PHYSIC LESSONS: ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ

ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Πολλές φορές είναι χρήσιμο στην καθημερινή μας ζωή να γνωρίζουμε πόσο ζεστό ή κρύο είναι ένα σώμα.Για παράδειγμα,κάθε φορά που θέλουμε να βγούμε από το σπίτι μας πρέπει να γνωρίζουμε πόσο ζεστό ή κρύο είναι το περιβάλλον για να ντυθούμε κατάλληλα.Όταν ήσουν μικρός,κάθε φορά που φαινόσουν άκεφος, πιθανόν να θυμάσαι τη μητέρα σου να βάζει το χέρι της στο μέτωπο σου για να αισθανθεί πόσο ζεστό είναι ώστε να διαπιστώσει αν είσαι άρρωστος.Στην καθημερινή ζωή συχνά συνδέουμε την έννοια της θερμοκρασίας με το πόσο ζεστό ή κρύο είναι ένα σώμα.Είναι δυνατόν με τις αισθήσεις μας να εκτιμήσουμε τη θερμοκρασία ενός σώματος;

Η πρώτη ατμομηχανή που κατασκευάστηκε από τον Τόμας Νιούκομεν και το βοηθό του Τζον Κάλυ το 1712 στη Αγγλία.Χρησιμοποιήθηκε για την άντληση νερού.Η μηχανή αυτή τροποποιήθηκε και βελτιώθηκε αργότερα από τον Βατ (1765) και αποτέλεσε τον πρόδρομο των σύγχρονων ατμομηχανών

Όταν ακουμπάς με το χέρι σου το μεταλλικό πόμολο της ξύλινης πόρτας,το πόμολο σου φαίνεται πιο κρύο από την πόρτα.Έχουν όμως διαφορετική θερμοκρασία;Οι αισθήσεις μας πολλές φορές μας παραπλανούν.

Μέσα σε ζεστό και σε παγωμένο νερό βυθίζουμε από ένα θερμόμετρο.Κατόπιν,βυθίζουμε τα θερμόμετρα μέσα σε ένα φλιτζάνι χλιαρό τσάι.Μέσα στο τσάι η ένδειξη των θερμομέτρων είναι η ίδια.Με το θερμόμετρο μετράμε αντικειμενικά τη θερμοκρασία ενός σώματος

Για να μετρήσουμε με αντικειμενικό τρόπο τη θερμοκρασία ενός σώματος,χρησιμοποιούμε τα θερμόμετρα.

Μέτρησε σωστά τη θερμοκρασία.Το θερμόμετρο πρέπει να είναι σε επαφή μόνο με το σώμα που θερμομετρούμε μέχρι να σταθεροποιηθεί η ένδειξή του

Η θερμοκρασία του σώματος προσδιορίζεται από την ένδειξη του θερμομέτρου,το οποίο πρέπει να βρίσκεται σε επαφή με αυτό.Η λειτουργία των θερμομέτρων βασίζεται στη μεταβολή των ιδιοτήτων ορισμένων υλικών όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία τους.Για παράδειγμα,στο υδραργυρικό θερμόμετρο όταν η θερμοκρασία αυξάνεται,το μήκος της στήλης του υδραργύρου μεγαλώνει.Τα θερμόμετρα υπάρχουν σε διάφορους τύπους και μεγέθη.

ΚΛΙΜΑΚΑ ΚΕΛΣΙΟΥ

Ο Γαλιλαίος το 1592 κατασκεύασε το θερμοσκόπιο,το πρώτο όργανο με το οποίο μπορούσε να εκτιμήσει τη θερμοκρασία ενός σώματος.Για να γίνει το θερμοσκόπιο θερμόμετρο, πρέπει να βαθμονομηθεί,δηλαδή να εφοδιαστεί με μια κλίμακα μέτρησης.Υπάρχουν διάφορες κλίμακες μέτρησης της θερμοκρασίας.Αυτή που έχει καθιερωθεί στην Ευρώπη και χρησιμοποιείται τόσο στη επιστήμη όσο και στην καθημερινή ζωή και τη βιομηχανία είναι η εκατονταβάθμια ή κλίμακα Κελσίου.

Το θερμοσκόπιο του Γαλιλαίου.(Δεν ονομάζεται θερμόμετρο,γιατί η κλίμακα που χρησιμοποιούσε είναι αυθαίρετη).Η σφαίρα που υπάρχει στην κορυφή είναι ο αισθητήρας.Καθώς θερμαίνεται ή ψύχεται,ο αέρας που περιέχεται σε αυτήν και το σωλήνα διαστέλλεται ή συστέλλεται και η επιφάνεια του υγρού κατεβαίνει ή ανεβαίνει αντίστοιχα

Για τη δημιουργία της κλίμακας ο Σουηδός Κέλσιος χρησιμοποίησε δυο σταθερές θερμοκρασίες.Βύθισε το υδραργυρικό θερμοσκόπιο του σε πάγο που λιώνει.Αντιστοίχισε αυτή τη θερμοκρασία στο μηδέν της κλίμακας Κελσίου.Στη συνέχεια βύθισε το θερμοσκόπιο σε καθαρό νερό που βράζει.Αντιστοίχισε αυτή τη θερμοκρασία στο 100.Χωρίζοντας το διάστημα μεταξύ των δύο αυτών αριθμών σε 100 ίσα τμήματα προέκυψε η κλίμακα.

Ο Άντερς Κέλσιος (Anders Celsius) (27 Νοεμβρίου 1701–25 Απριλίου 1744) ήταν Σουηδός αστρονόμος.Διετέλεσε καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα από το 1730 έως το 1744,αλλά παράλληλα από το 1732 έως το 1735 πραγματοποίησε πολλά ταξίδια και επισκέφτηκε πληθώρα αστεροσκοπείων στη Γερμανία,την Ιταλία και τη Γαλλία.Ίδρυσε το Αστεροσκοπείο της Ουψάλα το 1741,και το 1742 πρότεινε μία κλίμακα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας,η οποία φέρει το όνομά του.Η κλίμακα αντιστράφηκε από τον Κάρολο Λινναίο το 1745 ένα χρόνο μετά το θάνατο του Κέλσιου

Σ' αυτή την κλίμακα καθένα από τα τμήματα αντιστοιχεί σε μεταβολή θερμοκρασίας κατά ένα βαθμό Κελσίου (1 °C).Όταν η ένδειξη του θερμομέτρου είναι 30,λέμε ότι η θερμοκρασία του σώματος είναι 30 °C. Ο Κέλσιος επέκτεινε την κλίμακά του για θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 100 °C και για μικρότερες από 0 °C.Οι τελευταίες εκφράζονται με αρνητικούς αριθμούς.

ΚΛΙΜΑΚΑ ΦΑΡΕΝΑΙΤ

Το 1717 ο Γερμανός φυσικός και κατασκευαστής οργάνων Φαρενάιτ,επειδή δεν ήθελε να χρησιμοποιεί αρνητικές θερμοκρασίες,όρισε ως 0 τη χαμηλότερη θερμοκρασία που είχε πετύχει στο εργαστήριο του:τη θερμοκρασία ενός μείγματος ίσων ποσοτήτων από πάγο,νερό και θαλασσινό αλάτι.

Ο Ντάνιελ Γκάμπριελ Φαρενάιτ (γερμανικά: Daniel Gabriel Fahrenheit,24 Μαΐου 1686,Γκντανσκ–16 Σεπτεμβρίου 1736,Χάγη) ήταν Γερμανοπολωνικής καταγωγής Ολλανδός φυσικός,μηχανικός και εφευρέτης

Τη θερμοκρασία του υγιούς ανθρώπινου σώματος την όρισε ως το 96 της κλίμακας και χώρισε το διάστημα μεταξύ των δυο αυτών αριθμών σε 96 ίσα τμήματα.Με βάση αυτές τις υποδιαιρέσεις,η κλίμακα μπορεί να επεκταθεί σε υψηλότερες ή χαμηλότερες θερμοκρασίες.

Αντιστοιχία μεταξύ της κλίμακας Κελσίου και της κλίμακας Φαρενάιτ. Η μεταβολή κατά 1°C ισοδυναμεί κατά 180/100°F ή 9/5°F ή 1,8°F

Έτσι, η θερμοκρασία στην οποία λιώνει ο πάγος είναι 32 βαθμοί Φαρενάιτ (°F) και αυτή στην οποία βράζει το καθαρό νερό 212 °F.Για να μετατρέψουμε τους βαθμούς της κλίμακας Κελσίου σε βαθμούς κλίμακας Φαρενάιτ,χρησιμοποιούμε τη σχέση:

TF=32°+1,8·TC

όπου:

TF η θερμοκρασία σε βαθμούς Φαρενάιτ και

TC η θερμοκρασία σε βαθμούς Κελσίου.

Η κλίμακα Φαρενάιτ χρησιμοποιείται και σήμερα στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής.
Σήμερα έχει σχεδόν αντικατασταθεί από την κλίμακα Κελσίου,πλην όμως χρησιμοποιείται σε περιορισμένους,μη επιστημονικούς,σκοπούς στις Ηνωμένες Πολιτείες και σε μερικές ακόμα χώρες όπως η Μπελίζε.

Θερμόμετρο με κλίμακα Κελσίου (εσωτερικά) και Φαρενάιτ (εξωτερικά)

Στην κλίμακα Φαρενάιτ το σημείο πήξης του νερού είναι οι 32 βαθμοί Φαρενάιτ (°F) και το σημείο βρασμού του οι 212 (°F) (σε κανονική πάντα ατμοσφαιρική πίεση),χωρίζοντας έτσι τα δύο σημεία αναφοράς κατά 180 βαθμούς.Συνεπώς,ένας βαθμός της κλίμακας Φαρενάιτ ισούται με το 1/180 του διαστήματος μεταξύ πήξης και βρασμού.

Tο διάστημα 1 βαθμού Φαρενάιτ είναι διάστημα 5/9 του ενός βαθμού Κελσίου

Το αντίστοιχο διάστημα στην κλίμακα Κελσίου είναι 100 βαθμοί.Έτσι το διάστημα 1 βαθμού Φαρενάιτ είναι διάστημα 5/9 του ενός βαθμού Κελσίου.Οι δύο κλίμακες έχουν κοινό σημείο στους -40 βαθμούς (δηλαδή -40 °F και -40 °C αναπαριστούν την ίδια θερμοκρασία).
Το απόλυτο μηδέν στην κλίμακα Φαρενάιτ είναι οι −459,67 °F.Η κλίμακα Ράνκιν (R) φτιάχτηκε με την ίδια διαβάθμιση της κλίμακας Φαρενάιτ,έτσι ώστε το απόλυτο μηδέν να είναι 0 R.

Η ΑΠΟΛΥΤΗ ΚΛΙΜΑΚΑ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΩΝ-ΚΛΙΜΑΚΑ ΚΕΛΒΙΝ

Στην κλίμακα Κέλσιου όπως και στη Φαρενάιτ οι θερμοκρασίες αναφοράς 0 και 100 ορίζονται αυθαίρετα.Υπάρχει άραγε κλίμακα που να μη βασίζεται σε κάποιο αυθαίρετο σημείο αναφοράς;Τα πειράματα έδειξαν ότι κανένα υλικό δεν μπορεί να ψυχθεί σε θερμοκρασία μικρότερη από -273 °C.Έτσι,οι επιστήμονες αντιστοίχισαν το μηδέν μιας νέας κλίμακας θερμοκρασιών στους -273 °C.Το μηδέν αυτής της κλίμακας ονομάζεται απόλυτο μηδέν και η κλίμακα αυτή ονομάζεται απόλυτη κλίμακα ή κλίμακα Κέλβιν.Η κλίμακα Κέλβιν έχει μόνο θετικές τιμές.

Αντιστοιχία μεταξύ της κλίμακας Κελσίου και της κλίμακας Κέλβιν:θερμοκρασία σε βαθμούς Κέλβιν=θερμοκρασία σε βαθμούς Κελσίου+273

Οι επιστήμονες μετρούν τη θερμοκρασία χρησιμοποιώντας την κλίμακα Κέλβιν.Ο "βαθμός" της είναι το Κέλβιν και συμβολίζεται με Κ.Μεταβολή θερμοκρασίας κατά ένα Κέλβιν είναι ίση με μεταβολή θερμοκρασίας κατά ένα βαθμό Κελσίου.Για να μετατρέψουμε τους βαθμούς Κελσίου (TC) σε βαθμούς Κέλβιν (TK),χρησιμοποιούμε την αριθμητική σχέση:

TK=TC+273

Έτσι,η θερμοκρασία που λιώνει ο πάγος είναι 273 Κ και η θερμοκρασία που βράζει το νερό 373 Κ.Στη γη η μικρότερη θερμοκρασία αέρα που έχει παρατηρηθεί είναι 184 Κ (-89 °C) και η μεγαλύτερη 332 Κ (59 °C).Στο σύμπαν το εύρος των θερμοκρασιών είναι τεράστιο.Θερμοκρασίες που αγγίζουν το απόλυτο μηδέν,υπάρχουν στα πέρατα του διαστήματος και επιτυγχάνονται με τεχνητά μέσα στα γήινα επιστημονικά εργαστήρια.Θερμοκρασίες 20.000.000 Κ υπάρχουν στο εσωτερικό των αστέρων,όπως στον Ήλιο.


Ο ΚΟΣΜΟΣ ΚΑΙ ΟΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ ΤΟΥ
	Κ	°C	Είδος θερμότητας
Απόλυτο μηδέν	0	-273,15
Χαμηλότερη θερμοκρασία που έχει επιτευχθεί στο εργαστήριο	10^-9		Ηλεκτρικής αντίστασης
Ενδογαλαξιακός χώρος	3	-270	Θεωρητικά
Βρασμός του υγρού ηλίου	4,2	-269	Θερμόμετρο αερίου
Στερεοποίηση του διοξειδίου του άνθρακα (ξηρός πάγος)	195	-78	Θερμόμετρο οινοπνεύματος
Ο πάγος λιώνει/Το νερό στερεοποιείται	273,15	0	Υδραργυρικό
Ανθρώπινο σώμα	310	37	Υδραργυρικό
Βρασμός του νερού	373,15	100	Υδραργυρικό
Ο χρυσός λιώνει	1,337	1,064	Θερμόμετρο ηλεκτρικής αντίστασης
Φλόγα	2,500	2,200	Πυρόμετρο - Θερμόμετρο ακτινοβολίας
Κέντρο της γης	16,000	15,700	Θεωρητικά
Κέντρο του ήλιου	107	107	Θεωρητικά
Αστέρες νετρονίων	109	109	Θεωρητικά

ΚΛΙΜΑΚΑ ΡΕΩΜΥΡΟΥ

ΚΛΙΜΑΚΑ ΡΕΩΜΥΡΟΥ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η κλίμακα Ρεωμύρου (Réaumur) είναι θερμομετρική κλίμακα.

Η κλίμακα Ρεωμύρου (Réaumur) είναι θερμομετρική κλίμακα

Τη θερμομετρική κλίμακα αυτήν επινόησε ο Γάλλος Ρενέ Αντουάν Φερσό ντε Ρεομίρ το 18ο αιώνα.Ο Ρεωμύρος όρισε με τον ίδιο τρόπο την κλίμακα,με την κλίμακα Κελσίου,αλλά αντί 100° έβαλε στο σημείο ζέσης 80°.

Ο Ρενέ Αντουάν Φερσώ ντε Ρεωμύρ (René-Antoine Ferchault de Réaumur,28 Φεβρουαρίου 1683-17 Οκτωβρίου 1757) ήταν Γάλλος επιστήμονας με συνεισφορές σε διάφορα πεδία και ιδίως στην εντομολογία.Εισήγαγε την ομώνυμη θερμομετρική κλίμακα

Τοποθετεί το μηδέν της στην συνύπαρξη νερού και πάγου,σημείο τήξεως του πάγου ή πήξεως του νερού,σε Κανονικές Συνθήκες (ατμοσφαιρική πίεση 1 ατμόσφαιρας) και τους 80 βαθμούς στη συνύπαρξη νερού και υδρατμών,σημείο ζέσης του νερού ή υγροποίησης των υδρατμών,και πάλι σε Κανονικές Συνθήκες.

ΚΛΙΜΑΚΑ ΡΕΩΜΥΡΟΥ

Το θερμόμετρο Réaumur περιείχε αραιωμένη αλκοόλη (αιθανόλη) και κατασκευάστηκε με το σημείο πήξης του νερού 0 ° C,και να βαθμολογήσει το σωλήνα σε μοίρες,από τις οποίες ήταν το ένα χιλιοστό του όγκου που περιέχεται από το λαμπτήρα και του σωλήνα έως το μηδέν.

Το θερμόμετρο Réaumur περιείχε αραιωμένη αλκοόλη (αιθανόλη)

Πρότεινε ότι η συγκέντρωση της αλκοόλης που χρησιμοποιείται είναι τέτοια ώστε να αρχίσει να βράζει στους 80 ° Ré-δηλαδή,όταν είχε επεκταθεί σε όγκο κατά 8%.Επέλεξε το αλκοόλ αντί για υδράργυρο,επειδή διαστέλλεται με πιο εμφανή τρόπο,αλλά αυτό θέτει προβλήματα:Τα αρχικά θερμόμετρα του ήταν πολύ ογκώδη,και το χαμηλό σημείο βρασμού του αλκοόλ τα έκανε ακατάλληλα για πολλές εφαρμογές.

Η μετατροπή της στην κλίμακα Κελσίου

Το 1772 ο Jean-André Deluc μελέτησε τις διάφορες ουσίες που χρησιμοποιούνται σε θερμόμετρα και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα θερμόμετρα υδραργύρου ήταν τα καλύτερα για πρακτική χρήση. Από τα τέλη του 18ου αιώνα,ο υδράργυρος χρησιμοποιείται σχεδόν χωρίς εξαίρεση

ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΣΕ ΚΛΙΜΑΚΑ ΚΕΛΣΙΟΥ

Η μετατροπή της στην κλίμακα Κελσίου γίνεται σύμφωνα με τη σχέση:

C/5 = R/4

όπου:

C η θερμοκρασία στην κλίμακα Κελσίου και

R η θερμοκρασία στην κλίμακα Ρεωμύρου.

ΧΡΗΣΕΙΣ ΤΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ ΡΕΩΜΥΡΟΥ

Η κλίμακα Réaumur είδε ευρεία χρήση στην Ευρώπη,ιδιαίτερα στη Γαλλία και τη Γερμανία,καθώς και στη Ρωσία,όπως αναφέρεται στα έργα του Ντοστογιέφσκι,Τολστόι,και Ναμπόκοφ.Από το 1790,η Γαλλία επέλεξε την κλίμακα Κελσίου για το μετρικό σύστημα.Αλλά είχε χρησιμοποιηθεί σε ορισμένα μέρη της Ευρώπης,τουλάχιστον μέχρι τα μέσα του 19ου αιώνα.

Η μόνο σύγχρονη χρήση του είναι μόνο η μέτρηση της θερμοκρασίας του γάλακτος στην παραγωγή τυριού

Η μόνο σύγχρονη χρήση του είναι μόνο η μέτρηση της θερμοκρασίας του γάλακτος στην παραγωγή τυριού.Χρησιμοποιείται σε ορισμένα ιταλικά γαλακτοκομεία και σε ελβετικά τυριά.