Ранние попытки измерить тепло

Желание человека количественно оценить температуру восходит к древности, задолго до того, как какой-либо инструмент существовал для ее измерения. Древнегреческие врачи, такие как Гален (около 129-216 гг. н.э.), много писали о градусах тепла и холода по отношению к здоровью человека, предлагая систему из четырех градусов каждый для горячего, холодного, влажного и сухого. Эти спекулятивные шкалы не имели физической основы и не могли быть измерены, но они отражали осознание того, что колебания температуры были клинически значимыми.

В Китае во время династии Хань (206 г. до н.э.-220 г. н.э.) ремесленники и ученые разработали устройства, которые использовали расширение газов или жидкостей для обозначения изменений температуры. Эти ранние инструменты, часто описываемые как «предсказатели погоды», полагались на принцип, что воздух внутри герметичной камеры будет расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении, перемещая поршень или изменяя уровень жидкости. Хотя это были экспериментальные любопытности, а не точные инструменты, они продемонстрировали, что тепловое расширение материалов может служить прокси для температуры.

Истинный предшественник современного термометра появился в конце 16 века с изобретением термоскопа. Около 1593 года Галилео Галилей построил простое устройство, состоящее из стеклянной колбы с длинной шеей, перевернутой в сосуд с водой. По мере того, как воздух внутри колбы нагревался или охлаждался, уровень воды поднимался или опускался, обеспечивая визуальное указание на изменение температуры. Однако термоскоп не имел численного масштаба, не мог производить воспроизводимые показания и находился под влиянием атмосферного давления, что делало его ненадежным для последовательного измерения.Современник Галилея, Санторио Санторио, врач из Университета Падуи, улучшил конструкцию, добавив градуированную шкалу и используя устройство для мониторинга лихорадки пациентов около 1612 года, но его инструмент все еще страдал от той же барометрической интерференции, что и у Галилея.

Первые запечатанные термометры и рождение чешуи

Критический прорыв произошел, когда изобретатели поняли, что уплотнение термометрической жидкости из атмосферы устранило эффекты давления и резко улучшило консистенцию. В 1654 году Фердинандо II де Медичи, великий герцог Тосканы, создал герметичный термометр в стекле, который использовал градуированную шкалу. Его устройство широко считается первым современным термометром, потому что оно было независимым от давления воздуха и могло обеспечить повторяемые измерения. Флорентийская академия наук под патронажем Медичи произвела многочисленные вариации этого термометра, экспериментируя с различными жидкостями и масштабными делениями. Тем не менее стандартизация оставалась неуловимой — каждый производитель приборов использовал свою собственную произвольную шкалу, и никакие два термометра не обязательно согласовывались друг с другом.

Шкала Фаренгейта

Даниэль Габриэль Фаренгейт, немецко-голландский физик и приборостроитель, родившийся в 1686 году, произвел революцию в измерении температуры в начале 18 века. После многих лет экспериментов с различными термометрическими жидкостями, Фаренгейт разработал первый надежный ртутный термометр в 1714 году. Меркурий был вдохновенным выбором: он равномерно расширяется с температурой, остается жидким в широком диапазоне (от -38,83 ° C до 356,73 ° C) и не мочит стекло, как это делает алкоголь. Эти свойства позволили получить более тонкую скуку и большую точность, чем любая предыдущая конструкция.

Фаренгейт также разработал температурную шкалу, основанную на трех фиксированных точках. Он установил 0°F как самую холодную температуру, которую он мог достичь, используя смесь льда, воды и хлорида аммония (рассол). Он установил 32°F как точку замерзания чистой воды и первоначально установил 96°F как среднюю температуру тела человека (позже очищенную до 98,6°F). Интервал между замерзанием и кипячением воды таким образом стал 180 градусов, разделение, которое обратилось к Фаренгейту для его математического удобства. Сегодня шкала Фаренгейта используется в основном в Соединенных Штатах и его территориях, а также для некоторых метеорологических и промышленных применений в других странах.

Реомюр и шкалы Цельсия

Примерно в то же время французский физик Рене Антуан Фершо де Реаумур предложил термометр на спиртовой основе с шкалой, где температура замерзания воды составляла 0 градусов, а температура кипения — 80 градусов. Реаумур выбрал алкоголь из-за его высокого коэффициента расширения, и он определил свою шкалу, разделив изменение объема между замерзанием и кипячением на 80 равных частей. Шкала Реаумура получила широкое распространение по всей континентальной Европе, особенно во Франции, Германии и России, где она оставалась в использовании для метеорологических и кулинарных целей вплоть до 19-го века. В конечном итоге она потеряла почву для более практичных систем, хотя иногда используется в некоторых европейских традициях сыроварения и кондитерских изделий.

В 1742 году шведский астроном Андерс Цельсия ввел шкалу, которая поместила точку замерзания воды при 0°C и точку кипения при 100°C. Интересно, что Цельсия первоначально использовала 0°C в качестве точки кипения и 100°C в качестве точки замерзания — обратное современной конвенции. После смерти Цельсия в 1744 году шкала была перевернута Карлом Линнеем и другими в ее текущую форму, где 0°C представляет собой замерзание, а 100°C представляет собой кипение при стандартном атмосферном давлении. Шкала Цельсия теперь является частью Международной системы единиц (SI) и используется повсеместно в научных контекстах и подавляющим большинством стран для повседневных целей.

Шкала Кельвина и термодинамическая температура

Развитие термодинамики в XIX веке потребовало абсолютной температурной отсчет, не зависящей от свойств какого-либо конкретного вещества. В 1848 году британский физик и инженер Уильям Томсон, позже известный как лорд Кельвин, предложил термодинамическую температурную шкалу, основанную на теореме Карно. Эта шкала устанавливает абсолютный ноль — теоретическую точку, где прекращается все молекулярное движение — как 0 Кельвин (0 К) и использует тот же прирост градуса, что и шкала Цельсия. Один кельвин равен одному градусу Цельсия, но нулевые точки различаются: 0 К равен —273,15°C.

Шкала лорда Кельвина имеет фундаментальное значение для физики, химии и инженерии, поскольку она напрямую связывает температуру со средней кинетической энергией частиц. Она позволяет производить точные расчеты в термодинамике, криогенике, квантовой механике и космологии. Международная шкала температуры 1990 года (ITS-90), которая является современным стандартом для практического измерения температуры, определяет фиксированные точки, такие как тройная точка воды (273,16 К точно) и точки замерзания чистых металлов, наряду с указанными инструментами, такими как термометры сопротивления платины и радиационные пирометры. Международный комитет по весам и мерам (CIPM) наблюдает за дальнейшим усовершенствованием этой шкалы.

Влияние на науку и общество

Способность точно измерять температуру преобразовала почти все области науки и промышленности. То, что когда-то было предметом субъективного человеческого ощущения, стало точной, воспроизводимой величиной, которую можно было регистрировать, сравнивать и анализировать во времени и на расстоянии.

Медицина и здоровье

Клинические термометры стали необходимыми для диагностики лихорадки, мониторинга инфекций и принятия решений о лечении. Ранние усилия Карла Августа Вундерлиха в 19 веке установили нормальную температуру тела человека как 37 ° C (98,6 ° F) и систематически связывали отклонения от этой нормы с конкретными заболеваниями. Работа Вундерлиха, основанная на миллионах показаний температуры от пациентов в Лейпцигской университетской больнице, заложила основу для современной клинической термометрии. Современные медицинские термометры — включая инфракрасные ушные термометры, сканеры лба и цифровые контактные зонды — повсеместно распространены в больницах, клиниках и домах, что позволяет быстро сортировать и доказательную помощь. Переход от ртутьсодержащих термометров, вызванный проблемами токсичности, был продвинут во всем мире такими организациями, как Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) .

Метеорология и наука о климате

Систематические показания температуры начались в 18 веке с новаторских наблюдателей, таких как Даниэль Бербингер в Германии и Джеймс Юрин в Англии. К 19 веку национальные метеорологические службы использовали стандартизированные термометры, размещенные на экранах Стивенсона, для сбора согласованных данных для прогнозирования и климатологии. Долгосрочные записи из этих ранних измерений теперь необходимы для понимания изменения климата и глобального потепления. Ученые анализируют температурные тенденции, простирающиеся более чем на 150 лет, чтобы моделировать будущие климатические сценарии и оценивать влияние человека на систему Земли. Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) поддерживает обширные температурные архивы, которые свободно доступны исследователям во всем мире.

Физика и химия

Точное измерение температуры легло в основу некоторых наиболее важных открытий в физических науках. Газовые законы Бойля, Чарльза и Гей-Люссака основывались на точных температурных данных. Концепция Джозефа Блэка о скрытом тепле и его калориметрические эксперименты зависели от тщательного измерения температуры. Формулировка термодинамики Карно, Клаузиусом, Кельвином и другими была бы невозможна без надежных термометров. В химии контроль температуры регулирует скорости реакций, фазовые переходы, состояния равновесия и поведение материалов в экстремальных условиях. Национальный институт стандартов и технологий (NIST) продолжает разрабатывать и поддерживать температурные стандарты, которые прослеживают свою линию до этих исторических основ.

Промышленные процессы

Температурные датчики имеют решающее значение почти в каждом производственном секторе. В сталелитейном производстве температуры печи должны контролироваться в пределах нескольких градусов для достижения желаемых свойств сплава. Производство стекла требует точных тепловых профилей для предотвращения напряжений и дефектов. Производство полупроводников требует сверхстабильного контроля температуры во время фотолитографии, осаждения и отжига. Обработка пищевых продуктов зависит от мониторинга температуры для пастеризации, стерилизации и управления холодными цепями. Химические реакторы зависят от точного измерения температуры для поддержания безопасных условий эксплуатации и оптимизации выходов. Один неисправный датчик температуры может закрыть всю производственную линию, подчеркивая центральную роль, которую эти устройства играют в современной промышленности.

Современные термометры и инновации

Сегодня термометры бывают самых разных типов, каждый из которых оптимизирован для конкретного применения, требований к точности и операционной среды.

Цифровые и электронные термометры

Цифровые термометры используют терморезисторы или детекторы температуры сопротивления (RTD) для преобразования температуры в электрический сигнал. Термисторы - это полупроводниковые устройства, сопротивление которых резко меняется с температурой, предлагая высокую чувствительность в узких диапазонах. RTD, обычно изготовленные из платинового провода, обеспечивают отличную точность и стабильность в широких температурных диапазонах. Цифровые медицинские термометры в значительной степени заменили модели ртути в стекле в большинстве стран, что обусловлено опасениями по поводу токсичности ртути и удобства быстрых, простых в чтении дисплеев. Многие цифровые термометры теперь включают Bluetooth или беспроводное подключение, что позволяет регистрировать данные и удаленный мониторинг через приложения для смартфонов.

Инфракрасные и бесконтактные термометры

Инфракрасные термометры измеряют тепловое излучение, испускаемое объектами, позволяя считывать температуру с расстояния без физического контакта. Эти устройства стали особенно заметными во время пандемии COVID-19, когда широко применялся бесконтактный скрининг лихорадки в аэропортах, больницах, школах и на рабочих местах. Тепловизионные камеры идут дальше, создавая температурные карты целых поверхностей в режиме реального времени. Эти камеры используются для диагностики зданий, электроинспекции, мониторинга механической системы и медицинской визуализации для оценки воспаления и циркуляции. Основополагающий принцип — закон Планка излучения черного тела — соединяет интенсивность и спектр испускаемого инфракрасного излучения с температурой испускающей поверхности.

Термопары и пирометры

Термопары, изобретенные Томасом Зеебеком в 1821 году, состоят из двух разнородных металлов, соединенных на измерительном переходе. При нагревании соединения образуется напряжение, пропорциональное разности температур между измерительным переходом и эталонным переходом. Термопары недорогие, механически прочные и способные измерять чрезвычайно широкие температурные диапазоны, от -270°C до более 2000°C в зависимости от используемой металлической пары. Они незаменимы в промышленных применениях, таких как печи, котлы, печи и мониторинг выхлопных газов. Оптические пирометры, которые измеряют температуру путем сравнения видимого свечения горячего объекта с калиброванной нитью, используются для экстремальных температур за пределами диапазона контактных датчиков. Энциклопедия Britannica обеспечивает подробное техническое объяснение принципов и типов термопар.

Наноразмерные и умные термометры

Крайние исследования продолжаются в термометрах, которые работают на молекулярном уровне. Нанотермометры на основе флуоресценции, квантовых точек или центров алмазных азотных вакансий могут измерять температуру внутри живых клеток с субмикронным пространственным разрешением. Эти инструменты открывают новые границы в биологии, позволяя ученым изучать клеточный метаболизм, генерацию тепла и терморегуляцию на уровне одной клетки. В полупроводниковом производстве наноразмерные температурные датчики помогают контролировать и контролировать процессы, где даже крошечные колебания температуры могут влиять на выход и производительность. «умные» термометры все чаще интегрируются в системы Интернета вещей (IoT), позволяя в режиме реального времени контролировать, автоматические оповещения и аналитику данных по цепочкам поставок, складам, центрам обработки данных и интеллектуальным зданиям.

Оригинальное название: A Legacy of Precision

История термометра показывает, как простая необходимость — измерять горячее и холодное — привела к векам инноваций в физике, химии, медицине и промышленности. От деликатного термоскопа Галилея до современных цифровых датчиков, инфракрасных камер и наноразмерных зондов, поиск точных измерений температуры сформировал современный мир бесчисленными способами. Принципы, установленные Фаренгейтом, Цельсия и Кельвином, остаются центральными в науке об измерениях, в то время как новые технологии продолжают раздвигать границы того, что можно почувствовать и количественно оценить. История термометра — это история человеческой изобретательности и неустанного стремления к точности — основа, на которой опирается большая часть современной науки, медицины и технологии.