Жидкостный и газовый термометры
Температура - физическая величина, характеризующая тепловое состояние тела, степень его нагретости. Зависит температура от величины кинетической энергии частиц, из которых состоит тело. Чем быстрее движутся частицы, чем больше средняя кинетическая энергия, тем выше температура тела.
Измеряют температуру различными способами, но во всех случаях для определения температуры измеряют величину, характеризующую какое-либо свойство вещества, свойство тела. Наиболее широко распространены жидкостные термометры, в которых термометрическим веществом является какая-либо жидкость (обычно спирт, ртуть, вода), жидкость, заполняющая резервуар и капилляр, связанный с этим резервуаром. При нагревании резервуара жидкость расширяется, уровень жидкости в капилляре повышается. При охлаждении резервуара жидкость сжимается, и понижается уровень жидкости в капилляре.
В качестве такого жидкостного термометра мы демонстрируем вам демонстрационный термометр, в котором термометрическим веществом является подкрашенный спирт. Спирт замерзает при температуре -117°C, и поэтому с помощью спиртового термометра можно измерять и отрицательные температуры. В данном случае шкала этого спиртового термометра проградуирована таким образом, что 0°C соответствует вот такому положению уровня спирта в капилляре. Можно измерять отрицательные температуры до -50°C и положительные температуры до +50°C. Сейчас термометр показывает температуру воздуха в комнате, она составляет около 19°C.
Другим типом термометров являются газовые термометры. Это наиболее точные термометры, которыми обычно пользуются метрологи. Термометрическим веществом в газовых термометрах является газ: водород, азот, гелий. Этот газ заполняет баллон, баллон соединен с манометром. При нагревании баллона давление газа в баллоне возрастает, о чем свидетельствуют показания манометра. При остывании баллона давление газа в баллоне уменьшается.
Мы смоделировали газовые термометры следующим образом. Металлический баллончик соединен с манометром. Вот один баллончик соединен с правым манометром и второй баллончик соединен с левым манометром. В баллончиках находится воздух. Сейчас баллончики погружены в стакан, в котором находится смесь льда и воды. В шкале Цельсия температура таяния льда или температура замерзания воды соответствует 0°. Сейчас температура этой смеси - лед и вода в стакане, - ноль градусов, и поэтому мы установили стрелку манометра на ноль.
Попробуем опустить баллончик, соединенный с правым манометром, в сосуд с кипящей водой. Вы видите, что при этом показания манометра возрастают, стрелка показания приближается к цифре "100" на шкале манометра. Температура кипения воды в шкале Цельсия соответствует 100°. Если извлечь этот баллончик из стакана, то воздух в баллончике остывает, давление в нем уменьшается, и стрелка медленно идет к нулю. Если погрузить баллончик в сосуд с кипящей водой, то стрелка снова идет к 100°. Снова опустим этот баллончик в сосуд с таящим льдом. Мы видим, что при этом стрела возвращается к нулю.
В левом сосуде у нас находится жидкий азот. Сейчас пузырьки жидкого азота при кипении поднимаются вверх. Погрузим баллончик, соединенный с левым манометром, в этот сосуд с жидким азотом. Наблюдайте за поведением стрелки левого манометра. Стрелка левого манометра уходит влево. Извлечем баллончик из жидкого азота, и стрелка медленно пошла к нулю.
В чем дело? Как можно объяснить такое движение стрелки левого манометра? Дело в том, что температура кипения жидкого азота составляет -196°C, почти -200°C. И поэтому, когда мы погрузили баллончик в сосуд с жидким азотом, то при этом произошло резкое охлаждение воздуха в этом баллончике, резко упало давление в этом баллончике, о чем свидетельствовало и движение стрелки манометра влево. А сейчас идет отогрев воздуха в этом баллончике, давление растет и стрелка приближается к нулю. Если погрузить этот баллончик в сосуд со льдом, то он быстро нагревается до 0°C, и стрелка левого манометра возвращается к нулю.
