El principio y la invención original del termómetro
Coloca dos objetos con diferentes temperaturas frías y calientes y ponlos en contacto entre sí. Después de un tiempo, ambas temperaturas alcanzarán el mismo nivel de frío y calor. En este punto, en términos científicos, alcanzan el equilibrio térmico entre sí. Además, si hay tres objetos A, B y C, que tienen diferentes grados de frío y calor, entonces A y B están separados entre sí, y A y B están en contacto con el objeto C. Después de un tiempo, A y C, B y C son todos Se alcanza el equilibrio térmico. En este momento, si A y B vuelven a ponerse en contacto, encontrará que no hay transferencia de calor entre A y B y sus respectivas temperaturas no cambiarán. Esto muestra que A y B están en equilibrio térmico en la etapa inicial de contacto. De esto podemos sacar una conclusión: si los objetos A y B están ambos en equilibrio térmico con el tercer objeto C, entonces A y B deben estar en equilibrio térmico, es decir, todos los objetos en equilibrio térmico tienen la misma temperatura. ¡Esta es la base para medir la temperatura de un objeto con un termómetro!
Ya en el año 250 a.C., Filón de Bizancio describió varios experimentos en los que se calentaba aire para expandirse. Hacia el año 100 d. C., Herón de Alejandría describió nuevamente el mismo experimento. Esto demuestra que los humanos han reconocido desde hace mucho tiempo que el aire tiene las características de expansión y contracción térmica. Este es también el principio utilizado por los primeros termómetros.
¿Quién inventó el primer termómetro? Siempre ha habido debate. Algunas personas atribuyen la primera invención del termómetro al famoso mecánico holandés C. Dreibel. Otros atribuyen esta prioridad al anatomista paduano Santorius; otros al sacerdote Pablo de Cracovia, al médico R. Froude de Londres y a Gehrig de Alemania. Sin embargo, la investigación histórica moderna coincide en que la invención del termómetro se atribuye a Galileo. En 1593 (el año de la invención propuesto por la alumna de Galileo, Vivian), Galileo utilizó un tubo de vidrio de 45 cm de largo y tan grueso como paja. Un extremo fue soplado hasta formar una burbuja de vidrio del tamaño de un huevo y el otro extremo todavía estaba abierto. Galileo primero calentó una bombilla de vidrio y luego insertó el extremo abierto en agua, haciendo que el agua subiera una cierta altura a lo largo del delgado tubo. Debido a que el aire en las burbujas se expande a medida que cambia la temperatura y se contrae cuando está frío, el agua en las tuberías también subirá y bajará. De esta manera, el nivel del agua en la tubería de agua se puede utilizar para representar el frío o el calor del aire en la burbuja de vidrio. Este es el primer termómetro. Otro alumno de Galileo, B. Castelli, fue testigo de cómo Galileo utilizaba este termómetro cuando daba una conferencia experimental en 1603. Por supuesto, este termómetro no será muy preciso porque el aire en la burbuja se verá afectado por la presión atmosférica y las fluctuaciones de temperatura. En realidad, es un barómetro de temperatura. Además, la escala de Galileo en la tubería era arbitraria.
En 1632, el físico francés J. Ray fue el primero en mejorar el termómetro de Galileo. Puso boca abajo el dispositivo de Galileo, llenó la bombilla de vidrio con agua y dejó el aire dentro del tubo, todavía usando la columna de agua en el tubo para indicar la temperatura. Como resultado de esta mejora, el agua se convirtió en la sustancia con la que se medía la temperatura; de hecho, se convirtió en el primer termómetro de líquido. Su desventaja es que la boquilla ascendente no está cerrada, porque el agua seguirá evaporándose, afectando la precisión de la medición. Los científicos trabajaron con los tamaños relativos de la bombilla de vidrio y el tubo de vidrio para reducir esta evaporación, de modo que el líquido pudiera subir y bajar a lo largo del tubo en el transcurso de un año. Aunque desde la perspectiva actual la dirección de este esfuerzo no es del todo correcta, desde la perspectiva de todo el proceso de desarrollo y mejora de los termómetros, este esfuerzo es valioso e inevitablemente ocurrirá. Sin esfuerzos por mejorar en todos los aspectos, hoy no existiría la perfección.
En 1657, miembros de la Academia de Ciencias de Florencia propusieron la idea de sellar tubos y sugirieron utilizar alcohol en lugar de agua como material para medir la temperatura, llevando así los primeros termómetros a una etapa más práctica.
Mejora adicional de los termómetros
La mejora y el desarrollo de los termómetros se llevan a cabo en dos direcciones: una es la selección de materiales de medición de temperatura; la otra es la determinación de los estándares de calibración.
Investigación y determinación de materiales para termómetros Además de los intentos antes mencionados de utilizar alcohol en lugar de agua como material para termómetros, el astrónomo francés I. Bouriaud fabricó un termómetro en 1659, utilizando por primera vez mercurio como termómetro. tiempo. Desde mayo de 1658 hasta septiembre de 1660, realizó registros continuos de observación de temperatura durante más de dos años, lo que lo convierte en uno de los registros de temperatura más antiguos existentes, sólo superado por los registros de observación de temperatura en Florencia que comenzaron en 1655. Pero en el siglo XVIII, Leo Maure de Francia se opuso firmemente al uso de mercurio como material para medir la temperatura porque el coeficiente de expansión del mercurio es muy pequeño. Trabajó para crear un termómetro de alcohol que fuera a la vez conveniente y preciso. Sin embargo, debido a que su termómetro era ineficaz e inconsistente de un termómetro a otro, Duluth (1727-1817) volvió al uso del mercurio, exclamando apasionadamente como físico: "La naturaleza debe habernos dado este mineral para hacer termómetro".
En 1747, Muchin Block de los Países Bajos también inventó un termómetro especial, que se fabricó utilizando el principio de expansión y contracción de una delgada varilla de metal. Fue este principio el que llevó a Wedgwood a inventar el pirómetro 35 años después.
En 1815, Dulong y Petit también compararon los termómetros de mercurio y los termómetros de aire. Supuso que todos los termómetros de mercurio eran idénticos, pero Regnaud demostró que no era así. Regno también demostró que entre 0°C y 100°C, el termómetro de aire está muy cerca del termómetro de mercurio de vidrio blando ordinario, pero la escala media del termómetro de aire está por detrás del termómetro de mercurio en aproximadamente 0,2°C. A 250°C, la lectura del termómetro de mercurio es más de medio grado superior a la lectura del termómetro de aire a 300°C, la diferencia entre los dos termómetros ha alcanzado 65438±0°C; la diferencia es de 30°C. Orshefsky también comparó los termómetros de hidrógeno con los de mercurio y descubrió que los termómetros de hidrógeno eran muy fiables a bajas temperaturas, con errores que no excedían los 65.438 ± 0°C a -220°C.
Desde hace algún tiempo, los físicos han estado bastante confundidos acerca de qué materiales son adecuados para medir la temperatura. En ese momento, utilizaron "si se expande uniformemente" como criterio para juzgar el material ideal para medir la temperatura. Por ejemplo, la gente suele oír que "la ventaja de un termómetro de mercurio es que el mercurio se expandirá uniformemente" y "la ventaja de un termómetro de aire es que el aire se expandirá uniformemente o casi uniformemente". Pero es difícil dar el estándar de referencia utilizado para establecer esta uniformidad, porque en principio podemos usar cualquier sustancia como estándar y luego definir incrementos iguales de esa sustancia como incrementos iguales de temperatura. Pero el problema es que si eliges una sustancia (como el mercurio) como sustancia estándar, afirmarás arbitrariamente que la sustancia se expandirá "uniformemente". Y al comparar dos sustancias termométricas, si el mercurio es un estándar, el aire no se expandirá de manera completamente uniforme y viceversa. No fue hasta 1848 que Lord Kelvin reveló por primera vez esta diferencia. Estableció una "escala de temperatura termodinámica absoluta" que no dependía de las propiedades específicas de ninguna sustancia en particular, formando una base mucho mejor para los termómetros que cualquier escala de temperatura específica. En nuestra escala de temperatura de referencia final actual, un termómetro de aire daría una lectura muy similar.
Investigación y determinación de estándares de calibración Desde Galileo hasta Briaud, la termometría ha evolucionado de cualitativa a cuantitativa, pero no existe un estándar unificado para las lecturas. Los miembros de la Academia de Ciencias Simanto eligieron dos temperaturas fijas para el termómetro: una para el frío invierno y otra para el caluroso verano. El frío en invierno se refiere a la temperatura de la nieve o el hielo durante el período de congelación más frío, y el calor en verano se refiere a la temperatura corporal del ganado vacuno o de los ciervos. Entre dos puntos de temperatura fijos, se dividen en 80 o 40 intervalos iguales. En 1829, Florencia fue descubierta entre antiguas vasijas de vidrio.