мыльного пузыря.
Теплотехника при подсчете работы любых тепловых машин пользуется величиной работы расширяющегося газа, например водяного пара в цилиндре паровоза или в турбине. Этот очень важный вид работы измеряется произведением давления газа на изменение его объема:
Электрохимия, например, знает другой вид работы. Электрическая работа аккумулятора или гальванического элемента равна произведению электродвижущей силы (Е) на изменение заряда (q):
Полезно заметить и запомнить, что все выражения для различного вида работы очень сходны между собой. Любая работа обязательно измеряется произведением двух сомножителей: некоторой обобщенной силы / (это может быть сила всемирного тяготения, сила магнитного или электрического поля, давление, поверхностное натяжение, любые механические силы и т. д.) и величины а - изменения соответствующего параметра системы (пройденный путь, электрические заряды, величина поверхности, объем и т. д.):
А=∫fda.
В задачи термодинамики не входит изучать различие между разными видами работы. Об этом должны позаботиться другие науки. Различных работ может быть очень много. Теплота только одна.
Одним из анахронизмов, перекочевавшим в жизнь современного человека, является уличный термометр, по установившейся привычке прикручиваемый или приклеиваемый на оконную раму с целью определения температуры воздуха на улице. Почему анахронизм и почему он не нужен? Мы попытаемся рассказать в предлагаемой вашему вниманию статье. Уличные градусники на пластиковые окна устанавливают повсеместно. В большинстве случаев даже не задумываясь о том, есть ли смысл тратить время на это бесполезное занятие.
Но, коль такая потребность у определенной категории граждан существует, мы, конечно же, ответим на вопросы, как это лучше сделать.
Со времени своего изобретения и до недавнего исторического прошлого уличные градусники худо-бедно справлялись со своими обязанностями – показывать температуру воздуха на улице. Так же как и сегодня и пятьдесят и сто лет назад они безбожно врали. Связано это было не с особенностями самих приборов, а с тем, что их устанавливали, где попало и как попало. Поэтому не редки были случаи споров о том, насколько холодно или жарко в конкретный день. Спорщики просто забывали, что уличные градусники, на показания которых они ориентировались, были размещены в различных условиях. У одних — на окне с утра освещаемом Солнцем, у других – на раме вечно затененного балкона, а у третьих – на столбике во дворе частного дома.
В XXI веке начисто отпала потребность в этом приборе за окном. Почти каждый имеет сотовый телефон или смартфон, который в одно касание может показать на дисплее абсолютно точные и объективные данные о температуре воздуха, влажности, силе ветра и «субъективных» ощущениях погоды, при необходимости добавив к показаниям величину атмосферного давления и прогноз по осадкам на ближайшие сутки или целую неделю.
Но сила инерции мышления и привычки столь сильны, что вместо того, чтобы, не вставая с постели узнать, какая погода ждет вас на улице, многие бредут к уличному градуснику за окном и с радостью или скорбью узнают, что на улице совсем не такая погода, какая им приснилась во сне.
Традиционно в быту для измерения температуры воздуха на улице применяются два вида термометров: спиртовые и биметаллические.
Первые представляют собой герметично запаянную капиллярную трубочку с окрашенным спиртом, который по мере повышения или понижения температуры воздух либо расширяется, либо сжимается, скользя по капилляру вдоль нанесенной метрической шкалы.
Биметаллические градусники – это пружина, состоящая из сплава двух металлов имеющих различный коэффициент расширения, на конце которой установлена стрелка. При нагревании или охлаждении пружина либо сжимается, либо раскручивается. В соответствии с этим перемещается и стрелка, расположенная на конце такой пружины, показывая определенное значение на дугообразной градусной шкале.
Третьей разновидностью уличных градусников являются электронные, которые получаю сигналы от расположенного вне помещения датчика и передают его на электронное устройство, отображающее температуру в цифровом виде на ЖК дисплее.
В настоящее время эти три модели распространены примерно в одинаковой мере и служат предметом бесконечных сетований владельцев на качество приборов и поводом для математических вычислений среднего арифметического, в случае несовпадения показаний на двух или более термометрах.
Наиболее точные показания при всех равных условиях дают электронные градусники. Поскольку их выносные теплоизмеряющие элементы проходят более строгий метрологический контроль (кроме китайских) и их термодатчики можно прикрепить в местах, недоступных прямым солнечным лучам.
Наименьшей степенью достоверности отличаются биметаллические градусники. Среднее и наиболее популярное среди населения положение занимают спиртовые градусники. Но следует учитывать возраст прибора. Чем дольше он служит вам, тем больше он вас обманывает. Связано это с постепенным испарением спиртовой жидкости и конденсацией её в верхней части капилляра.
В результате чего столбик окрашенной жидкости становится постепенно все короче и короче, а температура на улице все «ниже» и «ниже».
Получить абсолютно достоверные сведения о температуре воздуха с уличного термометра, расположенного на раме пластикового окна практически невозможно. Первой причиной является тепловое излучение, исходящее от дома. Если известно, что до 30% тепла теряется через окна, то соответственно, излучаемое тепло будет вносить коррективы в показания градусника в сторону повышения температуры.
Вторым фактором является неправильная установка термометра. Обычно их монтируют на окнах, к которым обеспечен самый легкий и постоянный доступ. Это кухонные окна или окна в спальне. При этом мало кто задумывается о том, чтобы перед установкой градусника сверится с компасом или программой 2ГИС и определить, в каком направлении ориентированы ваши пластиковые окна. Если в восточном – градусник будет «врать» с утра, если в западном – ближе к вечеру, если в южном – на протяжении всего дня. Связано это с Солнечной активностью. Даже в пасмурную погоду южная стена дома будет прогреваться сильнее и исходящее от неё тепло не позволит вашему градуснику показать достоверную температуру.
Самые точные, насколько это возможно, показания дают уличные градусники, расположенные с северной стороны. Они объективны потому, что на них не воздействует прямой солнечный свет.
Третьей ошибкой, которая влияет на неправильные показания, является игнорирование требований экранирования термометра. Он обязательно должен быть прикрыт снаружи светоотражающим экраном, который защитит его от влияния прямой Солнечной радиации.
Четвертым условием является наличие достаточного зазора между градусником и стеной (даже не рамой или стеклом) дома.
Из этого следует, что не соблюдая этих условий, вы всегда будете получать очень приблизительные показания в интервале +/- 3-5° С.
Если приведенные аргументы не убедили вас, и вы по прежнему хотите прикрепить термометр у себя за окном, то внимательно отнеситесь к его выбору. Как уже отмечалось, самые большие погрешности дают биметаллические градусники. Связано это с тем, что очень трудно подобрать и откалибровать шкалу для каждой конкретной пружины, расположенной внутри приборчика. Достаточно отклонения толщины одной из полосок металла на несколько микронов, чтобы показания двух термометров отличались. При массовом производстве никто не изготавливает для конкретной пружины собственную шкалу. Поэтому показания градусников неточны.
Наиболее распространенные спиртовые термометры могут служить вам долгие годы, но с каждым годом их показания, по мере испарения жидкости, будут отличаться в сторону «понижения» температуры. Выбирая спиртовой градусник надо стремиться купить прибор с как можно более длинной трубочкой-капилляром. Многочисленные сувенирные термометры, снабженные бумажными шкалами внутри колбы, изначально не калибруются и показывают температуру с большими погрешностями.
Если вы остановите свой выбор на электронной метеостанции – то её выбор будет зависеть исключительно от ваших финансовых возможностей и количества функций, которые прибор может выполнять.
Закрепить термометр лучше всего не на раме пластикового окна, так как надежное закрепление возможно только механическим прикручиванием саморезами с пластику. А портить профиль ради установки градусника вряд ли стоит. Можно приклеить градусник, предварительно промыв и обезжирив ПВХ профиль, на двусторонний скотч, но он весьма недолговечен и в один прекрасный день вы можете не обнаружить градусник за своим окном, причиной тому могут быть и птицы, особенно любопытные синички, которые готовы примоститься на любой поверхности.
Можно приклеить строительными прозрачными клеями, используемыми для ПВХ пластиков или прозрачным сантехническим силиконовым герметиком. Не рекомендуется приклеивать клеями «Секунда» содержащими цианоакрилат. Несмотря на свои выдающиеся качества по скорости и прочности первоначального схватывания, само вещество под действием влажности воздуха и УФ-излучения довольно быстро разлагается и примерно через год клей перестает держать.
Поэтому оптимальным вариантом будет закрепить градусник на стене дома на выносном кронштейне с фиксацией его небольшими шурупами или гвоздиками. Не забудьте снабдить градусник простейшим самодельным экранчиком из фольгированного материала, который будет защищать его от прямых лучей Солнца. Термометр следует закрепить со стороны не открывающейся створки окна, чтобы приоткрытая на проветривание створка не вносила коррективы в показания прибора за счет теплого воздуха из комнаты.
