Θερμόμετρα και μέτρηση θερμοκρασίας

Ορισμός της θερμοκρασίας

Με τις αισθήσεις του σώματος μας μπορούμε να έχουμε μια εμπειρική εκτίμηση της ζέστης και του κρύου ενός σώματος. Για παράδειγμα, λέμε ότι ο πάγος είναι κρύος και το καλοκαίρι κάνει ζέστη.

Έτσι δημιουργείται η ανάγκη να ορίσουμε ένα νέο φυσικό μέγεθος, τη θερμοκρασία, που δείχνει πόσο ζεστό ή κρύο είναι ένα σώμα.

Η εκτίμηση της θερμοκρασίας μας με τις αισθήσεις μας είναι υποκειμενική και οδηγεί σε παραπλανητική μέτρηση της θερμοκρασίας. Παράδειγμα: Παίρνουμε τρεις λεκάνες με νερό, στη μια έχουμε πολύ ζεστό νερό, στην άλλη πολύ κρύο και στην τρίτη λεκάνη χλιαρό νερό. Βάζουμε το ένα χέρι μας στο καυτό νερό και το άλλο στο παγωμένο νερό, όσο περισσότερο μπορούμε. Στη συνέχεια βάζουμε τα χέρια μας στο χλιαρό νερό. Παρατηρούμε ότι το χέρι που ήταν στο καυτό νερό θα νιώσει το χλιαρό νερό ως κρύο, ενώ το χέρι που ήταν στο παγωμένο θα νιώσει το χλιαρό νερό ζεστό.

Με αυτό το πείραμα καταλαβαίνουμε ότι χρησιμοποιώντας τις αισθήσεις μας εκτιμούμε ότι το ίδιο το νερό έχει διαφορετική θερμοκρασία. Έτσι για λόγους συνεννόησης και για επιστημονικούς λόγους, δημιουργείται η ανάγκη αντικειμενικής και ακριβούς μέτρησης της θερμοκρασίας ενός σώματος. Για να μετρήσουμε αντικειμενικά και με ακρίβεια  τη θερμοκρασία ενός σώματος χρησιμοποιούμε το όργανο μέτρησης που λέγεται θερμόμετρο και έτσι η θερμοκρασία του σώματος είναι η ένδειξη του θερμομέτρου.

Η λειτουργία του θερμομέτρου βασίζεται στην ιδιότητα των υγρών να αλλάζουν τον όγκο τους ανάλογα με τη θερμοκρασίας τους. Ένα θερμόμετρο είναι ένας λεπτός σωλήνας ο οποίος στο κάτω άκρο του έχει ένα μικρό δοχείο με υδράργυρο ή οινόπνευμα.

Για να μετρήσουμε τη θερμοκρασία ενός σώματος, φέρνουμε το θερμόμετρο σε επαφή με το σώμα και περιμένουμε λίγο μέχρι να αποκατασταθεί θερμική ισορροπία. Η στάθμη του υγρού στο σωλήνα του θερμόμετρού θα ανέβει ανάλογα με την υπό μέτρηση θερμοκρασία. Έτσι όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία, τόσο πιο ψηλά θα είναι η στάθμη του υγρού. Ανάλογα με την εφαρμογή που έχουμε, χρησιμοποιούμε και τον κατάλληλο τύπου θερμομετρου. Έτσι έχουμε θερμόμετρο ηλεκτρικής αντίστασης, το πυρόμετρο κ.ά.

Τι ονομάζεται βαθμονόμηση του θερμόμετρου

Για να μετρήσουμε τη θερμοκρασία με ένα θερμόμετρο, όπως αυτό που παρουσιάσαμε παραπάνω, πρέπει πρώτα να προχωρήσουμε στη βαθμονόμηση του. Η βαθμονόμηση ενός θερμομέτρου γίνεται με την εφαρμογή πάνω στο θερμόμετρο μιας κλίμακας, με την οποία θα μετράμε τη θερμοκρασία των σωμάτων που επιθυμούμε. Οι πιο διαδεδομένες κλίμακες θερμοκρασιών είναι:

Κλίμακα Κελσίου

Η κλίμακα Κελσίου, για τη δημιουργία της βασίζεται σε δυο σταθερές θερμοκρασίες: Βυθίζουμε ένα (υδραργυρικό) θερμόμετρο σε ένα δοχείο που περιέχει πάγο, που λιώνει με νερό και αφού σταθεροποιηθεί η στήλη του υδραργύρου, σημειώνουμε και μ’ αυτό τον τρόπο ορίζεται το μηδέν (0) της κλίμακας Κελσίου. Μετά βυθίζουμε το θερμόμετρο σε νερό που βράζει και αφού σταθεροποιηθεί η στήλη του υδραργύρου, σημειώνουμε και μ’ αυτό τον τρόπο ορίζεται το 100 της κλίμακας Κελσίου. Έπειτα το διάστημα μεταξύ των δυο αυτών σημείων που σημειώσαμε, το χωρίζουμε σε 100 ίσα τμήματα, όπου το κάθε ένα από αυτά αντιπροσωπεύει μεταβολή ενός βαθμού Κελσίου (1οC).

Η κλίμακα Φαρενάιτ

Αντιστοιχία μεταξύ της κλίμακας Κελσίου και της κλίμακας Φαρενάιτ. Η μεταβολή κατά 1C ισοδυναμεί κατά 1,8F

Ο Φαρενάιτ δημιούργησε την δική του κλίμακα για τη μέτρηση θερμοκρασιών, σε μια προσπάθεια να αποφύγει τη χρήση αρνητικών θερμοκρασιών. Το 0 της κλίμακας σημειώνεται,  ως η χαμηλότερη θερμοκρασία που πέτυχε ο Φαρενάιτ στο εργαστήριο του, με ένα μίγμα ίσων ποσοτήτων πάγου, νερού και θαλασσινού αλατιού. Το 96 αντιστοίχισε πάνω στην κλίμακα, στη θέση όπου το θερμόμετρο μετρά τη θερμοκρασία του σώματος ενός ανθρώπου που είναι υγιής.

Η κλίμακα που δημιούργησε ο Φαρενάιτ, έχει 96 ίσες υποδιαιρέσεις που ονομάζονται βαθμοί Φαρενάιτ (οF). Για να μετατρέψουμε τους βαθμούς της κλίμακας Κελσίου σε βαθμούς Φαρενάιτ χρησιμοποιούμε τη σχέση:

ΤF = 32 +n 1,8‧θ

Όπου ΤF η θερμοκρασία σε βαθμούς Φαρενάιτ και θ η θερμοκρασία σε βαθμούς Κελσίου. Η κλίμακα Φαρενάιτ χρησιμοποιείται και σήμερα στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής.

Απόλυτη κλίμακα θερμοκρασιών – κλίμακα Κέλβιν

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

Παραπάνω για τη βαθμονόμηση του θερμομέτρου ορίσαμε το σημείο μηδέν αυθαίρετα και για τις δυο αυτές κλίμακες. Στην επιστήμη ορίζεται μια νέα κλίμακα θερμοκρασιών, της κλίμακας Κέλβιν, που βασίζεται στη χαρακτηριστική θερμοκρασία -273οC, που όπως αποδεικνύεται θεωρητικά και πειραματικά, χαμηλότερες θερμοκρασίες από αυτή την τιμή  είναι αδύνατο να επιτευχθούν στη φύση. Δεν μπορεί να υπάρξει θερμοκρασία μικρότερη από αυτή και για το λόγο αυτό η θερμοκρασία αυτή ορίστηκε ως το απόλυτο μηδέν. Έτσι η κλίμακα απόλυτων θερμοκρασιών ή αλλιώς κλίμακα Κέλβιν,  έχει ως σημείο μηδέν (0) σε αυτή την κατώτατη θερμοκρασία και επομένως στη κλίμακα Κέλβιν δεν υπάρχουν αρνητικές μετρήσεις και η μεταβολή της θερμοκρασίας κατά ένα βαθμό Κέλβιν ορίζεται ίση με μεταβολή θερμοκρασίας ενός βαθμού Κελσίου.

Για να μετατρέψουμε τους βαθμούς Κελσίου σε βαθμούς Κέλβιν (ΤΚ) χρησιμοποιούμε την αριθμητική σχέση:

ΤΚ = θ +273

Έτσι η θερμοκρασία στην οποία λιώνει ο πάγος είναι 273Κ και η θερμοκρασία στην οποία βράζει το καθαρό νερό είναι 373οΚ.