В прошлый раз мы выяснили, как появился жидкостный термометр. Теперь мы поговорим о том, какие термометры бывают и что в них используется в качестве термометрического тела. Начнем с термометра, который появился самым первым - жидкостного.

Температуру в термометрах показывает расширяющаяся при нагревании капелька жидкости (ртути или окрашенного спирта), помещенная в проградуированную трубку. А чтобы шкалы разных термометров совпадали, мы выбираем две реперные точки: таяния льда и кипения воды при нормальных условиях. Далее делим полученный интервал на 100 равных частей, приписав ранее точке таяния льда 0 и точке кипения воды 100 (Получим шкалу Цельсия).

Если мы теперь, измеряя температуру воды в ванне, получим 30° на одном термометре, то и любой другой термометр покажет ту же температуру.

Предположим, что в качестве термометрического тела мы используем глицерин и зададимся вопросом: будут ли показания этого термометра прежними, если сохранить ту же шкалу? Крайние точки, конечно, будут совпадать с показаниями ртутного термометра, а что будут показывать термометры в промежуточных значениях температур?

Оказывается, показания ртутного и глицеринового термометров будут различны! Если на ртутном термометре будет 50,0 °С, то глицериновый покажет 47,6 °С. А если в качестве рабочего тела использовать водяной пар, то получим 12 °С при 50 °С по ртутному термометру.

Возникает естественный вопрос: шкалу какого термометра считать "правильной"? Чтобы ответить на этот вопрос немного отвлечемся и решим, какой из термометров более удобен: спиртовой, глицериновый или ртутный. Возьмем в качестве "эталона" ртуть и перечислим ее достоинства и недостатки.

Достоинства

1. Непрозрачна.
2. Остается жидкой в широком диапазоне температур.
3. Трудно испарима при обычных температурах.
4. Имеет большой краевой угол со стеклом.
5. Легко получается в чистом виде.
6. Это металл и, подобно всем металлам, обладает хорошей теплопроводностью.
7. Коэффициент теплового расширения ниже, чем у большинства жидкостей.

Недостатки

1. Слишком высокая плотность.

Некоторые из перечисленных достоинств ртути далеко не очевидны, впрочем, как и недостаток. Не сразу ясно например, почему малое значение коэффициента теплового расширения благоприятно, а высокая плотность – вредна с точки зрения использования ртути в качестве термометрического вещества.

Проведем небольшой опыт. Прибор, измеряющий расширение ртути А, поместим в сосуд с водой (рис. 1.). Он состоит из стеклянного шарика со ртутью и проградуированной трубки, измеряющей расширение. В - термометр, т.е. такое же устройство, что и А, шкала которого соответствует температуре.

Будем нагревать воду в сосуде, тщательно перемешивая ее, делая ряд отсчетов, и построим график зависимости расширения от температуры (рис. 2.). Но этот опыт не дает никакой информации о расширении ртути.

Таким образом, мы не можем сказать, что ртуть дает "правильную" температурную шкалу, а глицерин - "неправильную". Мы можем выбрать любую жидкость и объявить: эта жидкость дает стандартную шкалу.

Получается, что ни одна шкала жидкостного термометра не показывает истинную, или правильную, температуру. Это обескураживает, но позволяет сделать ряд выводов, один из которых говорит: мы вправе остановиться на ртутном термометре из практических соображений.

Попытки найти истинную температуру или более общую, изначальную, чем температура, основанная на произвольном выборе ртути, не увенчались успехом. Самое интересное, что нечто похожее дает газовый термометр.

Газовый термометр измеряет температуру по расширению образца какого-либо газа или по увеличению давления в фиксированном объеме. В этом термометре нам не грозят трудности ртутного, связанные с расширением стекла, т.к. расширене газа в 20 раз больше, чем ртути, следовательно, влияние стекла минимально. А в силу того, что газы ведут себя практически одинаково, то и показания различных газовых термометров практически идеально согласуются, что удобно с методической точки зрения.

Устройство газового термометра показано на рис. 3. Трубка барометра АВ проградуирована в градусах Цельсия, а не в единицах давления.

При градуировке такого термометра мы погружаем баллон С в тающий лед и наносим на термометре риску 0. Потом помещаем баллон С в кипящую воду и наносим риску 100. Отмечам данные точки на графике и соединяем их прямой линией. Пользуясь определенной таким образом шкалой, строим график зависимости давления от температуры (рис. 4.,5.). Теперь газовый термометр позволит нам измерить температуру, если мы знаем давление газа в баллоне при этой температуре.

Теперь можно сверить с газовым термометром ртутный и глицериновый.

Так было обнаружено, что тепловое расширение ртути, в отличие от большинства жидкостей, - линейно! Что дает нам еще один повод использовать ртутный термометр, как более точный, нежели спиртовой или глицериновый.

Другое преимущество газового термометра - он указывает на наличие абсолютного нуля. Ну а так как газ, например гелий, ведет себя как газ при очень низких температурах, то газовые термометры используют для измерения отрицательных температур.

Еще более интересны электрические термометры, основанные на изменении электрического сопротивления металла (линейная зависимость) или полупроводника (нелинейная зависимость) в зависимости от температуры. Такими термометрами вполне можно измерить температуры до 1000-1200 °С.

Еще большие температуры измеряют оптическими пирометрами, принцип действия которых основан на тепловом излучении тел.