温度计工作原理
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温度计工作原理
看看屋里屋外,您会发现有许多设备,它们的作用就是测量温度的变化:
院子里的温度计可以告诉您外面多热或多冷。
厨房里的肉类和糖果温度计可以测量食物的温度。
加热炉里的温度计可以控制什么时候开关。
烤箱里的温度计可以保持设定的温度(热)。
冰箱里的温度计可以保持设定的温度(冷)。
药柜里的体温计可以准确测量一个小范围内的温度。
所有这些设备都在以某种方式测量温度。在本篇文章中,我们将了解现在使用的各种温度计技术及其工作原理。您还可以制作自己的温度计!
球状温度计就是您可能从小就在用的玻璃温度计。这种温度计含有某种液体,
通常是水银。
球状温度计依据的是一个简单的原理,即液体的体积会随温度的变化而变化。
液体变冷时收缩,变热时膨胀,这一原理同样适用于气体,也是热气球的工
作原理。
您可能每天都会接触液体,但是您可能没有注意到,水、牛奶和食用油的体
积都会随着温度的变化而变化,这些变化是相当小的。所有的球状温度计都
使用一个大大的球和一根细细的管子来突出体积的变化。如果您自己动手做
一个球状温度计,您就会亲眼看到这一点。下面就是您需要的物品:
带不透水密封盖的玻璃罐或玻璃瓶,盖子应为金属或塑料制成的旋盖。
我用的是1360克的苹果酱罐。罐子必须是玻璃的,这样您挤压它时,
它的形状不会发生改变。
一把钻头,或一把锤子和一颗大钉子。
一些橡皮泥、油灰、填缝剂或口香糖。
吸管,约23厘米长,越细越好,最好是透明的。
一些食用色素(非必需)。
制作温度计:
1.在罐子盖上打一个孔,孔的大小应尽可能地接近吸管的直径。
2.将吸管的一端插入孔中,然后密封孔的四周,要用橡皮泥把盖子的内外两侧都密封
住。完成后,它看起来应该是下面这样的:
3.将罐子注满冷水。您可以灌满水,然后放在冰箱里过夜,或者另外找罐子制一些冰
水,然后将冰水倒入您的罐子里,在这一过程中不要把冰倒进去,罐子里您要的只是水。如果您愿意,可以加一些食用色素,然后摇一摇。
把罐子放在桌子上以保持平稳,您要把罐子注满冷水,要尽可能地满而又不会溢出来。
4.按照上面图中所示,把罐子盖上。当您旋上盖子后,可能会有一点水溢出来,吸管
里可能也会看到一点水,这没关系。
5.把罐子放到厨房的水槽里,塞上水槽塞,然后放热水到水槽中,至水槽半满。
注意观察吸管中的液面,将会发生奇怪的事情:您会亲眼目睹罐子里的水在膨胀!随着罐子里的水越来越热,它就会膨胀并沿着吸管上升。这种膨胀每天都会发生,只是由于膨胀量太小,我们不会真正注意罢了。在这里,由于我们把膨胀的水引入一根很细的吸管,膨胀就变得明显多了。我们可以真真切切地看到它在发生。
您制作的就是一个简单的球状温度计,而且用起来很不错。如果愿意,您可以校准,那它就会相当准确地报告温度。但是,这个温度计也存在一些问题:
由于使用的液体是水,它无法测量0摄氏度以下的温度,因为水会结冰。同样,它也不能测量高于100摄氏度的温度,因为水会沸腾。
由于“球体”(罐子)很大,温度计要用很长时间才能达到与测量对象相同的温度,也许是一个小时。
由于管子的顶端是开口的,水会蒸发,并且可能会落入灰尘和碎屑。
将水银密封到一个小的玻璃温度计中就可以解决这些问题。球体小意味着它可以很快达到测量对象的温度,温度计的管子也非常细,而且水银还可避免水的结冰和沸腾问题。
如何校准温度计?常用的刻度有两种:
华氏温标——丹尼尔•华伦海特(Daniel Fahrenheit)随意决定在水的冰点和沸点之间划分为180度,并把水的冰点定在32度。于是,他制作了一个温度计,把它插进冰水里,把玻璃上的水银面标为32度。然后,他把同一温度计插入沸水中,把水银面标为212度。之后,他在这两点之间作了180个均匀分布的标记。
摄氏温标——安德斯•摄尔修斯(Anders Celsius)随意决定在水的冰点和沸点之间划分为100度,并把水的冰点定在100度。不过,后来人们将他的刻度反了过来,所以水的沸点变为100度,而冰点变为0度。
正如您所看到的,我们平常使用的温度刻度完全是随意确定的!如果愿意,您也可以提出自己的刻度。使用水的冰点和沸点作参考点很好,因为它们很容易再现,但这并不是说您不可以使用其他刻度。
球状温度计的优点是测量准确,但是,如果目的是要控制温度,它们就不太适宜了。双金属片温度计采用金属制作,因此比较容易控制温度。
双金属片温度计依据这样一个原理,不同的金属在变热时以不同的速率膨胀。将两种不同的金属焊接在一起,您可以制作一个能经受高温的简易电控制器。这类控制器通常可以在烤箱中找到。下面是总平面图:
两种金属组成双金属片,这也是其名称的来源。在上图中,如果是用在烤箱中,应选择让绿色金属比蓝色金属膨胀得更快。在冰箱中则应选择相反的设置,这样随着温度的升高,蓝色金属比绿色金属膨胀得更快,金属片向上弯曲,形成接触,从而接通电流。可以通过调节金属片和触片之间空隙的大小来控制温度。
您会经常发现较长的双金属片会盘绕成螺旋状。院子里的刻度盘温度计一般会设计成这样。将非常长的金属片盘绕起来,可以极大增强它对微小温度变化的敏感度。加热炉恒温器中应用了同样的方法,线圈还连有一个水银开关,可以打开和关闭加热炉。
现在使用电子设备测量温度很普遍。此类温度传感器中最常见的是热敏电阻。
这种设备的电阻可以随温度变化而变化。计算机或其他电路可以测量电阻并将它换算成温度,显示或者决定开关某些设备。