Termometar

Termometar (franc. thermomètre, od grčkog θερμός termo - toplo i μετρέω - merenje) je merni instrument koji meri temperaturu koristeći nekoliko različitih principa.^[3][4][5] Zasniva se na činjenici da se dva tela dovode u toplotnu ravnotežnu, pa je temperatura koju pokazuje ujedno i temperatura tela s kojim je u dodiru. Merenje temperature svodi se na merenje termometrijskoga svojstva. Sastoji se obično od dva elementa: senzora (čula, davača) temperature i od pretvarača izmerene vrednosti u formu pogodnu za ljudsko ili mašinsko očitavanje.^[6] Termometri mogu pokazivati temperaturu u nekoliko temperaturnih lestvica.^[7]

Neki od principa termometra su bili poznati grčkim filozofima pre dve hiljade godina. Moderni termometar je postepeno evoluirao od termoskopa sa dodatkom skale u ranom 17. veku i standardizacijom tokom 17. i 18. veka.^[8][9][10]

U procesu merenja temperature objekta, toplota se prenosi između objekta i termometra dok oba nisu u stanju ravnoteže temperature. Prema tome, termometar zapravo meri temperaturu ekvilibrijuma (ravnoteže), a ne stvarnu inicijalnu temperaturu objekta. Iz toga proizilazi da svako merenje temperature ima netačnosti, koje su utoliko veće što je toplotni transfer veći.

Termometrija koristi niz termometrijskih svojstava, pojava koje zavise od promene temperature i pogodne su za merenje temperature, na primer povećanje zapremine (živin termometar, termometar s alkoholom, plinski termometar) ili dužine (metalni termometar), promena pritiska (gasni termometar), električnog otpora (otporni termometar), termoelektričnog napona (termoelement) ili jačine (intenziteta) i frekvencije elektromagnetnog zračenja koje neko telo emituje (pirometar).

Kod bimetalnog termometra dva sloja različitih metala su povezana zajedno tako da obrazuju bimetal u obliku lista, zavojnice ili heliksa. Metali treba da imaju različite koeficijente termalne ekspanzije tako da promena temperature deformiše originalni oblik. Bimetalni termometar se formira tako da se indikator sa skalom poveže sa bimetalnim elementom.

Bimetalni termostat ima set električnih kontakata umesto skale i indikatora temperature. On se često koristi za kontrolne sisteme regulacije temperature tipa uključivanja-isključivanja, na primer kod pegle.

Ove vrste termometra koriste posudu ispunjenu tečnošću, gasom ili parom kao senzor temperature. Termometar sa tečnošću služi za merenje temperature u rasponu od približno – 200 do + 600 °C. Kapilarna cev vrlo malog prečnika povezuje posudu sa spiralnim, helikoidalnim ili drugim elementom koji pretvara pritisak u korisni signal, indikaciju temperature, ili zapis temperature. Zbog većega toplotnog rastezanja tečnosti u odnosu na staklo, s rastom temperature podiže se nivo tečnosti u graduisanoj kapilari. Kao tečnost najčešće se koristi živa (živin termometar), a za niže temperature alkohol (termometar s alkoholom) i neka druga organska jedinjenja.

Postoje 4 glavne grupe po supstanci korištenoj za punjenje:

• Tečnošću punjeni termalni sistemi. Često punjeni ksilenom. Raspon mjerenja -87 do 371° celzijusa.
• Parama punjeni termalni sistemi koriste pritisak pare. Dijele se na nekoliko podvrsta.
• Gasom punjeni termalni sistemi. Često koriste azot, ili helijum za izuzetno niske temperature. Raspon mjerenja -268 do 760° celzijusa.
• Živom punjeni termalni sistemi. Jako dobre osobine, problem je toksičnost žive.

Burdonov termometar se sastoji od spiralne metalne cevi (kapilarne cevi), ručice, lestvice i kazaljke. Spiralna metalna cev (koja se nalazi u termometru ili kućištu) je izvučena i spaja se na sondu koja je (olovna, bakrena ili platinska), a punjena je najčešće živom. Ovo su stari termometri koji su se koristili najčešće za grejanje velikih prostorija (plastenici i staklenici, velike dvorane koje koriste centralno grejanje, i tako dalje) putem termogena (uređaji koji koriste instrumente plamenike za dovod i sagorevanje goriva u njima). Ovaj termometar je u znatnoj meri zamenjen savremenijim digitalnim termometrom.

Otporni temperaturni detektori (engl. RTD) koriste promenu električnog otpora materijala sa promenom temperature za merenje. Otpor većine metala se povećava sa povećanjem temperature, a posebno se koriste platina i nikl zbog velike promene otpora i stabilnosti.

Otpornik od pogodnog materijala je načinjen u obliku zavojnice namotane na inertan materijal i stavljen u prostor gde se meri temperatura. Promena otpora se dalje obrađuje merenjem promene napona na spoljnom otporniku ili metodom otpornog mosta koja daje vrlo precizne rezultate.

Termistor je vrsta otpornika kod kojeg dolazi do velikih promena otpora pri promeni temperature, pa je pogodan za direktno uključenje u elektronska kola.

Termočlan ili termoelement je vrsta termometra namenjena pretežno merenju viših temperatura (do 1 500 °C). Termočlan (termospoj) se sastoji od dve metalne žice od raznih materijala koje su spojene u jednoj tački (merni spoj, vrući spoj) i u drugoj tački da obrazuju referentni spoj (hladni spoj). Kada su ova dva spoja na raznim temperaturama, stvara se mali napon između dve žice. Ovaj napon se zove Sebekov efekat. Veličina ovog napona je proporcionalna razlici temperatura između dve žice i može se dalje pojačati i upotrebiti za merenje temperature. Temperatura referentnog spoja se održava stalnom, tradicionalno na 0  °C u posudi sa smešom leda i vode. Različiti parovi materijala (termoparovi) daju različite napone za istu razliku temperature, pa se najčešće odabiraju oni koji u određenom području temperature daju najveće napone. Najpoznatiji su termoparovi željezo-konstantan, platina-platinarodijum, nikal-hromnikal i bakar-konstantan. Termoparovi se zaštićuju od štetnih hemijskih uticaja materijala čija se temperatura meri zaštitnom cevi od metala ili keramike. Više termoelemenata spojenih u seriju čine termobateriju, koja može služiti kao izvor napona.^[11]

U meteorologiji se živini termometri upotrebljavaju i za merenje temperature tla (takozvani geotermometri), za merenje temperature vode jezera, reka i mora (staklena cev smeštena je u posebno metalno kućište - crpku s gumenom oblogom).

Električni termometri odlikuju se velikom osetljivošću, a senzori su im vrlo tanka platinska žica (platinski termometri) ili termoelementi. Platinski termometar deluje na osnovu promene električnog otpora platinske žice zbog promene temperature. Promena električnog otpora žice meri se galvanometrom umerenim (baždarenim) u Celzijusovim stepenima. Termometri s termoelementima mere galvanometrom elektromotornu silu koja nastaje kad postoji razlika u temperaturi između dva spojišta termoelemenata.^[12]

Postoji veći broj integrisanih kola proizvedenih za potrebe merenja temperature. Serija LM35 na primer proizvodi izlazni napon 10 milivolti puta temperatura u celzijusima od -55 do +155. Izlazni napon kola pri temperaturi od 20 stepeni će biti 750 milivolti.

Glavni članak: Maksimalni i minimalni termometri

Maksimalni i minimalni termometri mere maksimalnu, odnosno minimalnu temperaturu u nekom vremenskom rasponu (intervalu). To mogu biti bilo koji od nabrojenih vrsta, ali se u tu svrhu najčešće koriste termometri sa tečnostima. Ako se na primer takvim termometrom želi meriti maksimalna temperatura u nekom vremenskom razdoblju, tada se u kapilaru umeće neka prepreka, tako da se tečnost, na primer živa, može po njoj podizati, ali se ne može sama od sebe spuštati (na primer lekarski termometar, odnosno toplomer). Takvi termometri često služe i za održavanje konstantne temperature (temperaturna regulacija). Najjednostavniji temperaturni regulator ima u cevi sa živom dve stopljene elektrode, od kojih jedna leži u živi. Kada temperatura poraste iznad određene vrednosti, živa zbog povećane zapremine obuhvati i drugu elektrodu, struja poteče krugom i prekine strujni krug za grejanje.

Često je potrebno znati najvišu temperaturu u nekom vremenskom razmaku, na primer u toku 24 sata, što je naročito važno u meteorologiji. U tu svrhu se koristi maksimalni termometar. Kod tog termometra izlazi iz posude u cev stakleni štapić manjeg prečnika od prečnika cevi, pa živa iz posude ima vrlo uzak prolaz. Pri rastezanju živa prolazi kroz usku pukotinu, ali se pri stezanju živina nit prekine i živa se ne može vratiti u posudu, te pokazuje maksimalnu temperaturu. Kod ponovne upotrebe termometar se mora stresti tako da živa padne u posudu. Na ovom principu izrađen je i lekarski termometar kojim se meri temperatura ljudskog tela.^[13]

Minimalni termometar pokazuje najnižu temperaturu u nekom proteklom vremenu. Takav je termometar građen je na isti način kao i maksimalni termometar, samo je punjen alkoholom i u njemu se nalazi tanki stakleni štapić. Kad temperatura raste, alkohol prolazi uz štapić, a kad temperatura pada, alkohol povlači za sobom štapić zbog površinskog napona. Položaj štapića pokazuje najnižu temperaturu. Ovaj se termometar upotrebljava u vodoravnom položaju, pa se kod ponovne upotrebe mora nagnuti tako da štapić dođe na kraj alkoholne niti.

Lestvica termometra za posebne svrhe ne obuhvata celi osnovni razmak, nego samo one temperature koje su za datu namenu relevantne. Tako skala lekarskog termometra ide samo od 35 °C do 42 °C, a skala termometra za merenje temperature vazduha od -35 °C do +50 °C.

Glavni članak: Pirometar

Radijacioni pirometar meri temperaturu objekta merenjem termalne radijacije koja izlazi iz objekta. Optički sistem skuplja vidljivu i infracrvenu energiju koja dolazi od objekta i usmerava je na detektor. Detektor vrši konverziju u električni signal koji se dalje obrađuje po potrebi.

Pirometar se bazira na fizičkom zakonu energetske emisije crnog tela (Štefan-Bolcmanov zakon). Pirometar je merni instrument za merenje visokih temperatura, najčešće u pećima za topljenje materijala ili za pečenje keramike. Najvažniji su termoelektrični tipovi (za temperature do 1 600 °C), optički i radijacijski (za temperature do 3.000 °C). Termoelektrični pirometar radi na principu merenja električnog napona termočlanka, direktno izloženog uticaju toplote, a merni instrument je baždaren tako da pokazuje temperaturu. Optički i radijacijski pirometar temelje se na zavisnosti zračene energije (toplotno zračenje) zagrejanog tela od njegove temperature. Optički pirometar pomoću filtra propušta samo određeno područje zračenja i služi za upoređivanje boje toga zračenja s užarenom volframovom niti. Struja kojom se žari nit može se menjati (varirati) promenama električnog napona, a instrument koji meri struju baždaren je u temperaturnim stepenima. Temperatura se očitava kada se boja zračenja i niti izjednače. Kod radijacijskog pirometra energija zračenja dovodi se pomoću optičkog sistema na jedan kraj termočlanka. Instrument koji meri napon tog termočlanka baždaren je u temperaturnim stupnjevima.^[14]

Baždarenje termometra je postupak kojim se utvrđuje povezanost između vrednosti temperature očitane na baždarenom termometru i vrednosti očitane pomoću pouzdano tačnog termometra. Nekada su se za baždarenje koristili plinski standardni termometri, a od 1927. za niže temperature upotrebljava se standardni platinski otporni termometar, a za više temperature merodavna je standardna tačka topljenja zlata (1.063 °C), jedna od takozvanih sekundarnih čvrstih tačaka.

Glavni članak: Temperaturna lestvica

Temperaturna lestvica je lestvica u različitim mernim jedinicama temperature, koja se upotrebljava na termometru ili za grafičko prikazivanje termodinamičke i empirijske temperature. Kroz istoriju je bilo nekoliko temperaturnih lestvica i njihovih mernih jedinica. Na Balkanu se upotrebljavaju temperaturne lestvice u Celzijusovim stupnjevima (oznaka °C) ili u kelvinima (oznaka K). U engleskom govornom području još se upotrebljavaju: Farenhajtov stepen (oznaka °F ili deg) i Rankinov stepen (oznaka °R). Više se ne upotrebljava jedinica temperature Reomirov stepen (oznaka °Ré).^[15]

Glavni članak: Celzijus

Celzijusova temperaturna lestvica (prema A. Celzijusu) nastala je 1742. godine, iskustveno (empirijski) na termometru sa živom, odabiranjem ledišta vode i standardnog vrelišta vode za temeljne temperature (čvrste termometrijske tačke), te podelom tog temperaturnog razmaka na sto delova. Tako je ledištu vode (1745.) pridružena vrednost 0 °C, a standardnom vrelištu 100 °C, te je jednaka podela produžena prema višim, a s negativnim predznakom prema nižim temperaturama.

Glavni članak: Kelvin

Kelvinova temperaturna lestvica (V. Tomson ili lord Kelvin) nastala je na temelju termodinamičkih zakona, pridruživanjem temperaturi trojnoga stanja vode vrednosti T_t = 273,16 K. Ta je temperatura neznatno (0,01 K) viša od temperature ledišta vode, a može se znatno tačnije odrediti. Skala je nastala primenom Celzijusovih stupnjeva za temperaturne raspone, tako da je najniža moguća temperatura u prirodi, apsolutna nula temperature, uzeta za početak lestvice i označena 0 K. Zato su merne jedinice kelvin i Celzijusov stepen jednake (1 K = 1 °C), ali je ista temperatura izražena različitim iznosima u kelvinima i u Celzijusovim stepenima.

Glavni članak: Farenhajt

Farenhajtova temperaturna lestvica (D. G. Farenhajt) nastala je 1714. iskustveno (empirijski) na termometru s alkoholom, odabirom temperature smese salmijaka (amonijum hlorida) i leda (oko –18 °C), te temperature zdravog ljudskog tela (oko 37 °C) za temeljne temperature. Pridružene su im vrednosti 0 °F i 100 °F, te je takva podela produžena prema višim, a s negativnim predznakom prema nižim temperaturama. U toj lestvici ledište vode je na 32 °F, standardno vrelište vode na 212 °F, takozvana sobna temperatura (20 °C) iznosi 68 °F, i tako dalje.

Glavni članak: Rankinova skala

Rankinova temperaturna lestvica (V. Dž. M. Rankin) nastala je na isti način kao i Kelvinova, s tim da je temperaturi trojnog stanja vode pridružena vrednost T_t = 491,688 °R. Nastala je primenom Farenhajtovih stupnjeva, tako da je apsolutna nula uzeta za početak lestvice i označena 0 °R. Zato su jedinice Rankinovog i Farenhajtovog stupnja jednake (1 °R = 1 °F), ali je ista temperatura izražena različitim iznosima u jednim i u drugim stupnjevima.

Glavni članak: Reomirova temperaturna skala

Reomirova temperaturna lestvica (R. A. F. de Reomir) nastala je 1730. iskustveno (empirijski) na termometru s mešavinom alkohola i vode, odabiranjem ledišta vode i standardnog vrelišta vode za temeljne temperature. Za stepen te lestvice uzeta je promena temperature za koju se zapremina termometrijske tečnosti promeni za 1‰, pa je ledištu vode pridružena vrednost 0 °Ré, a standardnomu vrelištu 80 °Ré.

Jednačine za pretvaranje brojnih vrednosti uobičajenih temperaturnih lestvica:

K = °C + 273,15

°C = 5/9 · (°F - 32)

°F = °C/0,55 + 32 ili preciznije: °F = °C/(5/9) + 32

Tablica koja prikazuje neke često korištene temperature sa vrednostima izraženim na raznim temperaturnim lestvicama:

Opis	Kelvinova	Celzijusova	Farenhajtova	Rankinova	Delilova	Njutnova	Reomirova	Remerova
Apsolutna nula	0	-273,15	-459,67	0	559,725	-90,14	-218,52	-135,90
Farenhajtova mešavina leda i soli	255,37	-17,78	0	459,67	176,67	-5,87	-14,22	-1,83
Tačka topljenja leda/ledište vode (pri normalnom pritisku)	273,15	0	32	491,67	150	0	0	7,5
Temperatura ljudskoga tela	310,15	37	98,6	558,27	94,5	12,21	29,6	26,925
Tačka ključanja vode	373,15	100	212	671,67	0	33	80	60
Tačka topljenja titanijuma	1941	1668	3034	3494	-2352	550	1334	883

• Galilejev termometar
• Termostat
• Termograf

• Istorija mjerenja temperature
• The Chemical Educator, Vol. 5, No. 2 (2000) The Thermometer—From The Feeling To The Instrument
• History Channel – Invention – Notable Modern Inventions and Discoveries
• About – Thermometer Arhivirano 2020-01-22 na Wayback Machine-u – Thermometers – Early History, Anders Celsius, Gabriel Fahrenheit and Thomson Kelvin.
• Thermometers and Thermometric Liquids – Mercury and Alcohol.
• The NIST Industrial Thermometer Calibration Laboratory Arhivirano 2016-07-22 na Wayback Machine-u
• Thermometry at the Nanoscale—Review