Temperatūra ir jos matavimas (5.8 tema)

Jau aptarėme, kad saulės atokaitoje žmogus jaučia šilumą, o šaltomis žiemos dienomis jaučia šaltį. Kūno šilumõs rodiklis yra žmogaus kūno temperatūra. Ar gali žmogaus kūnas pajusti, kokia dabar aplinkos temperatūra? Atlikime nesudėtingą eksperimentą. Paimkite tris dubenėlius. Į vieną įpilkite šilto vandens, į kitą įpilkite šalto vandens, o į trečią – drungno. Vieną ranką įmerkite į dubenėlį su šiltu vandeniu, o kitą – su šaltu. Palaikykite kelias minutes. Paskui abi rankas įmerkite į drungną vandenį (5.8.1 pav.).

Nors dabar dubenėlyje vanduo yra vienodos temperatūros, bet pajutote skirtingą temperatūrą. Prieš tai šaltame vandenyje mirkusi ranka jaus šilumą, o ta ranka, kuri prieš tai buvo pamerkta į šiltą vandenį, jaus šaltį. Vadinasi, žmogaus kūnas negali būti tikslus temperatūros matavimo prietaisas. Tam sukurtas specialus prietaisas, matuojantis temperatūrą. Jis vadinamas termometrù.

Šiuolaikinių termometrų pirmtakas buvo termoskòpas (gr. terme – šiluma, skopeo – žiūrėti). Tai prietaisas, rodantis temperatūros pokyčius. Pirmąjį termoskopą bandyta sukonstruoti dar Antikos laikais. Šiluminio oro plėtimosi savybę temperatūrai matuoti naudojo Aleksándrijos inžinierius Filonas Bizantietis (230 m. pr. Kr.).

Vėliau termoskopą tobulino Heronas Aleksandrietis (130 m. pr. Kr.). Pagrindinis termoskopo trūkumas – jis neturi matavimo skalės, todėl išmatuoti temperatūrą su termoskopu buvo neįmanoma.

Netikslūs temperatūros matavimai tęsėsi iki 1597 m., kol italų mokslininkas Galileo Galilėjus sukonstravo termoskopą su stiklinio vamzdelio gale užlydytu stikliniu rutuliuku (5.8.3 pav.).

1700 m. Floreñcijos meistrai paėmė termoskopą, apvertė jį ir į vamzdelį su rutuliuku pripylė dažyto spirito, o rutulinį indą su vandeniu išmetė kaip netinkamą. Tai buvo mokslo ir technikos naujovė – prietaisas nepriklausė nuo atmosferos slėgio. Gautas prietaisas ir vadinamas termometru. Taigi, galima sakyti, kad 1700 m. buvo išrastas termometras.

Termometro (gr. thermos – šiltas, karštas, metron – matas) veikimas pagrįstas kaitinamų kūnų tūrio kitimu, nes šildomi kūnai plečiasi. Labiausiai paplitęs skystinis termometras. Jį sudaro temperatūros skalė ir plonas uždaras stiklinis vamzdelis su rezervuaru, į kurį įpilama skysčio – gyvsidabrio, dažyto alkoholio (5.8.4 pav.). Kylant temperatūrai, skystis plečiasi ir todėl vamzdeliu kyla, o krintant – traukiasi, leidžiasi vamzdeliu ir taip skalėje parodo temperatūrą.

Konstruojant termometrus, iškilo problema: ką laikyti temperatūros atskaitos pradžia? 1724 m. vokiečių fizikas Danielis Gabrielis Farenheitas (Daniel Gabriel Fahrenheit, 1686–1737) sukūrė termometrą, kuriame pirmą kartą buvo panaudotas gyvsidabris. Skalei graduoti parinko tris taškus: pradiniu tašku laikė užšalusio vandens ir druskos mišinio temperatūrą (0 °F), viduriniu – vidutinę žmogaus (98 °F), o viršutiniu – druskos tirpalo užvirimo temperatūrą. Pagal Farenheito skalę vanduo užverda esant 212 °F temperatūrai.

1742 m. Andersas Celsijus (Anders Celsius, 1701–1744) apibrėžė ledo tirpimo ir vandens virimo temperatūras.

Atskaitos tašku buvo pasirinkta laikyti tirpstančio ledo temperatūrą. Iš pradžių termometras buvo įdėtas į tirpstantį ledą, paskui – į verdantį vandenį. Abiem atvejais pažymėta termometrinio skysčio stulpelio viršutinės dalies padėtis. Be to, pastebėta, kad kaitinamo skysčio tūris tolygiai kinta. Remdamasis šiuo dėsningumu, švedų astronomas ir fizikas A. Celsijus tarpą tarp ledo tirpimo ir vandens virimo taškų padalijo į 100 lygių dalių. Taigi ledas tirpsta esant 0 °C temperatūrai, o vanduo užverda esant 100 °C temperatūrai.

Šiandien daugelis žmonių mano, kad Farenheito skalė nebenaudojama. Taip nėra. Iki šiol kai kurios šalys, daugiausia anglakalbės, pavyzdžiui, Jungtinės Amèrikos Valstijos, Jungtinė Karalỹstė, naudoja Farenheito skalę. Bet kaip pereiti nuo vienų matavimo vienetų prie kitų? Pasirodo, tai galima apskaičiuoti. Celsijaus ir Farenheito skalių ryšį galima išreikšti lygtimi

t_{\mathrm{C}}=\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{9}}\left(t_{\mathrm{F}}-32\right),

čia t_C yra temperatūra pagal Celsijaus skalę, o t_F – temperatūra pagal Farenheito skalę.

Moksliniuose tyrimuose dažniausiai naudojama Kelvino skalė. 1848 m. anglų fizikas Viljamas Tomsonas (William Thomson, 1824–1907), dar žinomas kaip lordas Kelvinas, pasiūlė temperatūros skalę su absoliučiuoju nuliu. Ši skalė dažnai vadinama termodinamine skale.

Absoliutùsisnùlis – žemiausia galima temperatūra. Esant absoliučiajam nuliui 0 K (–273 °C), molekulės nustoja judėti.

Kad nepaklystume tarp įvairių skalių, galime remtis 5.8.5 pav.

Žmogaus kūno temperatūra matuojama medicininiu termometru. Nuo kitų jis skiriasi tuo, kad matavimo rezultatus galima matyti ir praėjus ilgesniam laikui. Šiandien medicinoje naudojami skirtingi termometrai, pavyzdžiui, elektroninis termometras su viduje įmontuotais davikliais rezultatą rodo nedideliame ekrane; taip pat populiarūs bekontakčiai infraraudonųjų spindulių termometrai. Pastarųjų privalumas tas, kad galima lengvai išmatuoti temperatūrą kūdikiui ar miegančiam ligoniui.

Matuojant kūno temperatūrą, svarbu laikytis tam tikrų taisyklių:

• termometro rezervuaras turi liesti kūną, kurio temperatūra matuojama;
• termometro rodmuo fiksuojamas tada, kai skysčio stulpelis nustoja kilti arba kristi.