Historia pomiarów temperatury cz. I

Termometry pozwalają nam dokonać pomiaru temperatury za pomocą substancji reagujących na zmiany temperatury. W dawnych czasach temperatura określana była prostymi określeniami „ciepło”, „zimno”, „gorąco”. Teraz, z wykorzystaniem różnych skal temperaturowych, możemy określać poziom temperatury bardziej precyzyjnie i niezależnie od innych czynników.

Najbardziej popularne skale temperatury, w których możemy dokonać odczytu to stopnie Celsjusza, Fahrenheita lub Kelvina. Jedną z pierwszych prób ustalenia skali temperatury podjął w 170 roku n.e. Galen, proponując 4 stopnie ciepła dla wrzącej wody, 4 stopnie zimna dla lodu a także temperaturę „neutralną” dla mieszaniny równych ilości lodu i wrzącej wody.

Temperatura jest jedną z podstawowych wielkości fizycznych, jest miarą stanu cieplnego danego ciała. Przy bezpośrednim kontakcie dwóch ciał, których poziomy temperatury różnią się, następuje przekazywanie ciepła od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze, aż do momentu wyrównania temperatur. Ludzie od zawsze intuicyjnie wykorzystywali tę właściwość. Jedno z plemion zamieszkujących współczesną Australię ciągle używa naturalnych metod pozwalających na ogrzanie ciała, wykorzystują do tego celu psy. Ilość psów potrzebnych do ogrzania jest wyznacznikiem ciepłej lub zimnej nocy – w ciepłe noce do ogrzania się wystarczy jeden pies, w bardzo zimne noce potrzeba już sześciu psów do ogrzania człowieka.

Ciepło było wykorzystywane w wielu procesach – gotowanie wody, przygotowywanie posiłków, wytwarzanie ceramiki, przetapianie metali. W związku z rozwojem procesów produkcji rosła potrzeba bardziej precyzyjnego określenia temperatury.

Termoskop Galileusza

Pierwsze udane pomiary za pomocą urządzenia przeprowadził Galileusz (żyjący w latach 1564-1642). Skonstruował termoskop, wykorzystujący zależność gęstości cieczy od temperatury oraz prawo Archimedesa. Udoskonalił on wcześniejszą wersję termoskopu przypisywaną Filonowi z Bizancjum. Za pomocą termoskopu można było śledzić zmiany temperatury, jednakże pomiar nie był zbyt dokładny i nie posiadał skali. Numeryczną skalę dodał Santorio Santorio za pomocą 110 równych odcinków.

W późniejszych latach w pracach na rozwojem urządzeń do pomiaru temperatury oraz określeniu skali temperatury brało udział wielu naukowców i lekarzy jak m in. Jean Rey, Robert Boyle, Chrystian Huygens, H. Fabri, C. Rinaldi, E. Halley. Dużą uwagę przywiązywano do opracowania skali temperatury, czyli przyporządkowania określonym wartościom liczbowym pewnych temperatur, która miała umożliwić precyzyjne wyrażanie pomiaru temperatury. Zazwyczaj kalibracji dokonywano w oparciu o dwa punkty wzorcowe wyznaczane przez termometr w oparciu o zjawiska fizyczne, a następnie dzielono odległość pomiędzy nimi.

Taką skalę zastosował Isaac Newton. W jego 12-stopniowej skali zero stanowiła temperatura topnienia lodu, natomiast najwyższy punkt w skali oznaczał temperaturę ciała. Inną skalę zastosował Ole Rømer, użył on temperatury zamarzania solanki do przypisania temperatury zero oraz temperatury wrzenia wody, której przypisał 60 stopni Rø. Dodatkowymi dwoma punktami były punkt zamarzania wody wynoszący 8 stopni i temperatura ciała jako 22,5 stopnia. Doświadczenia duńskiego astronoma Ole Rømera zostały wykorzystane i rozwinięte przez Fahrenheita. Panowie mieli okazję poznać się osobiście.

Daniel Gabriel Fahrenheit – termometry rtęciowe

Urodzony w Gdańsku, w roku 1686, w kupieckiej niemieckiej rodzinie. W późniejszym latach przeniósł się do Holandii. To on jako pierwszy zbudował bardzo wysokiej jakości termometr rtęciowy z własną skalą. Zarobkowo zajmował się produkcją termometrów, barometrów oraz wysokościomierzy.
Fahrenheit zwiększył precyzję skali Rømera, mnożąc ją przez cztery. W 1724r. ogłosił swoją skalę, w której użył zera (0 °F) do oznaczenia temperatury zamarzania mieszaniny wody, lodu i salmiaku, 32°F jako temperatury mieszaniny wody z lodem oraz 96°F jako temperatury ciała. Podczas swoich późniejszych badań odkrył, że temperatura ciała zależy od pory dnia, podczas której dokonujemy pomiaru. Szukając lepszego rozwiązania, kilka lat przed śmiercią, dokonał modyfikacji proponując przyjęcie 212°F jako temperatury wrzenia wody uznając ją za ważniejszą od temperatury ciała.

Skala ustalona przez Fahrenheita jest używana do dzisiaj w Stanach Zjednoczonych, natomiast w większości krajów została wyparta przez skalę Celsjusza.

Pomimo tego, że do naszych czasów nie zachował się żaden portret Daniela Gabriela Fahrenheita, pracownicy Centrum Informatycznego TASK z Politechniki Gdańskiej podjęli próbę stworzenia jego wizerunku. Było to możliwe dzięki algorytmowi z rodziny algorytmów genetycznych i specjalnie opracowanej aplikacji komputerowej. Do stworzenia wirtualnego portretu Fahrenheita wykorzystano wizerunki krewnych oraz gdańszczan współczesnych wielkiemu fizykowi, reprezentujących podobne pochodzenie i status społeczny.

Najbardziej popularna skala Celsjusza

Obecnie znana nam skala Celsjusza, najbardziej popularna i stosowana przez nas w życiu codziennym, przypisywana jest szwedzkiemu astronomowi i fizykowi Andersowi Celsius z Uppsali. Co ciekawe, Celsius przyjął oznaczenia temperatury odwrotne do tego, które stosujemy dzisiaj. W 1740r. Celsius przypisał w swojej stustopniowej skali 0°C dla punktu wrzenia wody oraz 100°C dla punktu lodu, a dwa lata później astronom M. Strömera dokonał odwrócenia podanych wartości. Od 1948 natomiast oficjalnie używa się nazwy skala Celsjusza, po zastąpieniu punktu lodu punktem potrójnym wody.

Bezwzględna skala temperatury – skala Kelvina

Rtęć, zastosowana przez Fahrenheit i Celsjusz, a także inne substancje termometryczne ograniczają pomiar temperatury do określonego zakresu wyznaczonego poprzez wytrzymałość cieplną zastosowanej substancji czy części konstrukcyjnych termometrów. W 1848 r. angielski badacz W. Thomson (znany później jako lord Kelvin) określił skalę temperatury, która była niezależna od wyboru substancji termodynamicznej. Jego skala oparta jest na rozszerzalności gazu i jest skalą absolutną, czyli zero oznacza najniższą teoretycznie możliwą temperaturę jaką może mieć substancja, w której ustały drgania cząsteczek. W 1967r. XIII Genewska Konferencja Miar i Wag zdefiniowała jednostkę temperatury termodynamicznej jako 1/273,16 część temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody nadając jej nazwę kelwin (K).

Porównanie temperatur kilku zjawisk fizycznych w różnych skalach temperaturowych

	Kelvin	Celsjusz	Fahrenheit
zero bezwzględne	0	273.15	-459.67
zamarzanie wody	273.15	0	32
średnia temperatura ciała	309.80	36.60	98.2
wrzenie wody	373.15	100	212

Do przeliczania jednostek temperatury możemy wykorzystać jeden z dostępnych w Internecie konwerterów lub skorzystać z pomocy wyszukiwarki Google, tak jak widać to na poniższym przykładzie. Aby przeliczyć stopnie Celsjusza na Farenheita w oknie wyszukiwania wpisujemy frazę np. „100 celsius to fahrenheit„. Przeliczanie działa dla skali Celsjusza, Farenheita, Kelvina, Rankine’a.
Skala temperatury jest ważnym czynnikiem pozwalającym na określenie warunków, w których funkcjonuje człowiek. Jest niezbędna dla powtarzalności i zachowania jakości różnego rodzaju złożonych procesów produkcyjnych czy badawczych. Jest także istotne z punktu widzenia przechowywania żywności i leków, których bezpieczne przechowywanie przekłada się na nasze zdrowie. Najpopularniejsze skale jakie obecnie są używane to skala Celsjusza, która używana jest m.in. w Polsce, skala Fahrenheita używana w niektórych krajach anglosaskich jak Stany Zjednoczone oraz skala Kelvina. Znacznie rzadziej stosowana jest dodatkowa skala Rankine’a.
1. David A. Katz, Temperature, [dostęp elektroniczny 2016-07-12]

2. Wikipedia

3. Piotr Rowicki, Daniel Gabriel Fahrenheit: najsłynniejszy w świecie gdańszczanin, w historia.trojmiasto.pl, 2012-05-02 [dostęp elektroniczny 2016-07-12]

4.Biuro prasowe Politechniki Gdańskiej, Informatycy z Politechniki Gdańskiej stworzyli wirtualną podobiznę Daniela Gabriela Fahrenheita, 2012-11-26 [dostęp elektroniczny 2016-07-12]

5. Ludwik Michalski, Jacek Kucharski, 400 lat pomiarów temperatury, pierwszy termometr – Galileusz 1602r, Politechnika Łódzka Wydział Elektrotechniki i Elektroniki Katedra Elektrotermii

Data publikacji:
12 Lipca 2016
Achem.pl