Θερμόμετρα & Θερμοκρασία
Πώς μετράμε τη θερμοκρασία, θερμόμετρο υγρού, κλίμακα Κελσίου, είδη θερμομέτρων, κλίμακα Κέλβιν
Μπες το πρωί στο μπάνιο ξυπόλυτος: τα πλακάκια σού φαίνονται παγωμένα, ενώ το χαλάκι δίπλα τους ζεστό — κι όμως βρίσκονται στο ίδιο δωμάτιο, στην ίδια θερμοκρασία. Τα χέρια και τα πόδια μας είναι κακά όργανα μέτρησης. Γι' αυτό η φυσική χρειάζεται θερμόμετρα.
Θερμόμετρα: πώς μετράμε τη θερμοκρασία
Η αίσθησή μας ξεγελιέται — το μέταλλο «μοιάζει» πιο κρύο από το ξύλο στο ίδιο δωμάτιο. Γι' αυτό χρειαζόμαστε όργανο: το θερμόμετρο.
Τα κλασικά θερμόμετρα υγρού (υδραργύρου ή χρωματισμένου οινοπνεύματος) στηρίζονται στη θερμική διαστολή: όσο ανεβαίνει η θερμοκρασία, το υγρό διαστέλλεται και ανεβαίνει στον λεπτό σωλήνα. Η βαθμονόμηση γίνεται με δύο σταθερά σημεία: 0 °C στο λιωμένο πάγο και 100 °C στο νερό που βράζει (σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση) — το ενδιάμεσο χωρίζεται σε 100 ίσα μέρη, τους βαθμούς Κελσίου.
Άλλα είδη: το ιατρικό θερμόμετρο (στενή κλίμακα 35–42 °C με μεγάλη ακρίβεια), τα ψηφιακά (ηλεκτρονικός αισθητήρας) και τα θερμόμετρα μεγίστου–ελαχίστου των μετεωρολόγων. Στο S.I. η θερμοκρασία μετριέται σε Kelvin: , όπου οι βαθμοί Κελσίου.
Σε τι στηρίζεται η λειτουργία του θερμομέτρου υδραργύρου;
Πώς βαθμονομείται ένα θερμόμετρο
- Βυθίζουμε το θερμόμετρο σε πάγο που λιώνει και σημαδεύουμε τη στάθμη: .
- Το βάζουμε σε νερό που βράζει (σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση) και σημαδεύουμε: .
- Χωρίζουμε την απόσταση σε 100 ίσα μέρη — κάθε μέρος είναι — και συνεχίζουμε τις υποδιαιρέσεις και κάτω από το (αρνητικές θερμοκρασίες).
Για να δείξει σωστά, το θερμόμετρο πρέπει να έρθει σε θερμική ισορροπία με το σώμα, δηλαδή να αποκτήσει την ίδια θερμοκρασία — γι' αυτό περιμένουμε λίγο πριν διαβάσουμε. Το ιατρικό θερμόμετρο υγρού έχει μια στένωση στον σωλήνα, ώστε η ένδειξη να μένει στη μέγιστη τιμή μέχρι να το τινάξουμε.
Η θερμοκρασία ενός δωματίου είναι 27 °C. Πόση είναι σε Kelvin;
Από Κελσίου σε Κέλβιν «ανεβαίνεις 273 σκαλιά»: . Και ένα δώρο: μια μεταβολή θερμοκρασίας είναι ίδια και στις δύο κλίμακες — σημαίνει . Στο δεν χρειάζεται μετατροπή.
Μέθοδος: ανάγνωση και μετατροπή θερμοκρασιών
- Βρες την υποδιαίρεση της κλίμακας: διαφορά δύο αριθμημένων γραμμών διά το πλήθος των διαστημάτων ανάμεσά τους.
- Μέτρησε από την πλησιέστερη αριθμημένη γραμμή — προσοχή στις αρνητικές τιμές κάτω από το .
- Κελσίου → Κέλβιν: · Κέλβιν → Κελσίου: .
- Μια μεταβολή είναι ίδια σε και σε K.
- Έλεγχος: καμία θερμοκρασία δεν είναι κάτω από ().
Λυμένη άσκηση 1 — θερμόμετρο χωρίς αριθμούς: Σε ένα αυτοσχέδιο θερμόμετρο η στήλη του υγρού έχει μήκος σε πάγο που λιώνει και σε νερό που βράζει.
(α) Τα αντιστοιχούν σε , άρα κάθε εκατοστό είναι .
(β) Στήλη : .
(γ) Στους η στήλη ανεβαίνει πάνω από το σημάδι του , δηλαδή έχει μήκος .
Λυμένη άσκηση 2 — θερμόμετρο μεγίστου–ελαχίστου: Ένας μετεωρολογικός σταθμός κατέγραψε ελάχιστη θερμοκρασία τα ξημερώματα και μέγιστη το μεσημέρι.
Δεδομένα: , .
Ζητούμενα: το εύρος της θερμοκρασίας σε και σε K, και οι δύο θερμοκρασίες σε K.
Λύση: , άρα και . Επίσης και (έλεγχος: ✓).
Απάντηση: εύρος · και .
Ο γιατρός αφήνει το θερμόμετρο στη μασχάλη σου μερικά λεπτά πριν το διαβάσει. Γιατί περιμένει;
Όταν ο Σουηδός αστρονόμος Άντερς Κέλσιος πρότεινε την κλίμακά του το 1742, την είχε ανάποδα: βαθμούς στο νερό που βράζει και στον πάγο που λιώνει! Λίγο μετά τον θάνατό του οι επιστήμονες την αντέστρεψαν, και έτσι φτάσαμε στο σημερινό «0 °C πάγος, 100 °C βρασμός».
Λυμένη άσκηση 3 — ποιο θερμόμετρο για ποια δουλειά;
(α) Πυρετός: ιατρικό θερμόμετρο, στενή κλίμακα – με υποδιαίρεση — η διαφορά με έχει σημασία.
(β) Πολικός σταθμός: θερμόμετρο οινοπνεύματος, όχι υδραργύρου. Ο υδράργυρος στερεοποιείται στους περίπου , ενώ το οινόπνευμα μένει υγρό ως περίπου .
(γ) Ελάχιστη νυχτερινή θερμοκρασία χωρίς να ξυπνήσεις: θερμόμετρο μεγίστου–ελαχίστου.
(δ) Γρήγορη μέτρηση στο φαγητό: ψηφιακό θερμόμετρο με ηλεκτρονικό αισθητήρα.
Ποια από τις παρακάτω θερμοκρασίες είναι αδύνατη;
Ένα φθηνό θερμόμετρο είναι λάθος βαθμονομημένο: δείχνει σε πάγο που λιώνει και σε νερό που βράζει. (α) Πόσους «πραγματικούς» βαθμούς αξίζει κάθε βαθμός της κλίμακάς του; (β) Ποια είναι η πραγματική θερμοκρασία όταν δείχνει ; (γ) Υπάρχει θερμοκρασία στην οποία δείχνει σωστά;
Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση
(α) Τα πραγματικά απλώνονται σε βαθμούς της κλίμακας, άρα κάθε βαθμός αξίζει .
(β) Η ένδειξη απέχει βαθμούς από το σημάδι του πάγου: .
(γ) Θέλουμε ένδειξη ίση με την πραγματική: .
Απάντηση: (α) περίπου · (β) · (γ) ναι, μόνο στους .
- Kelvin: — πρόσθεση, όχι αφαίρεση.
- «Το αγγίζω και καταλαβαίνω». Το μέταλλο «μοιάζει» πιο κρύο από το ξύλο στην ίδια θερμοκρασία — εμπιστέψου το θερμόμετρο.
- Ανάγνωση πριν τη θερμική ισορροπία. Περίμενε να σταθεροποιηθεί η ένδειξη.
- «Κάθε γραμμή είναι ένας βαθμός». Βρες πρώτα την υποδιαίρεση της κλίμακας.
- Θερμόμετρο υγρού: στηρίζεται στη θερμική διαστολή· σταθερά σημεία (πάγος που λιώνει) και (νερό που βράζει).
- Βαθμονόμηση: 0 και 100 στα σταθερά σημεία, 100 ίσα διαστήματα.
- Είδη: υγρού (υδραργύρου, οινοπνεύματος), ιατρικό, ψηφιακό, μεγίστου–ελαχίστου.
- Κλίμακα Kelvin (S.I.): · ίδια μεταβολή σε K και °C.
- Το θερμόμετρο δείχνει σωστά μόνο όταν έρθει σε θερμική ισορροπία με το σώμα.