เทอร์โมมิเตอร์และมาตรวัดอุณหภูมิ

บทความเกี่ยวกับเทอร์โมมิเตอร์และมาตรวัดอุณหภูมิ

1. เทอร์โมมิเตอร์

เครื่องมือที่ใช้วัดอุณหภูมิคือเทอร์โมมิเตอร์ เทอร์โมมิเตอร์มีหลายประเภท แต่หลักการทำงานเหมือนกัน โดยทั่วไปเราใช้วัตถุที่วัดอุณหภูมิได้ ซึ่งเป็นสสารที่เปลี่ยนแปลงรูปร่างตามอุณหภูมิ หากอุณหภูมิของวัตถุเปลี่ยนแปลง รูปร่างและขนาดของวัตถุก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย เทอร์โมมิเตอร์ส่วนใหญ่ใช้วัตถุที่สามารถขยายหรือหดตัวได้เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เทอร์โมมิเตอร์ที่ใช้กันทั่วไปประกอบด้วยหลอดแก้วที่มีแอลกอฮอล์หรือปรอทอยู่ตรงกลาง เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น แอลกอฮอล์หรือปรอทในภาชนะจะขยายตัว ทำให้ความยาวของแท่งแอลกอฮอล์หรือปรอทเพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน เมื่ออุณหภูมิลดลง ความยาวของแท่งแอลกอฮอล์หรือปรอทจะลดลง ด้านนอกของหลอดแก้วจะมีตัวเลขซึ่งเป็นมาตราส่วนของเทอร์โมมิเตอร์ ตัวเลขที่แสดงที่ปลายด้านบนของแท่งแอลกอฮอล์หรือปรอทจะบอกค่าอุณหภูมิของวัตถุที่กำลังวัด

เทอร์โมมิเตอร์อีกประเภทหนึ่งที่นิยมใช้กันคือเทอร์โมมิเตอร์ที่ใช้แผ่นโลหะสองชนิด (โลหะสองชนิดที่มีอัตราการขยายตัวต่างกัน) เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น โลหะชนิดหนึ่งจะขยายตัวมากกว่าโลหะอีกชนิดหนึ่ง ส่งผลให้ชิ้นส่วนโค้งงอ โดยปกติแล้ว ชิ้นส่วนโลหะสองชนิดจะมีลักษณะเป็นเกลียว โดยปลายด้านหนึ่งจะคงอยู่ ในขณะที่ปลายอีกด้านหนึ่งเชื่อมต่อกับเข็มชี้ เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เข็มชี้จะหมุน เทอร์โมมิเตอร์ที่ใช้แผ่นโลหะสองชนิดมักใช้เป็นเทอร์โมมิเตอร์วัดอุณหภูมิอากาศ เทอร์โมมิเตอร์วัดอุณหภูมิห้อง เทอร์โมมิเตอร์วัดอุณหภูมิเตาอบ เป็นต้น เทอร์โมมิเตอร์ที่มีความแม่นยำหรือเที่ยงตรงกว่า มักใช้คุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัตถุเป็นเกณฑ์

2. การสอบเทียบเทอร์โมมิเตอร์

การสอบเทียบเทอร์โมมิเตอร์คือกระบวนการปรับสเกลของเทอร์โมมิเตอร์ ขั้นตอนในการสอบเทียบเทอร์โมมิเตอร์มีดังนี้ ขั้นแรก เตรียมเทอร์โมมิเตอร์ปรอทหรือเทอร์โมมิเตอร์แอลกอฮอล์ที่ไม่มีสเกล ขั้นที่สอง เตรียมน้ำแข็ง ขั้นที่สาม เตรียมน้ำ ขั้นที่สี่ เตรียมเครื่องทำน้ำอุ่นที่สามารถใช้ต้มน้ำให้เดือดได้ ขั้นที่ห้า ใส่น้ำแข็งและน้ำลงในภาชนะ (น้ำและน้ำแข็งมีมวลเท่ากัน) จากนั้น นำเทอร์โมมิเตอร์ใส่ลงในภาชนะที่มีน้ำและน้ำแข็ง

ขั้นแรก ให้วางเทอร์โมมิเตอร์สัมผัสกับอากาศเพื่อให้เทอร์โมมิเตอร์ร้อนกว่าน้ำแข็ง หลังจากใส่ลงในภาชนะ ความยาวของปรอทจะลดลงเนื่องจากส่วนผสมของน้ำและน้ำแข็งทำให้เย็นลงมากขึ้น รอจนกว่าความยาวของปรอทจะไม่เปลี่ยนแปลง (พื้นผิวของปรอทไม่เคลื่อนที่) เมื่อความยาวของปรอทไม่เปลี่ยนแปลง แสดงว่าส่วนผสมของน้ำแข็งและน้ำอยู่ในสมดุลทางความร้อน ทำเครื่องหมายตำแหน่งของปรอท (ทำเครื่องหมายที่ปลายด้านบนของปรอท) นี่คืออุณหภูมิจุดเยือกแข็งหรือจุดน้ำแข็งของน้ำ ขั้นที่หก ต้มน้ำโดยใช้เครื่องทำน้ำอุ่นไฟฟ้า ใส่เทอร์โมมิเตอร์ลงในภาชนะที่มีน้ำร้อน เมื่อน้ำร้อนขึ้นหรืออุณหภูมิของน้ำสูงขึ้น ความยาวของปรอทก็จะเพิ่มขึ้นด้วย (พื้นผิวของปรอทเคลื่อนที่ขึ้น) หลังจากน้ำเดือด พื้นผิวของปรอทจะหยุดเคลื่อนที่ ทำเครื่องหมายที่ปลายของปรอท นี่คืออุณหภูมิจุดเดือดหรือจุดไอของน้ำ

ถ้าคุณต้องการสร้างมาตราส่วนเซลเซียส ระยะห่างระหว่างขีดสองขีดจะถูกแบ่งออกเป็น 100 เส้น โดยระยะห่างระหว่างแต่ละเส้นต้องเท่ากัน ขีดล่าง = 0 ^องศาเซลเซียส ขณะที่ขีดบน = 100 ^องศาเซลเซียส ดูรูปภาพด้านข้าง อุณหภูมิจุดเยือกแข็งและอุณหภูมิจุดเดือดขึ้นอยู่กับความดันอากาศ ดังนั้นเทอร์โมมิเตอร์ที่สอบเทียบในสถานที่ที่มีความดันอากาศต่างกันจะให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกัน เทอร์โมมิเตอร์ปรอทที่ใช้กันทั่วไปจะสอบเทียบที่ความดันบรรยากาศ 1 เท่า ดังนั้นอุณหภูมิจุดเยือกแข็งของน้ำคือ 0 ^องศาเซลเซียส และอุณหภูมิจุดเดือดคือ 100 ^องศาเซลเซียส เทอร์โมมิเตอร์ทั่วไป เช่น เทอร์โมมิเตอร์ปรอทหรือเทอร์โมมิเตอร์แอลกอฮอล์ มักมีข้อจำกัด เทอร์โมมิเตอร์ไม่สามารถใช้วัดอุณหภูมิที่ต่ำมาก (ต่ำกว่า 0 ^องศาเซลเซียส) หรืออุณหภูมิสูงมาก (สูงกว่า 100 ^องศาเซลเซียส) ได้

3. มาตราส่วนอุณหภูมิ

ในการใช้เทอร์โมมิเตอร์วัดอุณหภูมิ จำเป็นต้องตั้งค่ามาตราส่วนอุณหภูมิ โดยทั่วไปมักใช้มาตราส่วนอุณหภูมิสองแบบ ได้แก่ มาตราส่วนเซลเซียสและมาตราส่วนฟาเรนไฮต์ อีกชื่อหนึ่งของมาตราส่วนเซลเซียสคือมาตราส่วนเซนติเกรด เซนติเกรดเท่ากับหนึ่งร้อยขั้น มาตราส่วนอุณหภูมิที่สำคัญในสาขาวิทยาศาสตร์คือมาตราส่วนสัมบูรณ์หรือมาตราส่วนเคลวิน ส่วนมาตราส่วนเคลวินจะกล่าวถึงในภายหลัง จุดคงที่ของมาตราส่วนเซลเซียสและมาตราส่วนฟาเรนไฮต์ใช้จุดเยือกแข็งและจุดเดือดของน้ำ จุดเยือกแข็งของสารคืออุณหภูมิที่สถานะของแข็งและของเหลวอยู่ในสมดุลทางความร้อน ในทางกลับกัน จุดเดือดของสารคืออุณหภูมิที่สถานะของเหลวและสถานะก๊าซอยู่ในสมดุลทางความร้อน จุดเยือกแข็งและจุดเดือดเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาตามความดันอากาศ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องกำหนดความดันอากาศก่อน โดยปกติเราใช้ความดันมาตรฐาน ซึ่งคือ 1 บรรยากาศ (1 atm) บรรยากาศเป็นหน่วยหนึ่งของความดันอากาศ

มาตราส่วน 3.1 องศาเซลเซียส

จุดคงที่เหนือมาตราเซลเซียสใช้จุดเดือดของน้ำบริสุทธิ์ ในขณะที่จุดคงที่ใต้มาตราเซลเซียสใช้จุดเยือกแข็งของน้ำบริสุทธิ์ อุณหภูมิเยือกแข็งของน้ำบริสุทธิ์ (หรือที่เรียกว่าจุดน้ำแข็ง) คือศูนย์องศาเซลเซียส (0°C) ^oC) และอุณหภูมิจุดเดือดของน้ำบริสุทธิ์ (หรือที่เรียกว่าจุดไอ) คือ 100 องศาเซลเซียส (100 ^oค) ระหว่างจุดเยือกแข็งและจุดระเหย มีช่วงห่าง 100 องศา ในเทอร์โมมิเตอร์ที่ใช้มาตราส่วนเซลเซียส โดยทั่วไปแล้ว อุณหภูมิที่ต่ำกว่าจุดเยือกแข็งจะถูกทำเครื่องหมายด้วยตัวเลขติดลบ

มาตราส่วนฟาเรนไฮต์ 3.2

ฟาเรนไฮต์ต้องการให้มาตราส่วนอุณหภูมิเป็นค่าบวก ดังนั้นเขาจึงเลือก 0 ^องศาฟาเรนไฮต์สำหรับอุณหภูมิของส่วนผสมของน้ำแข็งและน้ำเกลือ (อุณหภูมิที่เย็นที่สุดที่น้ำสามารถเข้าถึงได้) เมื่อวัดอุณหภูมิจุดเยือกแข็งและจุดระเหย ตัวเลขที่แสดงบนมาตราส่วนฟาเรนไฮต์จะเป็นเศษส่วน ในที่สุดเขาก็เปลี่ยนมาตราส่วนอีกครั้งเพื่อให้อุณหภูมิจุดเยือกแข็งและจุดระเหยเป็นจำนวนเต็ม

สำหรับมาตราส่วนฟาเรนไฮต์ อุณหภูมิเยือกแข็งของน้ำบริสุทธิ์ (จุดเยือกแข็ง) คือ 32 องศาฟาเรนไฮต์ (32) ^oและจุดเดือดของน้ำบริสุทธิ์ (จุดไอ) คือ 212 องศาฟาเรนไฮต์ (212) ^o(F) ระหว่างจุดเยือกแข็งและจุดไอมีระยะห่าง 180 องศา น้ำบริสุทธิ์คือน้ำที่ไม่เจือปนด้วยสารอื่น น้ำบริสุทธิ์ H₂0. เมื่อเราพูดถึงอุณหภูมิค่าหนึ่ง เราจะเรียกว่า องศาเซลเซียส (^oC) หรือ ฟาเรนไฮต์ (^oF) ตัวอย่าง: อุณหภูมิน้ำร้อน = 100 ^oซี หรือ 180 ^oฟาเรนไฮต์ อุณหภูมิร่างกายของฉัน = 98 ^oในทางกลับกัน หากเราพูดถึงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิหรือความแตกต่างของอุณหภูมิ เราจะเรียกว่าองศาเซลเซียส (C)^o) หรือองศาฟาเรนไฮต์ (F)^oตัวอย่าง: อุณหภูมิน้ำเริ่มต้นคือ 20 ^oC. เมื่อได้รับความร้อน อุณหภูมิจะเปลี่ยนเป็น 50 ^oC. ดังนั้น น้ำจึงมีอุณหภูมิเปลี่ยนแปลง 30 องศาเซลเซียส (30 C)^o).