Состав таких жидкостей чаще всего включает метилкарбитол (метиловый спирт — CH3(OCH2CH2)2OH), который более привычен и известен широкой аудитории как «спиртовой раствор». В некоторых случаях в качестве наполнителя может быть использован керосин.
Оба этих наполнителя, в отличие от ртути, можно считать условно безопасными, что делает их более предпочтительными для использования в термометрах, учитывая вредные свойства ртути.
Выбираем термометр Статья
Термометром называют прибор, предназначенный для измерения температуры окружающей среды или различных поверхностей. Известный всем градусник также может быть отнесен к числу термометров, хотя это слово чаще используется в разговорной речи и не является официальным термином. В настоящее время существует множество видов термометров, каждый из которых обладает своими уникальными характеристиками. Но почему их так много? Ответ довольно прост: различные принципы работы и особенности каждого устройства позволяют более точно измерять температуру в различных условиях. Например, когда мы измеряем температуру человека, важно уметь отслеживать изменения в пределах нескольких градусов. В то время как для определения температуры на улице речь идет о десятках градусов. Если же необходимо измерять температуру в духовке, то диапазон может достигать сотен градусов. Ясно, что для решения всех этих задач требуется различное оборудование, что и обуславливает их разнообразие.
На самом деле, особых трудностей в выборе термометра, если не углубляться в специализированные применения, нет. При выборе достаточно ориентироваться на назначение прибора, без необходимости изобретать что-то новое. Тем не менее, даже при выборе исходя из назначений, можно столкнуться с многобразием типов термометров, и иногда не ясно, какой из них лучше выбрать. Именно поэтому мы решили подготовить эту статью, в которой подробно рассмотрим выделяющиеся аспекты выбора термометра. Их классификация может происходить по-разному, но мы сосредоточимся на двух самых распространенных подходах: по принципу действия и материалу изготовления. Понимание различий между термометрами в этих категориях поможет вам выбрать оптимальный вариант, учитывая как точность измерения, так и цену. Ведь не всегда целесообразно покупать самую дорогую модель.
Классификация термометров по материалу
Когда мы обсуждаем классификацию термометров по материалу, речь идет не о веществах, из которых изготовлен корпус термометра, а о материале, который используется для определения температуры. В этой категории имеется несколько вариантов, каждый из которых обладает своими основными характеристиками, которые важно знать.
Жидкостные
Жидкостные термометры — это не только самый старый, но и хорошо известный тип термометра, работающий на основе изменения объема жидкости при колебаниях температуры, которая в свою очередь зависит от температуры окружающей среды. Всем известный ртутный градусник относится именно к этой категории. Однако используются и другие жидкости. Упоминание о ртути важно, поскольку с 2020 года в ряде стран производство ртутных термометров было прекращено, как и применение этой опасной субстанции в других сферах, что стало возможным благодаря Минаматской конвенции о ртути. Ртуть является сильно ядовитой и представляет серьезную угрозу для здоровья человека.
Устройство жидкостных термометров довольно простое, что представляет собой их одно из главных преимуществ. Тем не менее, простота не всегда означает низкую цену, так как это зависит от использованных материалов. Также к положительным сторонам можно отнести возможность подбора жидкости для практически любого диапазона температур. Например, для высоких значений используют галлий в качестве наполнителя. Точность измерений весьма велика, однако стоит учитывать, что чем шире диапазон температур, тем больше в абсолютных значениях будет погрешность, что обусловлено свойствами самой шкалы. Как уже было упомянуто, в контексте измерений в духовке отклонение в пять или даже десять градусов зачастую не значительно, но в измерениях температуры тела важен уровень точности до одной десятой градации, что и реализуется в подобных устройствах.
Тем не менее, у жидкостных термометров есть свои недостатки. Во-первых, не самая безопасная природа наполнителей, о чем уже говорилось выше. Хотя и другие жидкости могут быть менее токсичными, чем ртуть, все равно нужно соблюдать осторожность. Также жидкость обычно находится в стеклянной колбе, что повышает риск поломки и, соответственно, травмы. Жидкостные термометры не подойдут для измерения экстремально высоких или низких температур. Кроме того, их не рекомендуется использовать в ситуациях, когда требуется точное измерение в большом диапазоне температуры, и на это также повлияет время, необходимое для реакции на изменения температуры в окружающей среде — данный недостаток может оказаться весьма значительным. Тем не менее, жидкостные термометры все еще используются и будут востребованы в будущем благодаря своей простоте и доступной цене.
Механические
Принцип работы механических термометров схож с жидкостными, но в них используется либо металлическая спираль, либо лента из биметалла. Например, устройства, которые вы устанавливаете в духовку, являются механическими термометрами, работающими по аналогичному принципу, при котором металл деформируется в результате изменения температуры. Обычно они имеют циферблат со стрелкой и напоминают аналоговые часы. Это придает им определенное визуальное сходство. Одними из основных сильных сторон этих термометров являются их цена и высокая надежность — механические термометры как правило более устойчивы к физическим повреждениям в сравнении с жидкостными аналогами. В случае их поломки они просто выходят из строя, и, что также важно, не представляют опасности для здоровья пользователей.
Однако у механических термометров имеются и минусы. Самый явный из них — не самая высокая скорость реакции, которая может зависеть от свойств используемого металла. Также по поводу точности измерений ситуация здесь аналогична предыдущему типу — чем больше диапазон измерений, тем меньше становится точность. Существуют и ограничения диапазонов эксплуатации — для каждого термометра установлены свои пределы, превышение которых может привести к сбоям в работе.
Изменение температуры воздуха
Температура воздуха подвержена изменениям как в течение суток, так и в разные времена года и другие промежутки времени. Минимальные температуры наблюдаются в период с 4 до 6 часов утра, что объясняется тем, что воздух, нагревающийся в течение дня, ночью постепенно остывает. Как следствие, именно эти часы характеризуются наиболее низкими показателями. Максимальные же температуры воздуха фиксируются в промежутке с 14 до 16 часов. Утром солнечные лучи начинают постепенно прогревать остывший воздух, в районе 12 часов солнечное излучение достигает своего максимума, когда солнце находится в зените, что приводит к максимальному нагреву земли и, следовательно, воздуха, поскольку он получает тепло не только от солнечных лучей, но и от прогретой поверхностью.
Амплитуда температуры – это разница между самой высокой и самой низкой температурой воздуха за определенный временной отрезок. В России максимальные амплитуды колебаний температуры воздуха наблюдаются весной и летом в ясные, безоблачные дни.
Рис. 3. Жаркая погода летом (Источник)
Рис. 4. Холодная погода летом (Источник)
Таким образом, главной причиной изменения температуры воздуха является угол падения солнечных лучей: чем более прямо они падают на поверхность земли, тем более эффективно прогревают её.
Рис. 5. Углы падения солнечных лучей (при положении Солнца 2 лучи более эффективно прогревают земную поверхность, чем при положении 1) (Источник)
Помимо солнечной радиации, на температуру воздуха влияют также различные воздушные массы. Например, если воздух перемещается с Северного Ледовитого океана, он может привести к понижению температуры.
Температура воздуха может варьироваться также в зависимости от подстилающей поверхности, времени года, близости природных водоемов, а также рельефа местности. Например, температура воздуха понижается на 6 градусов при подъеме на каждый километр высоты.
Рис. 6. Изменение температуры воздуха в зависимости от высоты в Европе (Источник)
Средняя температура воздуха – это среднеарифметическое значение температур за определенное количество наблюдений (то есть нужно сложить все измеренные величины температур и поделить на их количество). Например, если измерены значения +7, +5, +3, -1, +1, то складываем их: (7 + 5 + 3 + (-1) + 1) и делим на количество измерений: 5. Получается 3 градуса.
На основе наблюдений и средних измерений составляют график суточного хода температуры воздуха. Суточный ход температуры воздуха – это изменение температуры воздуха в течение суток.
Рис. 7. График суточного хода температуры воздуха (Источник)
Изобретение термометра
По сути, история термодинамики берет начало с 1592 года, когда Галилео Галилей создал первый прибор, предназначенный для измерения температуры, который он назвал термоскоп. Этот прибор состоял из небольшого стеклянного шарика с прикрепленной капиллярной трубкой. Шарик нагревали, а конец трубки погружали в воду. Когда шарик остывал, давление внутри него снижалось, и вода под действием атмосферного давления поднималась на определенную высоту в трубке. При повышении температуры уровень воды по трубке опускался. Однако существенный недостаток устройства заключался в том, что по нему можно было судить лишь о относительной степени нагрева или охлаждения объектов, поскольку шкала у него отсутствовала.
Позже фиорентийские ученые усовершенствовали термоскоп Галилея, добавив шкалу из бусин и удалив воздух из шарика.
В XVII веке спиртовой термоскоп был преобразован флорентийским ученым Торричелли. Он перевернул термоскоп вазой вниз, удалил сосуд с водой и наполнил трубку спиртом. Данное устройство работало на основе расширения спирта при нагревании, что устранило зависимость показаний от атмосферного давления и дало возможность говорить о деградации к одним из первых жидкостных термометров.
На тот момент единой системы градуировки шкал ещё не существовало, что приводило к несогласованности показаний разных приборов. В 1694 году Карло Ренальдини предложил установить крайние точки данной шкалы — температура замерзания воды и температура кипения.
В 1714 году немецкий ученый Даниэль Габриэль Фаренгейт представил свой ртутный термометр.
В 1742 году шведский ученый Андрес Цельсий разработал шкалу для ртутного термометра, в которой диапазон между крайними температурами был разделен на 100 градусов. При этом первоначально температура кипения воды была обозначена как 0 градусов, а температура замерзания льда — 100 градусов.
Михаил Ломоносов предложил жидкостный термометр, имеющий шкалу с 150 делениями от точки плавления льда до точки кипения воды.
Существует несколько температурных шкал с различными точками отсчета (например, шкалы Цельсия и Кельвина).
Рис. 8. Различные температурные шкалы
Газовые
Газовые термометры работают по тому же принципу, что и жидкостные, однако в качестве рабочего вещества здесь используются различные инертные газы.
Преимущества таких приборов заключаются в способности измерять температуры, приближающиеся к абсолютному нулю, диапазон же их измерений колеблется от -271 до +1000 градусов. Однако такие устройства достаточно сложны и не часто используются для лабораторных измерений.
Электрические
Электрические термометры работают на основе зависимости сопротивления проводника от температуры. Известно, что сопротивление металлов линейно зависит от температуры, но для достижения большей точности измерений можно использовать полупроводники. Тем не менее, полупроводники в таких приборах редко применяются, так как зависимость между их характеристиками и температурой нельзя выразить линейно, что затрудняет градуировку шкалы.
Чаще всего в качестве проводника выступает медь, которая позволяет мереать диапазон температур от -50 до +180 градусов. При использовании других металлов, таких как платина, диапазон измерений можно расширить от -200 до +750 градусов. Электрические тепловые датчики обычно используются лабораториях, на экспериментальных установках или в производственных процессах.
Приборы для измерения скорости ветра
В оборудовании любой метеостанции обязательно присутствует высокая мачта, на которой расположен ветроизмерительный прибор, известный как флюгер Вильда. На метеостанциях используется два типа флюгеров: один с тяжелой, другой — с легкой доской. Такой дуэт с разными весовыми характеристиками позволяет измерять различные скорости ветра. С легкой доской флюгер может зафиксировать скорость до 20 м/с, а с тяжелой — до 40 м/с. Учитывая, что в Оренбурге довольно редко наблюдаются ветра с превышением 20 м/с (среднегодовая скорость составляет примерно 4 м/с), на нашей станции установлен лишь флюгер с легкой доской.
Флюгер Вильда на 10-метровой мачте
Ручной анемометр
Флюгер, что переводится с немецкого как «крыло», отличается своей простотой в эксплуатации. Его размещают в северной части метеоплощадки. На фотографии — ветер с южным направлением (то есть дует с юга), что определяется по положению противовеса (шарика на противоположном конце флюгарки), а скорость ветра составляет 2-3 м/с, что можно оценить по тому, к какому штифту повернулась доска.
В гидрометеорологических станциях и постах, согласно методическим указаниям (основной документ, определяющий нормы и методику работы метеостанций), флюгеры Вильда рекомендуется использовать в качестве резервного метода при неисправности других ветровых приборов (например, электрического анемометра М-63М-1, который запланирован к установке нашей станции в следующем году). На данный момент на станции имеется только флюгер, так что сбои электроснабжения нам не страшны!
Скорость ветра также измеряется с помощью другого устройства — ручного анемометра. Этот прибор фиксирует количество оборотов чашечек вокруг своей оси за заданный интервал времени, что соответствует определенному расстоянию, после чего рассчитывается средняя скорость ветра путем деления этого расстояния на время.
Измерители осадков и атмосферного давления
На нашей метеостанции также ведется мониторинг количества атмосферных осадков с использованием осадкомера. Осадки собираются в цилиндрическое ведро, защищенное от ветра специальными пластинами. Дважды в сутки полученные осадки сливаются в измерительный дождемерный стакан, где единица измерения составляет 1 мм слоя осадков. Если общая высота осадков составляет 50 мм за период не более 12 часов, это событие считается неблагоприятным метеоявлением и может угрожать жизни и здоровью граждан (согласно Федеральному закону от 2 февраля 2006 года № 21-ФЗ).
Измерительный дождемерный стакан
Атмосферное давление определяется с помощью барометра-анероида и барографа, которые размещаются в помещении станции.
Барометр-анероид
Метеостанции
Метеостанции представляют собой современные цифровые приборы, предназначенные для комплексного контроля показателей по температуре и влажности. Часто в более продвинутых моделях есть дополнительные функции, такие как часы, будильник и отображение атмосферного давления.
Некоторые метеостанции также могут демонстрировать краткосрочный прогноз погоды и отображать историю измерений по одному из параметров: температуре, влажности или давлению.
Кроме того, есть особые модели, которые позволяют подключать внешние датчики в количестве от одного до трех или четырех.
К примеру,
— один датчик можно разместить в другой комнате (например, в детской),
— второй — на улице,
— а третий уже встроен в саму метеостанцию.
Это дает возможность отслеживать три разных показателя, чтобы вовремя реагировать на изменения — одеваться по погоде на улице, включать увлажнитель в детской или, наоборот, осушитель в основной комнате.
Кухонные термометры
Кухонные термометры представляют собой отдельную категорию устройств, предназначенных для измерения температуры пищевых продуктов, например, мяса, или температурных показателей духовок, а иногда и того, и другого одновременно.
Рассматриваемый «термощуп» — так чаще всего называют подобные термометры — функционирует на основе биметаллического элемента, который служит индикатором температуры. На некоторых моделях имеются отметки, обозначающие рекомендуемую температуру для приготовления разных видов мяса, что значительно упрощает процесс контроля:
- ? +65. +72°С — степень готовности говядины
- ? +76. +78°С — степень готовности телятины
- ? +80. +82°С — степень готовности баранины
- ? +84. +85°С — степень готовности свинины
- ? +89. +90°С — степень готовности курицы
