"Исследование способов измерения температуры"

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение
Средняя школа п. Парфино

Исследовательская работа
по физике по теме:

«Исследование способов измерения температуры»

на районную конференцию

исследовательских и проектных работ

«Наука. Культура. Образование»

Выполнила: Козюков Дмитрий,

обучающийся 8б класса МАОУ СШ

п. Парфино

Руководитель: Никитина Л.Я

учитель физики и математики

МАОУСШ п. Парфино

п. Парфино

2024

Введение

На уроках физики в теме «Тепловые явления» мы познакомились с понятием температуры и приборами для её измерения. На занятиях кружка «Физика вокруг нас» в Точке роста мы впервые увидели цифровое графическое измерение температуры с помощью датчика «Физика-5». Я заинтересовался данной темой.

При всей значимости для современной экспериментальной физики лазера, ускорителя элементарных частиц и туннельного микроскопа, термометр, без сомнения, есть одно из чудесных изобретений физики, которое, в свою очередь, во многом содействовало её успехам. Термометры доставили нам большое число интересных знаний, которые были бы недостижимы без их помощи. И сейчас без них не обходятся не только физики и химики, металлурги, кондитеры и повара, но и биологи, метеорологи, врачи и обычные люди.

Практически все технологические процессы и различные свойства вещества зависят от температуры.

Актуальность работы

Данная работа актуальна, так как она знакомит с разнообразием термометров, применяемых человеком в научных и бытовых целях. В ходе работы, измеряя температуры разных веществ, наблюдая за её изменением в ходе эксперимента лучше понимаешь смысл температуры и тепловых явлений. Изучив способы измерения температуры разными термометрами, можно выбрать для повседневного использования наиболее подходящий.

Цель работы

Исследовать различные способы измерения температуры

Объект исследования  -  термометры разных типов

Гипотеза: предположим, что более точные измерения дают электронные термометры и они более чаще используются людьми.

Методы исследования:

- изучение источников информации (книги, статьи, сайты, инструкции к приборам)

-наблюдение,

-эксперимент,

-анкетирование

-сравнение, анализы, обобщение,

-подведение итогов

Задачи:

1)изучить литературу по теме «Способы измерения температуры»

2)Изучить устройство и принцип действия многих доступных термометров

3) Классифицировать термометры по принципу действия.

4)Объяснить принцип действия термометров

5) Провести анкетирование

Содержание

Введение

Глава 1. История создания термометров и температурных шкал

Глава 2. Современные термометры.

2.1 Жидкостно-стеклянные термометры

2.2 Электрические контактные термометры

2.3 Термоэлектрический термометр

2.4 пирометр

2.5 Цифровой датчик температуры «Физика-5»

Глава 3 Применение различных способ измерения температуры

Глава 3. Результаты анкетирования.

Заключение

Используемая литература

Приложение:

Анкета

Глава 1 История создания термометров и температурных шкал

История создания термометра не менее интересна, чем создание паровой машины, радио или атомной бомбы. Точно сказать, кто изобрел термометр, вряд ли возможно по 2 причинам:1) сохранилось мало источников, 2) часто под термометрами понимают совсем разные приборы. На 100% достоверно известно только одно: честь изобретения устройства для измерения температуры приписывается как минимум 8 людям. Среди них, английский алхимик и участник тайных обществ Роберт Фладд. «Конкурирует» с ним французский гидротехник, разработчик паровых машин, пневматических устройств, а также по совместительству и архитектор Саломон де Каус. История создания термометра запутывается из-за того, что над ним одновременно работали многие специалисты. Одни старались измерять температуру воды, другие — температуру воздуха, а третьи создавали медицинское оборудование.

Самым известным человеком, с которым связано происхождение термометрии, является Галилей. Однако последователи итальянского ученого упоминают, что в 1597 году он продемонстрировал им термоскоп. По другим источникам получается разброс от 1592 до 1600 года. Эффект расширения тел при нагреве использовался и раньше. Новация в изобретении Галилея состояла в том, что это расширение указывало на изменение температуры. Выглядела эта оригинальная разработка как шарик из стекла, к которому припаивали стеклянную трубку. Внутри находился воздух. 

В 1626 году соотечественник Галилея- Санторио — создал термометр для измерения температуры человеческого тела, который представлял собой громоздкое устройство, которое удалось поставить лишь во дворе дома. Этот градусник выглядел как шар с удлиненной извилистой трубкой. Он уже предвосхищал типичные черты позднейших термометров: появились деления и окрашенная жидкость в трубке.

В 1657 году появился усовершенствованный вариант термоскопа Галилея. Одной из добавок стала шкала, которую делали из бусин. Стоит учитывать, что все ранние изобретатели создавали термометры воздушного типа. Поэтому показания приборов сильно зависели не только от реальной температуры, но и от давления атмосферного столба. В 1667 году появились градусники на основе воды. Это решение уже меньше страдало от перепадов давления, однако жидкость застывала, и поэтому вскоре перешли к использованию винного спирта.

Окончательно «победить» воздействие атмосферного давления удалось Эванджелиста Торричелли. Он придумал такую систему:1)наполнять термометр ртутью; 2)переворачивать его; 3)доливать слегка окрашенный спирт; 4)запаивать трубку сверху.

Фактическим изобретателем термометра считают голландца Ван-Дреббеля (1572—1632). Его заслуга в том, что он использовал для своего прибора способность газов значительно изменять свой, объем при относительно малых колебаниях температуры. Он взял довольно большой сосуд, до половины наполненный водой, и стеклянную трубочку с шарообразным расширением на одном ее конце. Её закупоренный конец был опущен под воду и там открыт. В результате вода осталась только в части трубки. При нагревании шара, вследствие расширения находившегося в нем воздуха, наблюдалось понижение уровня воды в трубке, и наоборот.

Первый термометр в современном смысле слова был сконструирован во Флорентийской академии (Италия). Он состоял из стеклянной трубочки, закрытой наверху и соединенной нижним концом со стеклянным полым шариком. Термометрической жидкостью служил подкрашенный винный спирт. Для наполнения резервуара шарик термометра сильно нагревали, в результате чего воздух разрежался настолько, что большая его часть выходила наружу. Затем открытый конец трубки погружали в окрашенный спирт, который поднимался в ней и заполнял не только ее, но и шарик. После этого термометр охлаждали так, чтобы осталась пустой приблизительно половина трубки, и запаивали открытый ее конец. Потом прибор наполняли окрашенным спиртом настолько, чтобы спирт заполнил приблизительно четверть длины трубки, и нагревали до тех пор, пока жидкость не поднималась почти до верхушки трубки (при предельно выкачанном воздухе), и тотчас же трубку запаивали. Изготовленные таким путем термометры были почти так же чувствительны, как и современные.

Проблемой на ранней стадии было то, что не удавалось найти правильные точки отсчета. Сначала полагали, что надо ориентироваться на субъективные ощущения «очень холодно» и «крайне жарко». Позднее стали искать другие ориентиры: кипение воды, таяние льда, растапливание сливочного масла. Именно в процессе поиска точек отсчета начался следующий этап создания приборов.

Медицинские компактные (длиной около 15 см) термометры впервые в 1816 были созданы англичанином Томасом Олбатом, которые за 5 минут измеряли температуру. Ранее, еще в XVIII столетии, делались конструкции длиной 30, 5 см. Для измерения температуры требовалось 20 минут. Интересно: в нашей стране наибольшую роль в их внедрении сыграл Сергей Петрович Боткин- врач инфекционист, терапевт.

Наиболее точными измерителями температуры человеческого тела на протяжении последних веков остаются ртутные термометры. Но дни их уже сочтены. Согласно подписанной Россией Минаматской конвенции, все содержащие ртуть приборы, включая градусники и тонометры, признаны чрезвычайно опасными и попадающими под запрет. В нашей стране он начал действовать с 2020 года.

Практически все термометры очень долгое время имели ртутную шкалу. Однако техника не стоит на месте — появились более совершенные и безопасные варианты.

Фаренгейт Габриель Даниель (1686-1736), немецкий физик и стеклодув. Изготовил спиртовой в 1709 и ртутный в1714 термометры. Предложил температурную шкалу, которая носит его имя - шкала Фаренгейта – это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении. За одну из опорных точек своей шкалы (0 °F) Фаренгейт принял самую низкую температуру, которую мог получить – температуру смеси воды, льда, нашатыря и соли. Второй точкой он выбрал температуру смеси воды и льда. А расстояние между ними разделил на 32 части. Температура человеческого тела по его шкале соответствовала 96 °F, точка кипения воды 212 °F. Шкалу Фаренгейта до сих пор применяют в Англии и США.

Реомюр Рене Антуан (1683-1757), французский естествоиспытатель, зоолог, иностранный почетный член Петербургской Академии Наук. В 1730 году предложил температурную шкалу, которая носит его имя – шкала Реомюра – это температурная шкала, один градус которой равен 1/80 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, т. е. 1 °R = 5/4 °С. Шкала Реомюра практически вышла из употребления.

Цельсий Андерс (1701-1744), шведский астроном и физик. Предложил в1742 году температурную шкалу – шкала Цельсия – это температурная шкала, в которой 1 градус равен 1/100 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, но Цельсий принимал за ноль кипение воды, а за 100 градусов – таяние льда.

Известный шведский ботаник Карл Линней пользовался термометром с переставленными значениями постоянных точек. За 00 он принял температуру плавления льда, а за 1000 температуру кипения воды. Таким образом, современная шкала Цельсия по существу является шкалой Линнея.

Шкала Кельвина была предложена в 1848 г. английским ученым Уильямом Томсоном (он же лорд Кельвин) как более точный способ измерения температуры. По этой шкале нулевая точка, или абсолютный нуль, представляет собой самую низкую температуру, какая только возможна, т. е. некое теоретическое состояние вещества, при котором его молекулы полностью перестают двигаться. Это значение было получено путем теоретического изучения свойств газа, находящегося под нулевым давлением. По стоградусной шкале абсолютный нуль, или нуль Кельвина, соответствует -273,15 °С. Следовательно, на практике О °С может быть приравнен к 273 К. До 1968 г. единица измерения кельвин (К) именовалась как градус Кельвина (°К).

Шкала Ньютона была разработана Исааком Ньютоном в 1701 г. для проведения теплофизических исследований и стала, вероятно, прообразом шкалы Цельсия. В качестве термометрической жидкости Ньютон использовал льняное масло. За 0° Ньютон взял температуру замерзания пресной воды, а температуру человеческого тела он обозначил как 12°. Таким образом, температура кипения воды стала равна 33°.

Шкала Ранкина была предложена шотландским инженером и физиком Уильямом Ранкином. Нуль ее совпадает с нулем термодинамической температуры, а по размеру 1 °Ra равен 5/9 К. То есть принцип тот же, что и в шкале Кельвина, только по размерности шкала Ранкина совпадает не со шкалой Цельсия, а со шкалой Фаренгейта. Эта система измерения температуры распространения не получила.

Глава 2. Современные термометры.

2.1. Жидкостно-стеклянные термометры

Действие жидкостно-стеклянных термометров основано на явлении теплового расширения тел. Эти тела могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Вследствие различия теплового расширения жидкости и стеклянного (кварцевого) резервуара, в который она заключена, при изменении температуры изменяется длина столбика жидкости, находящейся в капилляре. Температуру определяют по положению мениска относительно шкалы, нанесённой непосредственно на капилляр.

Жидкостные термометры применяют для измерения температур от – 200 до 1200 0С. Для измерения температур от –39 до 550 0С применяются термометры из стекла, в которых термометрическим телом является ртуть, а температурным параметром – её объём.

Температура кипения ртути под атмосферным давлением равна +356,58 0С, поэтому для измерения более высоких температур (до +750 0) над уровнем ртути должен находиться инертный газ под давлением до 70 атм.

Для измерения низких температур до – 80 0С, применяются спиртовые термометры, а для температур до – 200 0С заполненные пентаном.

Жидкостно-стеклянные термометры отличаются надежностью,

точностью, низкой стоимостью и простотой обслуживания.

Недостатками рассмотренных термометров являются: инерционность и невозможность передачи информации для дальнейшей обработки.

2.2 Электрические контактные термометры

История создания электронных термометров

В 1821 году Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что напряжение создается, когда концы разнородных металлов соединяются и помещаются при разных температурах. Пельтье обнаружил, что этот эффект термопары обратим и может использоваться для охлаждения. В том же году Хамфри Дейви продемонстрировал, как удельное электрическое сопротивление металла связано с температурой.

Пять лет спустя Беккерель предложил использовать платино-платиновую термопару для измерения температуры. В 1829 году Леопольдо Нобили создал устройство- термопару термомультипликатор высокой чувствительности .

1)Термометры сопротивления

Электрическое сопротивление любого материала зависит от температуры. Если эта зависимость точно известна и достаточно воспроизводима, то ею можно воспользоваться, переходя от измерения температуры к измерению сопротивления. На этом принципе основана работа термометров сопротивления – терморезисторов. Терморезисторы могут быть выполнены или из чистых металлов (платина, медь, никель, железо), или из полупроводников.

Платиновый термометр сопротивления измеряет температуру от –200 до + 650 0С, Для измерения температур выше 600 0С применяются вольфрамовые термометры, никелиновые термометры измеряют температуру 0 до 300 0С. Медные термометры измеряют от – 150 до +150 0С. Для измерения низких температур используются бронзовые термометры. Достоинства металлических термометров: хорошая воспроизводимость, стабильность, точность, линейность. Показания терморезисторов соответствуют абсолютной температурной шкале.

2) Термоэлектрический термометр

Термоэлектрический термометр (термопара) – активный термоэлектрический преобразователь температуры, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Термопары относятся к классу относительных датчиков, поскольку их выходное напряжение определяется разностью температур между двумя спаями и практически не зависит от абсолютной температуры каждого соединения. Достоинствами термопар являются малая инерционность, возможность измерения небольшой разности температур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до

2200°С) в агрессивных средах. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры (на уровне ±0,01 0С) Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, простоте, измерения локальной температуры удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры.

2.3 Пирометры измеряют температуру без контакта с нагретым телом.

Пирометр - прибор для бесконтактного измерения температуры тел. Принцип действия основан на измерении мощности теплового излучения объекта преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света.

Один из первых пирометров изобрёл Питер ван Мушенбрук. Осуществил первые экспериментальные исследования теплового расширения твердых тел, которое он регистрировал при помощи изобретенного (1731) пирометра, в 1747 использовал его как термометр для измерения температуры плавления некоторых металлов.

Очень горячие и расплавленные металлы светятся, выделяя тепло и видимый свет. Они излучают тепло и при более низких температурах, но на более длинных волнах. Английский астроном Уильям Гершель был первым, кто примерно в 1800 году осознал, что этот «темный» или инфракрасный свет вызывает нагрев. Работая со своим соотечественником Меллони, Нобили нашел способ обнаружить эту излучаемую энергию, последовательно соединив термопары в термобатарею.

По принципу действия пирометры излучения разделяют на оптические пирометры частичного излучения (яркостные и цветовые) и радиационные.

Яркостные (квазимонохроматические) пирометры –приборы, работающие в узком спектральном диапазоне. Они позволяют визуально определять температуру нагретого тела сравнением его цвета с цветом эталонной нити.

Цветовые (мультиспектральные) – пирометры спектрального отношения, определяют температуру объекта, основываясь на результатах сравнения теплового излучения в двух диапазонах длин волн.

Радиационные (пирометры полного излучения) – принимает излучение в максимально широком спектральном диапазоне. Определение температуры происходит посредством пересчёта значения мощности теплового излучения

В настоящее время радиационные пирометры применяются для измерения температур в диапазоне от – 40 до 2500°С. Особенно удобно применение радиационных пирометров для бесконтактного измерения невысоких температур, при которых методы оптической и цветовой пирометрии неприемлемы, например, для измерения невысоких температур движущихся предметов.

ИК-пирометры В настоящее время бесконтактные термометры, которые стали называть ИК- термометрами (инфракрасные радиационные термометры), стали особенно популярным видом температурных приборов. Несмотря на то, что по точности пирометры уступают контактным датчикам температуры, они незаменимы там, где необходимо быстро и безопасно определить температуру поверхности. Инфракрасные термометры применяются для диагностики тепловых и электрических линий передачи, источников тока, обнаружения неисправностей, вызванных утечками тепла, коррозией кон-

тактов и т. д. ИК- пирометры востребованы также там, где трудно

или невозможно использовать контактный датчик – для оценки температуры сильно нагретых движущихся объектов, мощных моторов и турбин, расплавленных металлов.

Датчик температуры «Физика-5» выполнен в виде выносного и герметичного температурного зонда. Датчик имеет расширенный температурный диапазон, позволяющий измерять температуру при нагревании, кипении и кристаллизации различных материалов. Чувствительный элемент датчика представляет собой полупроводниковый высокочувствительный термистор, который размещён на конце зонда. Пустоты наконечника заполнены термопастой. Технические характеристики датчика температуры: • диапазон измерения: от –40 до +125 С • разрешение — 0,1 С • материал выносного зонда — нержавеющая сталь с хромированным покрытием • длина металлической части зонда — 100 мм • диаметр зонда — 5 мм • коэффициент теплопроводности термопасты  — 4 Вт/(м · К)

Глава 3. Применение различных способ измерения температуры

1 Способ первый. На ощупь

Эксперимент

Четыре емкости наполнили водой. При этом 1 емкость I — холодной, температурой 18 °C, емкость 4 — горячей 65°C, а емкости 2 и 3 — теплой водой разной температуры , которые заранее не были известны.

Нам необходимо было по ощущению кожи рук установить температуру в емкостях 2и 3. Для этого сначала погрузили на некоторое время одну руку в емкость1, а другую — в емкость4, а затем быстро их перенесли соответственно в емкости 2 и 3.

По ощущениям рук, в емкости 2 вода казалась теплее, чем в емкости 3.

После этого замерили температуру во всех емкостях при помощи жидкостных термометров записали результаты.

Оказалось, что температура воды во второй и третьей емкостях оказалась одинаковой и равной 24 °С.

Исходя из этого, мы сделали следующие выводы:

1) Рукой можно грубо отличить холодную воду от горячей воды, нетрудно и ошибиться, что и показал наш эксперимент. 2) Наши ощущения неоднозначны и зависят от состояния человека и окружающей среды. Так, например, в одной и той же комнате металлические предметы кажутся всегда более холодными, чем деревянные или пластмассовые. Но если измерить температуру этих тел она будет одинаковой. 3) Наш опыт показал, что измерение температуры на ощупь имеет свои недостатки, а именно – измеренная таким способом температура зависит от температуры самого человека. Например, легко ошибиться, приняв холодную воду за горячую.

2) Соответствие способов измерения температуры и применяемых термометров

3)Результаты измерений разными способами:

4)Измерение температуры тела человека:

Медицинский электронный термометр: (36.9 ±0,1℃)

ИК- пирометр: (36.9 ±0,1) ℃

5)Наблюдение процесса кипения воды:( с помощью датчика температуры «Физика- 5»)

Итог: средняя температура кипения воды =100,02℃

6)Наблюдение за процессом нагревания подсолнечного рафинированного масла с помощью датчика «Физика-5»

6)Анкетирования:

Вопросы:

А) Какими термометрами пользуется ваша семья: 1) ртутный градусник 2) спиртовой уличный термометр 3) Комнатный спиртовой термометр 4) электронный медицинский термометр 5) инфракрасный медицинский термометр(пирометр)6) электронный домашний термометр;

Б) Пользуется ли ваша семья бытовым электронным термометром?

В) Применяете ли вы домашнюю метеостанцию, либо вы используете телефон или часы для определения температуры воздуха?

Результаты анкетирования:

В анкетировании приняло участие 70 обучающихся

Вывод: Для измерения температуры тела большинство семей применяют ртутный градусник-77%. Широко применяется электронный медицинский термометр- 43%. Температуру воздуха определяют на улице чаще, чем дома. Для измерения температуры спиртовые термометры. В 4 семьях есть домашние электронные метеостанции. Для определения температуры воздуха используют телефоны- 27%, в часах -3 %.

Заключение

В ходе проведенных исследований гипотеза подтвердилась: электронные термометры и пирометры дают более точные и быстрые значения измеряемой температуры. Однако людьми электронные термометры используются реже, чем жидкостные. По результатам анкетирования 77% используют ртутный градусник для измерения температуры тела. Надо заметить, что электронные термометры входят в применение, в быту 19% семей используют электронные термометры. Жидкостные будут продолжать использоваться в жизни благодаря их простоте и дешевизне.

Применение датчика «Физика-5» позволяет графически пронаблюдать за процессом кипения жидкостей, за таянием льда, за испарением жидкостей, сравнивать процессы с помощью таблиц, что позволит более глубоко осознать тепловые явления.

В ходе работы выяснилось, что температуру приготовления блюд можно контролировать электронным бытовым термометром, температуру тела быстрее и безопаснее измеряет электронный градусник. С помощью пирометра можно измерить температуру недоступных горячих мест и найти аварийный участок в электрической проводке, в домашнем отоплени, в печах.

Литература

Горев Л.А. Занимательные опыты по физике.- М.:Просвещение,2013

Кириллова И. Г. Книга для чтения по физике.- М.: Просвещение, 2016

Колтун М. Мир физики.- М.: Детская литература, 2015

Райт М. Что, как и почему? Удивительный мир техники.- М.: Астель АСТ, 2011

Сёмке А.И. Занимательные материалы к урокам физики 8 класс. - М.: НЦ ЭНАС, 2016

Приложение

Нагревание воды

2)Измерение температуры пламени свечи

Измерение датчиком температуры воды при нагревании и кипении