Термометрия

Температура является важным диагностическим показателем в медицине и биологии. Получение зависимости температуры от времени позволяет изучать и контролировать процессы, происходящие в биологических объектах. Таким образом, точное измерение температуры составляет неотъемлемую часть, как научных исследований, так и медицинской практики.

Методы измерения температуры различны для разных диапазонов измеряемых температур, они зависят от условий измерений и требуемой точности. Их можно разделить на две основные группы методов: контактные (собственно термометрия) и бесконтактные (тепловые излучения или пирометрия).

Температура не может быть измерена непосредственно подобно тому, как измеряют длину объем, массу. Объем, длина, масса – примеры экстенсивных (количественных) свойств системы. Если железный стержень разделить на несколько частей, температура каждой из них от этого не изменится. Температура – пример интенсивных (качественных) свойств системы. Для измерения температуры возможен только один путь – использовать объективную связь между температурой и любой экстенсивной величиной: изменением объема, давления, электрического сопротивления, интенсивности излучения и др., однозначно с ней связаных.

Термометры – устройства для измерения температуры – состоят из чувствительного элемента и измерительного прибора (манометр, потенциометр, милливольтметр т.д.). Необходимое условие измерения температуры – тепловое равновесие чувствительного элемента и тела, температура которого определяется.

Любой метод измерения температуры связан с определением температурной шкалы. Принципиальным недостатком всех эмпирических шкал является их зависимость от свойств термометрического вещества. Независимая шкала построена на основе второго начала термодинамики и названа термодинамической шкалой температур. За реперную точку (точку отсчета) ее принята температура тройной точки воды 273,16 К. Единицей термодинамической температуры является кельвин (К). 1 К равен интервала между 0 К и тройной точкой воды.

Наравне с кельвином допускается измерение температур и их разности градусом Цельсия в международной практической шкале. Для перехода от кельвинов ( ) к градусам Цельсия ( ) и наоборот служит формула:

.

Термодинамическую температуру практически измеряют гелиевым или водородным термометром, определяя давление газа в замкнутом неизменном объеме, принявшем температуру измеряемого тела.

Практически температуры тел, жидкостей, газов измеряют жидкостным или электрическим термометрами. В жидкостных термометрах изменение температуры определяют по изменению объема жидкости (ртути, спирта), заполняющей шарик термометра при его нагревании или охлаждении. В электрических термометрах (термопарах, термисторах) используется свойство некоторых металлов или сплавов изменять свои электрические характеристики (термоэлектродвижущую силу, сопротивление) в зависимости от температуры. Высокую температуру тел (пламени, Солнца, звезд) измеряют пирометрами, работающими на основе законов излучения нагретыми телами света – чем выше температура тела, тем больше энергии излучается светом с более короткими волнами.

 

Рис.1

В жидкостном термометре термометрической характеристикой является объем, чувствительным элементом – резервуар с жидкостью (обычно ртуть или спирт). Используемый в медицине ртутный термометр (рис.1) указывает максимальную температуру и называется максимальным термометром. Эта особенность обусловлена его устройством: резервуар с ртутью (1) отделен от градуированного капилляра волосяным сужением (2), которое не позволяет ртути при охлаждении термометра возвратиться в резервуар. Существуют и минимальные термометры, показывающие наименьшую температуру, наблюдаемую за длительный промежуток времени.