Замечательные термометры | ТМ 1938-07

З. ЭМИ, Рисунки Л. СМЕХОВА

В быту широко известны два термометра: комнатный и медицинский. Есть, однако, много других видов ртутных термометров, применяемых в технике и при различных исследовательских работах. Как и первые два, они отличаются друг от друга степенью точности и пределами показаний. Так, существуют термометры, шкала которых разбита на доли градусов вплоть до сотых; термометры с различными нижними пределами и с верхними в +100°, +200°, +300° и т. д.

При —39° ртуть замерзает, а при +357° — кипит. Несмотря на это, делают ртутные термометры, пригодные для измерения более высоких температур. Их действие основано на том, что с увеличением давления точка кипения жидкостей все повышается. Поэтому капилляр термометра заполняют газом, сжатым от 7 до 50 атмосфер. Так удалось довести верхний предел стеклянных термометров со ртутью до +650°, а кварцевых — до +750°.

В некоторых термометрах применяется спирт. Такие термометры удобны для измерения низких температур, так как спирт замерзает примерно при —70°. Пользуясь различными другими жидкостями, можно измерять температуру до —200°. Сложнее обстоит дело с измерением очень низких, а главное, очень высоких температур. Здесь приходится прибегать вообще к иным методам, о которых мы сейчас расскажем.

После ртутного термометра следует назвать «биметаллический». Его действие основано на разности тепловых расширений различных металлов. Главной частью такого термометра являются составленные из разных металлов и спаянные между собой две пружины или два изогнутых стержня. Если один конец такой системы закрепить, то при изменении ее температуры другой конец будет перемещаться. Соединенный посредством несложного механизма со стрелкой, он двигает ее по разбитой на градусы шкале.

Существует, далее, «термометр давления». В резервуаре такого термометра помещается та или иная жидкость, пространство над жидкостью заполнено ее насыщенным паром. Резервуар соединен с манометром — прибором, показывающим давление. Под влиянием тепла давление в замкнутом резервуаре увеличивается. Шкала манометра градуирована так, что он показывает не давление, а непосредственно температуру. Термометры давления изготовляются для измерения температур от —30° до +750°.

Газы обладают наибольшим коэффициентом теплового расширения. Поэтому достаточно малого количества газа, чтобы с большой точностью измерить малейшую разность температур. Это свойство газов дало возможность построить «газовый термометр». Он состоит из фарфоровой или платиновой трубки, в которую вводится газ. К трубке присоединен ртутный манометр. Таким термометром можно пользоваться в пределах: от —250 до +1200° и даже до +1300°. Заметим попутно, что «термометрия» условно охватывает область температур до +600°. Измерение тепла за этим пределом называется уже «пирометрией», а соответствующие приборы — «пирометрами».

Трудно измерять очень высокие температуры, так как материал приборов, не выдерживая слишком большого жара, плавится. В таких случаях прибегают к различным способам косвенного определения температуры. Пользуются, например, тем, что некоторые сорта глины при накаливании сжимаются. Чем сильнее жар, тем больше сжатие и отвердевание. Процесс этот протекает равномерно, вследствие чего по степени сжатия можно судить о температуре. Такой способ, конечно, не точен: он применим в тех случаях, когда колебание в 100° в обе стороны не имеет значения.

Во время своего межзвездного путешествия в ракете (см. № 5 «Техника—молодежи») доктор глубокомысленных наук Арк-Синус с удивлением заметил, что даже самые тугоплавкие металлы находятся на Солнце в газообразном состоянии. Это побудило пытливый ум доктора немедленно же заинтересоваться температурой Солнца.

Температура поверхности Солнца оказалась равной всего 6000°; зато величина ее в центре Солнца поразила доктора: она достигает там десятков миллионов градусов. Не выдержав такого страшного жара, прекрасный термометр доктора, унаследованной им от ныне покойного дедушки, лопнул, а щипцы лучшего качества расплавились.

Мощность излучения 1 мм³ раскаленного вещества центра Солнца равняется примерно 1,3·10¹⁶ л. с. Доктор быстро прикинул в уме, что такое количество живых лошадей, размещенных в четыре этажа на головах друг у друга, должно было бы занять сплошь всю поверхность земного шара.

Интереснее и несколько точнее «метод Зегера» Проф. Зегер изготовил из силикатных смесей серию конусов. Каждый из них плавится при строго определенной высокой температуре. Несколько таких конусов помещают в печь, температуру которой хотят измерить. Если, например, седьмой конус расплавился, а девятый еще не плавится, то температура печи соответствует температуре плавления восьмого конуса. Конусы Зегера применяются главным образом в силикатной промышленности.

С изменением температуры раскаленных тел меняется интенсивность их излучения. На этом основаны следующие два способа измерения высоких температур.

Первый способ — «оптический». О температуре судят по яркости и цвету: чем сильнее жар, тем ярче раскаленное тело. Темно-вишневый накал связан с одной температурой, красный — с другой, желтый — с третьей и т. д. Второй способ — «радиационный». Здесь измеряется уже не температура, а количество излучаемого раскаленным телом тепла. Зная это количество, можно вычислить и температуру тела.

Обоими этими методами пользуются в тех случаях, когда приходится иметь дело с очень высокими температурами, например в металлургии и астрономии. Так установлена температура поверхности Солнца и многих звезд, а также мощность их излучения.

Перейдем теперь к наиболее интересному методу, охватывающему границы как термометрии, так и пирометрии. Речь идет об электричестве — этой универсальной силе природы, с которой мы неминуемо должны столкнуться, о чем бы ни говорили. Нет теперь такой отрасли в науке, технике и быту, где бы электричество не могло быть с успехом применено. Так же обстоит дело и в области измерения температур. И здесь электричество приводит к наиболее замечательным результатам.

Электрический пирометр дает возможность производить наблюдения на далеких расстояниях. Так, например, можно следить за изменением температуры при вдувании воздуха в доменную печь, находясь в конторе завода. Другое удобство в том, что электропирометр можно ввести через узкое отверстие в пространство, где измеряется температура, и навсегда оставить его там. Нет необходимости, как при других методах, открывать двери, вынимать предметы и т. д.

Как же устроены электрические термометры и пирометры?

Если замкнутый проводник, состоящий из двух разных, спаянных вместе металлов, нагреть в одном из спаев, то в проводнике возникнет электрический ток. Явление это было открыто в 1823 г. Зеебеком. Спаяв висмут с медью и подогрев спай, Зеебек обнаружил ток, направленный в нагретом спае от висмута к меди, а в холодном — от меди к висмуту.

Спаянные металлы, дающие при нагревании «термоэлектрический» ток, называются «термоэлементом». Им и пользуются для измерения температуры: термоэлемент помещается в среде, температуру которой хотят измерить, и в цепь включается гальванометр.

Для измерения высоких температур применяются термоэлементы из платины и сплава платины с иридием. Элемент помещается в фарфоровой или кварцевой арматуре. Плавленый кварц легко выдерживает высокие температуры и при быстром охлаждении не дает трещин.

Электрический термометр обладает замечательной способностью измерять температуру тел, с которыми он не только не приходит в соприкосновение, но даже удален от них на большие расстояния. Это свойство основано на совершенно изумительной чувствительности электротермометров особой конструкций. Например, присутствие человека благодаря тепловому излучению его тела такой термометр обнаружит с расстояния в 9 м. Человека, закурившего сигару, термоэлемент выявит на расстоянии в 1 км. Стоит человеку зевнуть, как теплота, исходящая из его рта, сейчас же будет отмечена прибором. С его помощью определяют также, в какой мере, тепловые лучи проникают через различные оптические стекла и т. д.

Чтобы повысить чувствительность электротермометра, его помещают в безвоздушное пространство. Таким образом воздух не отнимает от термоэлемента полученного им тепла. Кроме того, термоэлемент помещается в фокусе параболического зеркала — рефлектора. Улавливая исходящие от тел тепловые лучи, рефлектор направляет их на термоэлемент. Вооруженный таким приспособлением и находящийся на корабле термоэлемент обнаруживает далекие айсберги; присутствие судов благодаря тепловому излучению их труб он чувствует за 10 км.

В действии такого прибора замечательна чувствительность именно гальванометра: он отзывается на токи силою в одну миллиардную долю ампера.

Когда мы смотрим ночью на звезды, в наш глаз попадают лучи света, пропутешествовавшие в пространстве сотни и тысячи лет. Вместе со светом эти лучи несут и тепло. Количество его ничтожно, но термоэлемент, помещенный в фокусе телескопа-рефлектора, реагирует на него. Поэтому термоэлементами пользуются и астрономы.

Мощность излучения с каждого квадратного сантиметра солнечной поверхности равна 8,4 л. с. Овладев одним таким сантиметром, находчивый доктор обеспечил себя бесплатным катаньем на мотоцикле в течение всей своей жизни.

Мощность излучения поверхности наиболее раскалённых синих и фиолетовых звезд достигает 15—20 тыс. л. с. с 1 см². Предприняв ряд измерений, доктор установил, что площадь этих высокоактивных звезд, равная площади обложки «Техники—молодежи», дает 10—15 млн. л. с. Перенесенная на Землю, эта мощность заменила бы все электростанции большого государства.

Во время последних, весьма ответственных вычислений досужий комар непочтительно ужалил доктора в лысину. Этот недостойный поступок комара вызвал со стороны пострадавшего вполне естественный рефлекс. Каково же было изумление доктора, заметившего, что стрелка далекого электротермометра качнулась влево... Однако доктор Арк-Синус быстро сообразил, что термометр уловил тепло, возникшее от трения между ногтями и ужаленным местом.

В США, на Маунт-Вилсон, находится величайший в настоящее время на земном шаре телескоп-рефлектор. Диаметр его зеркала равен 2,54 м, а вес зеркала достигает 4,5 т. Если поместить в фокусе этого зеркала термоэлемент, соединенный с гальванометром, он обнаружит тепло свечи, удаленной от зеркала — рефлектора. Улавливая исходящие от тел тепловые лучи, рефлектор направляет их на термоэлемент. Вооруженный таким приспособлением и находящийся на корабле термоэлемент обнаруживает далекие айсберги; присутствие судов благодаря тепловому излучению их труб он чувствует за 10 км.

В действии такого прибора замечательна чувствительность именно гальванометра: он отзывается на токи силою в одну миллиардную долю ампера.

Когда мы смотрим ночью на звезды, в наш глаз попадают лучи света, пропутешествовавшие в пространстве согни и тысячи лет. Вместе со светом эти лучи несут и тепло. Количество его ничтожно, но термоэлемент, помещенный в фокусе телескопа-рефлектора, реагирует на него. Поэтому термоэлементами пользуются и астрономы.

В США, на Маунт-Вилсон, находится величайший в настоящее время на земном шаре телескоп-рефлектор. Диаметр его зеркала равен 2,54 м, а вес зеркала достигает 4,5 т. Если поместить в фокусе этого зеркала термоэлемент, соединенный с гальванометром, он обнаружит тепло свечи, удаленной от Маунт-Вилсон на 3 тыс. км. 3 тыс. км — это расстояние между Москвой и севером Африки.