На каком свойстве жидкости основан принцип действия термометра
Термометр – прибор для измерения температуры
В настоящее время трудно найти человека, который не слышал о таких 
приспособлениях как термометр, лабораторные весы или песочные часы и не смог бы объяснять, для чего они предназначены.
Если раньше широко употребляемым было слово градусник, которое ассоциировалось только с ртутным термометром, то в настоящее время рынок лабораторного оборудования и измерительных приборов настолько расширился, что к слову термометр присоединяют еще одно слово, определяющее его тип или принцип действия: молочный, технический, керосиновый, для воды, оконный, газовый, оптический, инфракрасный, термополоски. Разнообразие данного изделия можно найти практически в любой аптеке, но разобраться в них и выбрать наиболее подходящий достаточно непросто, так как каждая модель наряду со своими преимуществами обладает и рядом недостатков.
Определение и применение
Термометр – это прибор для измерения температуры тела, воды, почвы, воздуха и др.. Принцип действия основан на свойстве жидкости расширятся под действием тепла. В связи с тем, что прибор измерения температуры неприхотлив в использовании, он часто применяется как в технической области и лабораторной практике, так и в быту. На сегодняшний день существует большое количество разновидностей такого измерительного оборудования, отличающиеся по способу действия, но главной их задачей является измерение температуры.
Возникновение термометра
Многие ученые трудились над изобретением термометра. Однако основы современного измерения температуры заложил в 1592 г. Галилео Галилей. Конструкция его прибора была очень проста. Термоскоп-термометр показывал только изменение степени нагретости тела. А отсутствие шкалы делало его несовершенным из-за невозможности определить точное температурное значение. В начале XVIII века немецкий ученый Фаренгейт впервые изобрел современный измерительный прибор – ртутный термометр со стандартной шкалой. Позже Цельсий установил константы точки тающего льда и кипящей воды.
Виды термометров
Современный рынок лабораторного оборудования и приборов настолько велик, что перечислить и разобраться в них не так уж просто. Однако такое разнообразие помогает найти наиболее подходящий вариант термометра:
— жидкостный – самый распространенный вид, основанный на тепловом расширении химических реактивов (ртути, керосина, этилового спирта, пентана, толуола и т. д.). По сравнению с другими термометрами, ртутный имеет больше преимуществ, благодаря достоинствам используемого химического вещества. Он точно определяет температуру тела, долговечен, легко стерилизуется и имеет невысокую стоимость. Ртутный градусник (наиболее частое название) обладает наибольшей точностью определения температуры, погрешность которого составляет около 0,1 °C. Однако хрупкое лабораторное стекло и ядовитая начинка представляют опасность для человека при его неосторожном использовании;
— механический – аналогичен жидкостному по принципу действия и применяется для автоматического регулирования температуры и электрической сигнализации;
— электронный или цифровой – сконструирован на основе встроенного датчика, 
где данные выводятся на дисплей. Кром того, в таких моделях могут быть предусмотрены такие функции, как хранение в памяти последних результатов, подсветка, звуковые сигналы, сменная шкала «Цельсий-Фарентейт». Однако такой прибор имеет ряд серьезных недостатков: невозможность стерилизовать, высокая степень погрешности и немалая стоимость;
— инфракрасный (пирометр) представляет собой достаточно новую разновидность данного прибора. Измерения осуществляются благодаря наличию чувствительного элемента, способного считать данные инфракрасного излучения тела, результаты которого выводятся на дисплей. Определение температуры такими градусниками происходит в течение 2-15 секунд. Отсутствие непосредственного контакта с человеком – наибольшее преимущество данного вида, так как это позволяет измерять температуру в нестабильных ситуациях (спящим больным, капризным детям и т.д.).
Где купить качественные измерительные приборы для различных предназначений?
Термометр, как один из наиболее часто используемых приборов, следует покупать в аптеке или специализированном магазине, в таком, как например: online магазин химических реактивов Москва розница и опт «Прайм Кемикалс Групп». Он специализируется на продаже химических реактивов, лабораторного оборудования и приборов, лабораторной посуды из стекла и других материалов. Весь товар сертифицирован и соответствует ГОСТ стандартам. На нашем сайте можно купить весы лабораторные, аналитические весы, весы электронные лабораторные, термометр и ареометр цена которых самая приемлемая на современном фармацевтическом рынке.
“Prime Chemicals Group” – надежное оснащение европейского качества!
Температура, наряду с давлением, является самым важным параметром при эксплуатации систем отопления. Ведь именно температура является определяющим фактором работы отопительных приборов. Именно по температуре нормируются Санитарные Нормы и Правила (СНиП), по которым температура воздуха в помещении не должна быть ниже 18°С. Какое будет давление в системе – не столь важно, главное, чтобы его хватало для достижения наивысшей точки системы, а вот температуру в помещении ощущает каждый потребитель. На котельных имеются специальные температурные графики, на которых отображается зависимость температуры воды, подаваемой в систему отопления, от температуры наружного воздуха.
Именно поэтому немаловажно, наряду с давлением, контролировать также и значения температуры теплоносителя. Для этого и существуют термометры. По принципу действия их разделяют на:
- термометры расширения, которые основаны на расширении жидкостей или твердых тел (металлов) при нагревании. К ним относятся жидкостные термометры, манометрические и биметаллические;
- электрические, к которым относятся термоэлектрические термометры и термометры сопротивления.
Подробнее остановимся лишь на нескольких видах термометров, наиболее встречающихся в котельных и ЦТП.
Термометры жидкостные состоят из стеклянной капиллярной трубки и шкалы с делениями, которые обозначают градусы. Нижний конец трубки соединен с резервуаром, который заполнен жидкостью, верхний конец – запаян. При нагревании жидкость, как известно, расширяется, и высота столба ее в капилляре соответствует определенной температуре. По форме нижней части трубки жидкостные стеклянные термометры классифицируют на прямые и угловые. В обозначениях это указывается как тип А и тип Б.
В промышленности наиболее распространены ртутные термометры. Их применяют для измерения температур в диапазонах от -35 до + 600°С. Правильность показаний жидкостного термометра во многом зависит от правильности его установки на трубопроводе. При измерениях температур до +150°С гильзу, в которую ставится термометр, заполняют машинным маслом. Для защиты термометра на гильзу обязательно должна навертываться оправа, которая изготавливается из металла с низкой теплопроводностью.
Принцип работы манометрических термометров основан на повышении давления находящихся в замкнутой системе жидкости или газа при увеличении их температуры. В зависимости от применяемого рабочего вещества изменяются и пределы измеряемых температур. В целом, они колеблются в диапазоне от -200 до +1000°С.
Основными частями манометрического термометра являются термобаллон и гибкая капиллярная медная трубка длиной до 6 м, которая соединяет баллон с трубчатой пружиной. При нагреве жидкости происходит повышение давления, которое передается пружине. Пружина, в момент выпрямления воздействует на тягу и поворачивает стрелку показывающего манометра.
При эксплуатации манометрических термометров особое внимание нужно обращать на обеспечение сохранности капилляра, а также плотности его соединения с термобаллоном и вторичным прибором. Крепление капилляра к стенам осуществляется специальными скобами. В необходимых случаях капилляр может прокладываться в трубе или под металлическим угольником. При установке также следует помнить, что прокладку капилляра нельзя осуществлять вблизи нагретых поверхностей и приборов отопления.
Работа биметаллического термометра основана на использовании в конструкции его чувствительного элемента двух металлов с различными коэффициентами линейного расширения. Металлические пластины прочно соединены между собой (чаще всего сваркой) и вместе образуют биметаллический элемент (пластину или спираль), который при нагревании расширяется и вращает соединенную с ней стрелку термометра.
В конструкцию типового биметаллического термометра входит круглый корпус, в котором имеется циферблат, кинематический механизм со стрелкой и чувствительный биметаллический элемент в защитной трубке.
Класс точности приборов составляет 2,5, диапазон измерений — от -70 до +600°С. Погрешность при низких диапазонах составляет около 1 градуса, при более высоких пределах погрешность доходит до 10 градусов.
Достоинствами биметаллических термометров по сравнению с жидкостными является механическая прочность и нечувствительность к скачкам давления. Поэтому использование в котельных по возможности именно биметаллических термометров является более предпочтительным.
Жидкостный термометр абсолютно справедливо до сих пор считается наиболее распространенным, хотя самый пик его использования пришелся на вторую половину прошлого века. Тем не менее, именно такого типа прибор и сегодня можно встретить в большинстве случаев, когда необходимо измерение температуры, потому следует разобраться, что это, как работает и как с ним обращаться.
Особенности, плюсы и минусы
Жидкостный термометр, как следует из названия, представляет собой прибор для измерения температуры, работа которого возможна благодаря использованию жидкости – текущая температура определяется благодаря тепловому расширению вещества. Вы могли не знать, что этот прибор называется именно так, но его описание даст понять, что его вы видели многократно – это узкий и тонкий, вертикально ориентированный прозрачный резервуар из стекла или кварца. Внутри него – столбик подкрашенной жидкости, уровень которой меняется в зависимости от температурных условий окружающей среды. К резервуару крепится шкала с отметками, позволяющая выразить результат замеров в градусах.
То, чем заполнен капилляр термометра, должно быть указано в регистрационном удостоверении, ведь утечка спирта, часто выступающего в роли жидкости, не катастрофична для присутствующих, а вот утечка ртути весьма опасна. ГОСТ не запрещает использовать оба варианта наполнителя и экспериментировать с другими жидкостями, но пользователь обязан знать состав, чтобы адекватно реагировать на разгерметизацию капилляра.
Жидкостные термометры так или иначе считаются одними из самых лучших. Во-первых, они работают на чистой физике, не нуждаясь в источниках питания. Во-вторых, ртутный вариант обладает минимальной термометрической погрешностью – она составляет не более 0,1 градуса. Любые жидкостные термометры стоят очень дешево, обслуживать их просто, а при соблюдении правил эксплуатации они могут служить десятилетиями. При этом диапазон измеряемых температур, в зависимости от выбранной жидкости, может быть каким угодно – от -200 до +750 градусов!
При этом выбор модели позволяет точнее определять температуру в определенном температурном сегменте – например, от 1 до 100 градусов (для воды), от 30 до 40 (градусники для медицины и животноводства), до 150 и выше (промышленные).
Минусы у жидкостных термометров тоже присутствуют, но они обычно касаются не всех таких агрегатов, а только конкретной жидкости, которая используется. Сверхточный ртутный агрегат опасен утечкой своей «начинки», которая при -39 градусах и вовсе замерзает, а межповерочный интервал устройства составляет добрых 10 минут – быстрее зафиксировать точные данные не получается. Спиртовой термометр «работает» быстрее и является безопасным, но не дает аналогичной точности.
Есть еще и термометры, наполненные органическими жидкостями. Их недостатком является то, что наполнитель смачивает стекло, оставляя на нем разводы при «отступлении», и это может сбивать с толку человека, снимающего показания.
Назначение
Потенциальная сфера применения жидкостных термометров довольно разнообразна, но для каждого случая следует выбирать прибор, предназначенный для решения конкретной задачи. Чаще других можно встретить следующие варианты агрегатов:
- для помещений с поверкой уровня температуры – чаще всего спиртовые агрегаты, предназначенные для измерения условий в комнате, где находятся люди; могут также использоваться на улице в регионах, где не бывает экстремальных температур, часто ограничиваются шкалой от -50 до +50;
- для измерения температуры при готовке – оснащены только плюсовой температурной шкалой, от уровня комнатной температуры до максимума, который способна выдать печь или духовка; необходимы для создания условий, позволяющих довести продукты до оптимальных кулинарных кондиций;
- для систем отопления – также имеют лишь плюсовую шкалу примерно до 70-80 градусов, предназначены для определения температуры теплоносителя, достаточной для полноценного обогрева помещения, но которой не хватило бы для выхода устройства из строя;
- технический – предназначен для измерений температуры в любых других ситуациях, теоретически имеет наиболее широкий диапазон измеряемых температур, но при этом может быть узкоспециализированным, что уменьшает шкалу и повышает точность проводимых измерений.
Принцип действия и устройство
Жидкостный термометр работает на основании физической закономерности, согласно которой большинство веществ при нагревании имеют свойство расширяться. Для заполнения вертикального капилляра используют жидкости, как вещества, имеющие достаточно стабильный коэффициент расширения. Помимо основной жидкости, которая расширяется или сужается в зависимости от изменений температуры, в колбе нет ничего, даже воздуха – это позволяет наполнителю вести себя естественно при расширении, ведь газ мог бы тормозить расширение.
Вариантов наполнителей существует довольно много – об этиловом спирте и ртути знает даже средний обыватель, однако используются еще и толуол, а также такие органические жидкости, как керосин, петролейный эфир или пентан. Каждое из этих веществ имеет свои специфические характеристики, а выбор на тот или иной наполнитель обычно падает благодаря тому, что существенно различаются температуры замерзания и испарения этих веществ.
Следовательно, при покупке термометра следует ориентироваться на те условия, в которых ему придется работать, ведь наполнитель всегда должен оставаться жидким.
Что касается шкалы, то она также приспособлена под потребности, ради которых изготовлен данный вид термометра. Так, в нашей стране широко распространены бытовые термометры для измерения температурных условий в помещении или на улице, у которых шкала размечена в градусах Цельсия, а диапазон примерно соответствует климатическим условиям региона (модели для улицы) или типичной температуре в помещении. При этом во многих англоязычных странах для тех же нужд используется шкала с фаренгейтами – при желании их можно перевести в градусы по Фаренгейту, но много где людям удобнее так. Кроме того, ртутные градусники медицинского и ветеринарного назначения оснащены шкалой, размеченной в десятых долях градуса – это позволяет определить температуру с высочайшей точностью.
Следует отметить, что расстояние между делениями необязательно фиксированное – оно зависит от толщины трубки, заполненной термометрической жидкостью. Как правило, чем толще трубка, тем большим будет расстояние по шкале между соседними значениями, хотя эта закономерность, конечно, действует только при условии, что речь идет об одной и той же заполняющей жидкости.
Разновидности
Классификация термометров весьма обширная – грубо говоря, для измерения температуры любого вещества в любых условиях, где это вообще может понадобиться, используется свой вид агрегата. Спецификация во многих случаях очень точно описывает потенциальную сферу применения – например, существуют классы ТТЖ-М исп. 1-П (технические модели со стеклянным корпусом, классические градусники или керосиновые модели для оценки состояния среды в трубопроводах)), ТСЖ-Х (устройства для холодильников, отличаются стойкостью к низким температурам, но могут быть не приспособлены для нагрева хотя бы до комнатных условий), ТС-4М (устройства для молока) и так далее. Каждый из таких вариантов имеет свои собственные характеристики, идеально приспособленные для будущих условий работы.
Обладая минимальными знаниями о назначении той или иной термометрической жидкости, можно по одному лишь внешнему виду агрегата определить, для каких целей он нужен. Например, желтый капилляр, при определенном угле наклона отсвечивающий характерным металлическим блеском, говорит о том, что устройство заполнено ртутью, а если еще и шкала в десятых градуса, то можно сделать вывод, что это градусник – тут очень тонко выставленные показатели расширения позволяют определить температуру с идеальной точностью.
Красный столбик, как правило, говорит о том, что перед вами – подкрашенный спирт, традиционно используемый для оценки состояния атмосферы.
Производители
Когда речь заходит о выборе производителя бытовых жидкостных термометров, то можно не обращать особого внимания на производителя – качество всех брендов примерно одинаковое, и если вы обращаетесь с агрегатом аккуратно, то он прослужит очень долго.
Более требовательными стоит быть тем покупателям, которые хотят купить сложную модель, предназначенную для работы в экстремальных условиях.
Среди российских производителей наибольшую известность получил бренд «Термоприбор» (город Клин) – это предприятие выпускает широчайший ассортимент температурных агрегатов для всех видов измерений, включая виброустойчивые модели. Что касается последнего сегмента, то только здесь у «Термоприбора» есть определенная конкуренция в виде петербургского предприятия «Росма».
Безусловно, в мире производителей термометров намного больше, и хотя бы некоторые из них так или иначе представлены в нашей стране. Среди них – довольно известные AEG, BabyOno, Braun, Bremed, CamryClatronic, Gamma, Little Doctor, Omron, Rossmax, Microlife, Nokia, TFA и ряд других. Некоторые из названных брендов специализируются не столько на жидкостных, сколько на инфракрасных или электронных агрегатах, а другие, напротив, выпускают только капиллярные термометры.
Эксплуатация и меры предосторожности
Ни для кого не секрет, что ртуть опасна для здоровья человека, и если термометр разбился, следует принимать особые меры по очистке помещения. Тут же уточним, что агрегаты с красной жидкостью не опасны ни в коей мере – если даже прибор разбился, то из него вытечет только спирт. При такой «аварии» нужно просто дать пролившейся жидкости высохнуть, тщательно поискать и удалить все стеклянные осколки, решить вопрос с красным пятном, которое могло остаться на ковре.
Намного серьезнее будет ситуация, если разбился тот термометр, у которого был желтый капилляр с металлическим отливом. Обратите внимание, что опасна не столько ртуть (если только она не попадает в организм), сколько ее испарения, потому крайне неправильно сметать ее веником или пытаться втянуть пылесосом – так вы только раздробите ртутные шарики и не решите проблему.
Наиболее разумный вариант решения проблемы – вызвать специальную бригаду для демеркуризации помещения.
Если вы живете в небольшом городке далеко от мегаполисов, где помощи со стороны ждать не приходится, действуйте решительно, но с умом. Во-первых, не накапливайте в помещении ртутные пары – обязательно откройте окно или балкон, но не создавайте сквозняков. Если есть возможность, понизьте температуру ниже 19 градусов – так ртуть перестанет испаряться. Во-вторых, не бросайте ртуть в мусор – она ведь продолжит испаряться; вместо этого «упакуйте» ее в банку с водой (у посудины должна быть закручивающаяся крышка). Пропитавшиеся ртутью вещи лучше выбросить, комнату внимательно осмотрите с фонариком.
О принципе действия жидкостного термометра смотрите далее.