Термометрия — наука о измерении температуры¶
Термометрия — раздел физики и метрологии, посвящённый измерению температуры тел и веществ, включая теорию, методику и технические средства измерений. Термин происходит от греческих слов «thermos» (тёплый) и «metreo» (измеряю). Термометрия охватывает широкий диапазон температур — от долей кельвина в криогенных установках до миллионов кельвинов в плазменных системах, и применяется в промышленности, медицине, метеорологии, научных исследованиях и быту.
¶Основные понятия и единицы измерения
В Международной системе единиц (СИ) температура является одной из семи основных величин. Единицей измерения температуры в СИ служит кельвин (К), названный в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина). Шкала Кельвина начинается в абсолютном нуле (0 К ≈ −273,15 °C), соответствующем минимально возможной энергии теплового движения частиц.
На практике наряду с кельвином широко используются:
- Цельсий (°C) — шкала, предложенная шведским астрономом Андерсом Цельсием в 1742 году, где 0 °C соответствует температуре замерзания воды при нормальном давлении, а 100 °C — температуре кипения;
- Фаренгейт (°F) — историческая шкала, разработанная в 1724 году Даниэлом Фаренгейтом, до сих пор применяемая в США;
- Ранкина (°R) — абсолютная шкала, построенная по градусу Фаренгейта.
Перевод между шкалами осуществляется по формулам: t(°C) = T(К) − 273,15; t(°F) = 1,8·t(°C) + 32.
¶История
Первые устройства для измерения температуры появились в XVI–XVII веках. Итальянский учёный Галилео Галилей около 1593 года создал термоскоп — примитивный прибор, основанный на расширении воздуха при нагревании. В 1657 году флорентийская Академия Линчея усовершенствовала конструкцию, закрыв стеклянную трубку с водой, что позволило получить более стабильные показания.
Первый жидкостной термометр со шкалой приписывают немецкому физику Даниэлю Габриэлю Фаренгейту (1714 год) — он использовал ртуть в стеклянной колбе. В 1724 году Фаренгейт предложил свою шкалу с тремя фиксированными точками: температурой тающего льда, тающего снега с солью и температурой тела здорового человека.
Андерс Цельсий в 1742 году предложил десятичную шкалу, изначально построенную наоборот: 0 °C — точка кипения воды, 100 °C — точка замерзания. Современная инвертированная версия шкалы была утверждена уже после его смерти.
В XIX веке развитие термометрии связано с работами Уильяма Томсона (лорда Кельвина), сформулировавшего идею абсолютной температурной шкалы, и Луиджи Гальвани, Гийома Ампера и других исследователей. В 1848 году Кельвин предложил абсолютную шкалу, независимую от свойств конкретного вещества-термометра.
¶Классификация средств измерений
Современные термометры делятся на несколько больших групп:
| Тип | Принцип действия | Диапазон |
|---|---|---|
| Жидкостные (ртутные, спиртовые) | Температурное расширение жидкости | −200…+600 °C |
| Газовые (постоянного давления и объёма) | Расширение газа | −270…+1500 °C |
| Биметаллические | Разное расширение двух металлов | −60…+600 °C |
| Термоэлектрические (термопары) | Термоэлектрический эффект Зеебека | −270…+2300 °C |
| Сопротивления (термометры сопротивления) | Изменение электрического сопротивления металлов и полупроводников | −270…+850 °C |
| Пирометры (оптические, радиационные) | Излучение тела при нагревании | +600…+6000 °C и выше |
| Инфракрасные | Детектирование ИК-излучения | −50…+3000 °C |
¶Методы и методика измерений
Термометрия различает контактные и бесконтактные методы. Контактные требуют прямого теплового контакта термометра с объектом (жидкостные, газовые, термопары, термометры сопротивления). Бесконтактные (пирометрия) основаны на измерении теплового излучения объекта и применяются для раскалённых тел, движущихся предметов и агрессивных сред.
Ключевые задачи термометрии:
- Калибровка — установление зависимости между показаниями прибора и истинным значением температуры по эталонам;
- Поверка — официальная процедура подтверждения метрологических характеристик средств измерений (в Российской Федерации регулируется Федеральным законом «Об обеспечении единства измерений»);
- Компенсация погрешностей — учёт влияния теплопроводности, излучения, скорости потока среды и других факторов.
¶Применение
Термометрия применяется практически во всех отраслях:
- Промышленность — контроль температурных режимов в металлургии, нефтепереработке, химическом производстве;
- Медицина — клинические термометры для измерения температуры тела человека (норма — около 36,6 °C);
- Метеорология — станционные термометры, датчики радиозондов, спутниковые измерения;
- Наука — криогенные исследования (жидкий гелий, 4,2 К), ядерная физика, астрофизика;
- Пищевая промышленность — контроль режимов приготовления и хранения.
¶Термометрия в России
В Российской Федерации метрологическое обеспечение термометрии осуществляется Федеральным агентстве по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт). Государственные эталоны температуры создаются и поддерживаются в Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д. И. Менделеева (ВНИИМ). Институт разрабатывает и совершенствует средства измерений температуры, включая эталоны шкалы Международной температурной шкалы 1990 года (МТШ-90), принятой в качестве основной температурной шкалы.
Исторически СССР и Россия внесли значительный вклад в развитие термометрии: в ВНИИМ были созданы высокоточные газовые термометры, разработаны методики измерения температур в криогенном диапазоне, а также стандартные термометры сопротивления, получившие широкое применение в народном хозяйстве.
Источники:
- ГОСТ 8.568-97. Государственная система обеспечения единства измерений. Термометрия. Основные положения
- Международная температурная шкала 1990 (МТШ-90). Рекомендации BIPM
- Байков Н. В., Мальцев В. А. «Термометрия: учебное пособие»
- Менделеев Д. И. «Опыт установления свойств веществ от наименьших весов до наибольших»
- Справочник по метрологии. Под ред. Б. А. Доброхотова