Σάββατο 6 Ιανουαρίου 2018

Η Εξέλιξη της τεχνολογίας μέτρησης της θερμοκρασίας

Χρονοδιάγραμμα της τεχνολογίας μέτρησης θερμοκρασίας

Τυπικό θερμόμετρο Κελσίου
μετρά θερμοκρασία -17 ° C
ΑΠΌ: Mysid - Own photo,
  Public Domain, 
Είναι αυτονόητο σήμερα ότι μπορούμε με ευχέρεια να προσδιορίζουμε και να ανταλλάσσουμε πληροφορίες για την τιμή της θερμοκρασίας. Με το θερμόμετρο να είναι μια προσιτή και φτηνή συσκευή και με μια μόνο ενιαία θερμοκρασιακή κλίμακα σε όλο το κόσμο, αυτή του Κελσίου - εκτός απ' την Αμερική που χρησιμοποιούν την κλίμακα Φαρενάιτ, τα θερμοκρασιακά δεδομένα είναι οικεία και όλοι τα αντιλαμβάνονται με τον ίδιο τρόπο.

 Και οι απαιτήσεις μας για ακρίβεια στον προσδιορισμό της θερμοκρασίας έχουν αυξηθεί. Δεν μας αρκεί ότι έξω κάνει κρύο, θέλουμε να ξέρουμε πόσο κρύο κάνει, γιατί άλλο είναι οι 10 βαθμοί και άλλο οι 2 βαθμοί. Στους 2 βαθμούς μεσημεριάτικα μάλλον θα πρέπει να σκεπάσουμε τα λουλούδια μας γιατί το βράδυ μάλλον θα κάνει παγωνιά και θα χαλάσουν. Όταν ψήνεται το γλυκό σας στο φούρνο δεν σας αρκεί ότι θα πρέπει να έχετε δυνατή φωτιά, το θέλετε με ακρίβεια γιατί άλλο είναι οι 200 βαθμοί και άλλο οι 170. Και όταν έχετε πυρετό άλλο είναι το 38 και δύο και άλλο το 39,8.  Η μέτρηση της θερμοκρασίας , επίσης γνωστή ως θερμομετρία , είναι η διαδικασία μέτρησης μιας τρέχουσας τοπικής θερμοκρασίας.

Η θερμοκρασία είναι μια φυσική ποσότητα που εκφράζει τις υποκειμενικές αντιλήψεις του ζεστού και κρύου. Η θερμοκρασία μετριέται με ένα θερμόμετρο , βαθμονομημένο ιστορικά σε διάφορες κλίμακες θερμοκρασίας και μονάδες μέτρησης.

Θερμική δόνηση τμήματος πρωτεΐνης:
Το εύρος κραδασμών αυξάνεται με τη θερμοκρασία.
ΑΠΌ: Greg L - Wikipedia.org, CC BY-SA 3.0, 
Με βάση την ιστορική εξέλιξη της κινητικής θεωρίας των αερίων, η θερμοκρασία είναι ανάλογη με τη μέση κινητική ενέργεια των τυχαίων κινήσεων των συστατικών μικροσκοπικών σωματιδίων, όπως τα ηλεκτρόνια, τα άτομα και τα μόρια, αλλά οι αυστηρές περιγραφές πρέπει να περιλαμβάνουν όλες τις κβαντικές καταστάσεις της ύλης. Όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία τόσο μικρότερη η κινητικότητα στο εσωτερικό της ύλης. 

 Στο απόλυτο μηδέν, που είναι η χαμηλότερη αλλά άπιαστη δυνατή θερμοκρασία, η κινητική ενέργεια θα μηδενιστεί και η ύλη θα καταρρεύσει. Ακόμα και τα ηλεκτρόνια θα ακινητοποιηθούν και θα πέσουν μέσα στα άτομα πάνω στον πυρήνα. Όσο πλησιάζουμε στο απόλυτο αυτό μηδέν οι ιδιότητες της ύλης τροποποιούνται, λόγου χάριν εμφανίζεται η υπεραγωγιμότητα. Η ηλεκτρική αντίσταση των υλικών μηδενίζεται, πράγμα λογικό αφού όταν είναι ακίνητα τα άτομα τότε τα ηλεκτρόνια μπορούν να περνάνε ελεύθερα μέσα από το υλικό.

Ιστορία


Οι προσπάθειες για την τυποποιημένη μέτρηση της θερμοκρασίας πριν από τον 17ο αιώνα ήταν στην καλύτερη περίπτωση χονδροειδείς. Για παράδειγμα, το 170 μ.Χ., ο γιατρός Κλαύδιος Γαληνός ανέμειξε ίσες ποσότητες πάγου και βραστού νερού για να δημιουργήσει ένα "ουδέτερο" πρότυπο θερμοκρασίας. 

Ο σύγχρονος επιστημονικός τομέας της θερμομετρίας έχει τις ρίζες του στις εργασίες των επιστημόνων της Φλωρεντίας του 1600, συμπεριλαμβανομένης της κατασκευής των συσκευών του Γαλιλαίου. Αυτές οι πρώτες συσκευές, που είχαν μεγάλη εξάρτηση από την ατμοσφαιρική πίεση, ονομάζονταν θερμοσκόπια γιατί δεν μετρούσαν τη θερμοκρασία αλλά απλά έδειχναν ποιοτικά τη ζέστη ή το κρύο. Το πρώτο σφραγισμένο θερμόμετρο κατασκευάστηκε το 1641 από τον Μεγάλο Δούκα της Toscani, Ferdinand II. 

Θερμόμετρο του Γαλιλαίου
ΑΠΌ: Hustvedt - Own work,
CC BY-SA 3.0 
Το λεγόμενο «Θερμόμετρο του Γαλιλαίου» επινοήθηκε από μια ομάδα ακαδημαϊκών και τεχνικών που είναι γνωστή ως η Accademia del Cimento στη Φλωρεντία. Στην ομάδα συμμετείχε ο μαθητής του Galileo, ο Torricelli και ο  μαθητής αυτού ο Viviani. Λεπτομέρειες σχετικά με το θερμόμετρο δημοσιεύθηκαν στο "Δοκίμια φυσικών εμπειριών που έγιναν στην Ακαδημία του Cimento υπό την προστασία του πρίγκηπα Λεοπόλδου της Τοσκάνης και περιγράφονται από τον γραμματέα της Ακαδημίας" (1666), την κύρια έκδοση της Ακαδημίας. 
Η αγγλική μετάφραση αυτού του έργου (1684) περιγράφει τη συσκευή («Το πέμπτο θερμόμετρο») ως «αργή και τεμπέλικη», μια περιγραφή που αντανακλά μια εναλλακτική ιταλική ονομασία για την εφεύρεση, το thermometro lento (αργό θερμόμετρο). Το εξωτερικό δοχείο ήταν γεμάτο με «διορθωμένα οινοπνευματώδη ποτά» (συμπυκνωμένο διάλυμα αιθανόλης σε νερό), τα βάρη των γυάλινων φυσαλίδων ρυθμίστηκαν με ξύσιμο μικρής ποσότητας γυαλιού από το σφραγισμένο άκρο. Και στην κορυφή του κύριου δοχείου έμεινε ένας μικρός χώρος αέρα, για να επιτρέψει «το Υγρό να αραιώνει» [δηλαδή να διαστέλεται].
Η συσκευή που τώρα ονομάζεται θερμόμετρο του Γαλιλαίου αναβίωσε στη σύγχρονη εποχή από το Μουσείο Φυσικής Ιστορίας του Λονδίνου (Natural History Museum) το οποίο  πουλάει ένα τέτοιο από τη δεκαετία του 1990.
Η ανάπτυξη των σημερινών θερμομέτρων και της κλίμακας θερμοκρασίας άρχισε στις αρχές του 18ου αιώνα, όταν ο Gabriel Fahrenheit έφτιαξε ένα θερμόμετρο υδραργύρου και την ομώνυμη "κλίμακα Φαρενάιτ". Ανάλογη δουλειά είχε κάνει πρίν απ' αυτόν ο Ole Christensen Rømer στον οποίο οφείλεται η "κλίμακα Ρέμερ". 

Τεχνολογίες 

Πολλές μέθοδοι έχουν αναπτυχθεί για τη μέτρηση της θερμοκρασίας. Οι περισσότερες από αυτές βασίζονται στη μέτρηση ορισμένων φυσικών ιδιοτήτων ενός υλικού εργασίας που ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία. 
Μία από τις συνηθέστερες συσκευές για τη μέτρηση της θερμοκρασίας είναι το θερμόμετρο υάλου που αποτελείται από ένα γυάλινο σωλήνα γεμάτο με υδράργυρο ή κάποιο άλλο υγρό, το οποίο λειτουργεί ως υγρό διαστολής. Η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί την διαστολή του υγρού, οπότε η θερμοκρασία μπορεί να προσδιοριστεί με τη μέτρηση της ποσότητας του υγρού. Τέτοια θερμόμετρα συνήθως βαθμονομούνται έτσι ώστε να μπορεί κανείς να διαβάσει τη θερμοκρασία απλά παρατηρώντας το επίπεδο του ρευστού στο θερμόμετρο. 
Ένας άλλος τύπος θερμόμετρου που δεν χρησιμοποιείται στην πράξη, αλλά είναι σημαντικό από θεωρητική άποψη, είναι το θερμόμετρο αερίου .
Άλλες σημαντικές συσκευές για τη μέτρηση της θερμοκρασίας περιλαμβάνουν:

Η θεωρητική βάση για τα θερμόμετρα είναι ο μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής που δηλώνει ότι εάν έχετε τρία σώματα, Α, Β και Γ, αν τα Α και Β είναι στην ίδια θερμοκρασία και τα Β και Γ είναι στην ίδια θερμοκρασία τότε οι Α και Γ είναι στην ίδια θερμοκρασία. Το Β, βέβαια, είναι το θερμόμετρο.

Χρονολόγιο


Θερμοσκόπιο του Γαλιλαίου
By Chatsam - Own work, CC BY-SA 3.0 

1500



1600

  • 1612 - Ο Santorio Sanctorius φτιάχνει το πρώτο θερμόμετρο για ιατρική χρήση
  • 1617 - Ο Giuseppe Biancani δημοσίευσε το πρώτο σαφές σχεδιάγραμμα ενός θερμοσκοπίου
  • 1624 - Η λέξη θερμόμετρο εμφανίστηκε (στα γαλλικά) για πρώτη φορά στο La Récréation Mathématique από τον Jean Leurechon, ο οποίος περιγράφει ένα θερμόμετρο με κλίμακα 8 βαθμών.
  • 1629 - Ο Joseph Solomon Delmedigo περιγράφει σε ένα βιβλίο ένα ακριβές θερμόμετρο με σφραγισμένο γυαλί που χρησιμοποιεί μπράντυ
    • Ένα ιατρικό θερμόμετρο
    που δείχνει τη θερμοκρασία 38,7 °C
    By Menchi - Own work, CC BY-SA 3.0 

  • 1638 - Robert Fludd εμφανίζει το πρώτο θερμοσκόπιο που έχει κλίμακα, δηλαδή θερμόμετρο.
  • 1654 - Ο Ferdinando II de Medici, Μεγάλος Δούκας της Τοσκάνης, έφτιαξε κλειστούς σωλήνες γεμισμένους με αλκοόλ με βολβό (το μπαλάκι στο κάτω μέρος) και στέλεχος. Ήταν το πρώτο θερμόμετρο σύγχρονης τεχνολογίας, που η ένδειξή του είναι ανάλογη με τη διαστολή του υγρού και ανεξάρτητη από την πίεση του αέρα.
  • 1695 - Ο Guillaume Amontons βελτίωσε το θερμόμετρο

1700

  • 1701 - Ο Νεύτωνας δημοσιεύει τον "Νόμο της ψύξης του Νεύτωνα" που προσδιορίζει την ταχύτητας απώλειας θερμότητας ενός σώματος και εισάγει μια θερμοκρασιακή κλίμακα, η οποία είχε τους 0 βαθμούς να αντιπροσωπεύουν το σημείο ψύξης του νερού, τους 12 βαθμούς για τη θερμοκρασία του ανθρώπινου σώματος, τους 33 βαθμούς για το σημείο βρασμού του νερού κ.α.
  • 1701 - Ο Ole Christensen Røemer έκανε ένα από τα πρώτα πρακτικά θερμόμετρα . Ως δείκτης θερμοκρασίας χρησιμοποίησε κόκκινο κρασί. Η κλίμακα θερμοκρασίας που εισηγήθηκε (Κλίμακα Ρέμερ) βαθμονομήθηκε χρησιμοποιώντας  το σημείο πήξεως του αλατόνερου ως 0°Rø (βαθμοί Ρέμερ) και το σημείο βρασμού του νερού ως 60 °Rø.
    Ο Φαρενάιτ
    By Anonymous, Public Domain
  • 1709 - Ο Daniel Gabriel Fahrenheit κατασκευάζει θερμόμετρα αλκοόλης τα οποία ήταν αναπαραγώγιμα (δηλαδή δύο θα έδιναν την ίδια θερμοκρασία)
  • 1714 - Ο Daniel Gabriel Fahrenheit εφευρίσκει το θερμόμετρο υδραργύρου -υάλου δίνοντας πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια (4 φορές εκείνη του Rømer). Χρησιμοποιώντας το μηδενικό σημείο του Rømer και ένα ανώτερο σημείο της θερμοκρασίας του αίματος, ρύθμισε την κλίμακα έτσι ώστε το σημείο τήξης του πάγου ήταν 32 και το ανώτερο σημείο 96, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούσε να προσδιορίσει εύκολα τον 1°F (βαθμό Φαρενάιτ)  διαιρώντας τη διαφορά των 64 βαθμών έξι φορές στο ήμισυ διαδοχικά.
  • 1731 - Ο René Antoine Ferchault de Réaumur παρήγαγε μια κλίμακα στην οποία το 0 αντιπροσωπεύει το σημείο πήξης του νερού και το 80 αντιπροσωπεύει το σημείο βρασμού. Επιλέχθηκε το 80 διότι το μίγμα αλκοόλης που χρησιμοποιούσε διαστέλλεται κατά 80 μέρη ανά χιλιάδα.
  • 1742 - Ο Anders Celsius πρότεινε μια κλίμακα θερμοκρασίας στην οποία το 100 αντιστοιχεί στη θερμοκρασία τήξης του πάγου και το 0 αντιπροσωπεύει το σημείο ζέσεως του νερού σε μια συγκεκριμένη πίεση.
    Το θερμόμετρο του Christin (1743).
    By Science Museum of London , Attribution Wikipedia,
  • 1743 - Ο Jean-Pierre Christin είχε δουλέψει ανεξάρτητα από τον Celsius και ανέπτυξε μια κλίμακα όπου το μηδέν αντιπροσωπεύει το σημείο τήξης του πάγου και το 100 αντιπροσωπεύει το σημείο βρασμού αλλά δεν προσδιορίζει την πίεση.
  • 1744 - ο Carl Linnaeus πρότεινε την αντιστροφή της κλίμακας θερμοκρασίας του Anders Celsius έτσι ώστε το 0 να αντιπροσωπεύει το σημείο πήξης του νερού και το 100 να αντιπροσωπεύει το σημείο βρασμού.
  • 1782 - Ο James Six επινοεί το θερμόμετρο μεγίστου ελαχίστου

1800

Πυρομέτρηση τηγμένου πυριτίου σε 2650 °F
Στο εργοστάσιο τρανζίστορ Raytheon το 1956.
By George E. Meyers - from Radio and Television
News magazine, Ziff-Davis Publishing Co., New
York, Vol. 55, No. 5, May 1956, cover on
American Radio History site, Public Domain, 

1900


Αναρτήθηκε: