Historia termometrii – Od początków do precyzji

Wprowadzenie – Historia termometrii

Temperatura jest jedną z najważniejszych wielkości fizycznych w naszym życiu codziennym. Bez precyzyjnego pomiaru temperatury wiele rzeczy byłoby bardziej skomplikowanych lub nawet niebezpiecznych. Ale nie zawsze tak było. Przez stulecia ludzie nie mieli możliwości dokładnego pomiaru temperatury. Dopiero wraz z rozwojem pierwszych termometrów w XVI i XVII wieku rozpoczęła się nowa era nauki i techniki. Jak rozwijały się termometry na przestrzeni czasu? Jakie kamienie milowe doprowadziły pomiar temperatury do dzisiejszego poziomu precyzji?

Dlaczego pomiar temperatury jest ważny?

Temperatura wpływa na nasze codzienne życie bardziej, niż często zdajemy sobie z tego sprawę. Od porannego sięgania po kurtkę, przez idealnie zaparzoną kawę, aż po sterowanie ogrzewaniem zimą – bez precyzyjnego pomiaru temperatury wiele rzeczy byłoby niepraktycznych lub nawet niebezpiecznych.

Już w kuchni temperatura odgrywa zasadniczą rolę. Podczas gotowania lub pieczenia decyduje o smaku i konsystencji. Stek udaje się idealnie tylko wtedy, gdy zostanie osiągnięta właściwa temperatura wewnątrz, a czekolada topi się w temperaturze ciała – dlatego tak przyjemnie rozpływa się w ustach. Również kawa smakuje naprawdę dobrze tylko wtedy, gdy jest wystarczająco gorąca, ale nie tak gorąca, żeby się poparzyć.

Temperatura jest ważna nie tylko podczas przygotowywania, ale także podczas przechowywania żywności. Lodówka musi być wystarczająco zimna, aby utrzymać świeżość żywności, ale nie tak zimna, aby owoce i warzywa zamarzły.

W profilaktyce zdrowotnej pomiar temperatury jest nieodzowny. Kiedy mamy gorączkę, termometr natychmiast daje nam ocenę, czy jest to nieszkodliwe przeziębienie, czy być może poważniejsza choroba.

Krótkie spojrzenie na termometr często decyduje o tym, jak się ubieramy lub jakie czynności wykonujemy. Gdy na zewnątrz jest mróz, ubieramy się ciepło, a przy wysokich temperaturach sięgamy po lekkie ubrania. Temperatura ma również decydujące znaczenie dla naszego bezpieczeństwa w ruchu drogowym: Przy ujemnych temperaturach może tworzyć się gołoledź.

Ostatecznie pomiar temperatury jest niewidzialnym pomocnikiem, który czyni nasze życie bezpieczniejszym, wygodniejszym i zdrowszym. Czy to na śniadanie, w pracy czy na ulicy – determinuje wiele decyzji, nawet o tym nie wiedząc.

Krótki przegląd historii termometrii

Historia pomiaru temperatury sięga daleko wstecz. Już w starożytności uczeni próbowali zrozumieć ciepło i zimno, ale dopiero w XVI i XVII wieku powstały pierwsze mierzalne skale. Galileusz opracował około 1593 roku pierwszy termoskop, który uwidaczniał zmiany temperatury, ale nie dostarczał jeszcze dokładnych wartości. W XVIII wieku badacze tacy jak Fahrenheit, Celsius i Réaumur wprowadzili precyzyjne skale temperatur, które stały się podstawą nowoczesnych metod pomiarowych. Wraz z rewolucją przemysłową powstały nowe technologie, takie jak termometr rtęciowy, elektryczne termometry rezystancyjne, a później czujniki cyfrowe.

Dziś Międzynarodowa Skala Temperatur z 1990 r. (ITS-90) umożliwia wysokoprecyzyjny i jednolity na całym świecie pomiar temperatury. Opiera się ona na zdefiniowanych punktach stałych, w tym na punkcie potrójnym wody (0,01 °C).

W pomiarach wysokoprecyzyjnych stosuje się standardowe platynowe termometry rezystancyjne (SPRT), które umożliwiają pomiary z dokładnością w zakresie mikrokelwinów.

Historia termometrii pokazuje, jak z pierwotnie prostych obserwacji powstał standard naukowy.

Wczesne próby pomiaru temperatury

Zanim pojawiły się termometry, ludzie musieli oceniać różnice temperatur w prosty i często subiektywny sposób. W starożytności nie istniały jeszcze skale ani dokładne metody pomiarowe, ale różne kultury opracowały metody zgrubnej oceny ciepła i zimna.

Najprostsza metoda: Czucie ręką

Najbardziej oczywistym sposobem oceny temperatury był dotyk. Ludzie trzymali ręce na słońcu, w wodzie lub na wietrze, aby poczuć ciepło lub zimno. Jednak ta metoda jest podatna na błędy – nasza skóra szybko dostosowuje się do temperatur, więc często postrzegamy tylko względne różnice.

Rozszerzalność powietrza jako wczesny wskaźnik temperatury

Już w starożytności uczeni zauważyli, że powietrze rozszerza się pod wpływem ciepła i kurczy pod wpływem zimna. Chociaż nie zachowały się nazwiska konkretnych osób, które dokonały tej obserwacji, wczesni naukowcy wykorzystywali tę zasadę do opracowania prostych urządzeń opartych na rozszerzalności powietrza.

Znaczenie medyczne: Temperatura ciała

W starożytnej medycynie temperatura odgrywała ważną rolę w historii termometrii. Grecki lekarz Hipokrates (ok. 460–370 p.n.e.) zalecał ocenę temperatury pacjenta poprzez dotykanie czoła lub rąk. Była to wczesna forma diagnozy, która jest nadal stosowana w medycynie – nawet jeśli dziś mamy termometry do mierzenia gorączki.

Metody starożytności były wprawdzie prymitywne, ale położyły podwaliny pod późniejszy rozwój. Obserwacja rozszerzalności powietrza doprowadziła później do rozwoju termoskopu, a medyczna ocena temperatury pokazała, jak ważna jest termometria w życiu codziennym.

Pierwsze teoretyczne rozważania w starożytności (np. filozofów takich jak Empedokles lub Arystoteles)

Na długo przed pojawieniem się termometrów starożytni filozofowie zajmowali się koncepcjami ciepła i zimna. Ponieważ nie posiadali jeszcze fizycznych metod pomiarowych, interpretowali temperaturę na podstawie naturalnych zjawisk i zasad filozoficznych. Dwoma z najważniejszych myślicieli w tej dziedzinie byli Empedokles (V w. p.n.e.) i Arystoteles (IV w. p.n.e.), których idee przez wieki wpływały na myślenie naukowe.

Empedokles: Teoria czterech żywiołów i temperatura jako właściwość materii

W historii termometrii Empedokles był jednym z pierwszych filozofów, który próbował wyjaśnić naturę za pomocą podstawowych żywiołów. Opracował teorię czterech żywiołów, zgodnie z którą wszystko składa się z czterech podstawowych substancji: ognia, wody, powietrza i ziemi. Ciepło kojarzono z ogniem i powietrzem, a zimno z wodą i ziemią. Zgodnie z tą teorią temperatura nie była niezależną wielkością fizyczną, ale właściwością samych żywiołów.

To podejście było wykorzystywane jako podstawa nauk przyrodniczych przez wieki. Dopiero znacznie później zdano sobie sprawę, że temperatura nie zależy od czterech żywiołów, ale od ruchu cząsteczek – koncepcja, która została opracowana dopiero w czasach nowożytnych dzięki kinetycznej teorii gazów.

Arystoteles: Ciepło jako przeciwieństwo zimna

Arystoteles rozwinął idee Empedoklesa i stworzył model, w którym ciepło i zimno działały jako przeciwstawne zasady. Uważał, że każdy materiał z natury ma określone „naturalne ciepło” lub „naturalny chłód”, który może ulec zmianie pod wpływem czynników zewnętrznych. Według Arystotelesa ciepło wiązało się z unoszeniem się (np. gorące powietrze lub płomienie), a zimno prowadziło do zagęszczania i chłodzenia.

Arystoteles przypisał czterem żywiołom specyficzne właściwości:
• Ogień: gorący i suchy
• Woda: zimna i wilgotna
• Ziemia: zimna i sucha
• Powietrze: gorące i wilgotne

Te przyporządkowania stanowiły podstawę jego rozumienia ciepła i zimna jako podstawowych właściwości materii.

Te idee były w historii termometrii wykorzystywane przez wieki w medycynie, alchemii i filozofii przyrody. Szczególnie w humoralnej medycynie Hipokratesa i Galena temperatura odgrywała dużą rolę – wierzono, że równowaga „gorących” i „zimnych” soków w ciele determinuje zdrowie.

Od filozofii do metrologii

Chociaż starożytne teorie w historii termometrii nie umożliwiały jeszcze precyzyjnych pomiarów, położyły podwaliny pod naukowe zrozumienie temperatury. Wyobrażenie, że ciepło i zimno są naturalnymi, mierzalnymi wielkościami, doprowadziło ostatecznie do rozwoju pierwszych urządzeń do pomiaru temperatury w XVI i XVII wieku.

Dziś wiemy, że temperatura jest konsekwencją ruchu atomów i cząsteczek – koncepcja, która ma niewiele wspólnego ze starożytnymi wyobrażeniami. Niemniej jednak pozostaje faktem w historii termometrii, że już ponad 2000 lat temu filozofowie próbowali systematycznie wyjaśnić temperaturę.

Wynalezienie pierwszych termometrów

XVI wiek – Galileusz i termoskop (ok. 1593)

Pod koniec XVI wieku w historii termometrii rozpoczęło się systematyczne badanie pomiaru temperatury. Jednym z pierwszych ważnych osiągnięć był termoskop, który przypisuje się Galileuszowi (ok. 1593). W rzeczywistości dokładne autorstwo jest sporne, ponieważ inni naukowcy, tacy jak Giambattista della Porta, również opisywali podobne urządzenia. Pewne jest jednak, że Galileusz rozwinął tę koncepcję i po raz pierwszy wykorzystał ją do obserwacji fizycznych.

Termoskop był prostym urządzeniem, które mogło uwidocznić zmiany temperatury. Składał się z szklanej kuli wypełnionej powietrzem, która prowadziła przez wąską rurkę do naczynia z wodą. Gdy powietrze w kuli się nagrzewało, rozszerzało się i wypychało wodę w rurce w dół. Gdy powietrze się ochładzało, kurczyło się, a woda ponownie podnosiła się. Dzięki temu po raz pierwszy w historii termometrii można było jakościowo obserwować zmianę temperatury, ale brakowało jednolitej skali do określania dokładnych wartości.

Dużym problemem termoskopu było to, że reagował nie tylko na temperaturę, ale także na zmiany ciśnienia powietrza. Ta zależność utrudniała dokładne pomiary i doprowadziła później do rozwoju termometrów z cieczami, takimi jak alkohol lub rtęć, które działały niezależnie od ciśnienia otoczenia.

Pomimo tych ograniczeń termoskop był ważnym kamieniem milowym. Położył podwaliny pod późniejszy rozwój termometrii i zainspirował naukowców, takich jak Santorio Santorio, który jako pierwszy przymocował skalę do numerycznego rejestrowania różnic temperatur. Tak więc termoskop był pierwszą próbą systematycznego uwidocznienia zmian temperatury.

XVII wiek – Pierwsze wyskalowane termometry Santorio Santorio i Ferdynanda II Medyceusza

W XVII wieku dokonano dużych postępów w historii termometrii. Podczas gdy termoskop Galileusza mógł już uwidocznić zmiany temperatury, brakowało mu skali do uzyskania mierzalnych wartości. Dwóch naukowców odegrało ważną rolę w historii termometrii: Santorio Santorio i Ferdynand II Medyceusz.

Santorio Santorio: Pierwszy wyskalowany termometr (ok. 1612)

Włoski lekarz i naukowiec Santorio Santorio (1561–1636) był w historii termometrii jednym z pierwszych, który opracował termometr ze skalą. Santorio był znany ze swoich prac w dziedzinie metrologii medycznej i połączył zasadę termoskopu z skalą numeryczną, aby umożliwić obiektywne porównania temperatur.

Jego termometr składał się ze szklanej rurki wypełnionej alkoholem, która była oznaczona skalą. Nie był on jednak jeszcze całkowicie niezależny od ciśnienia powietrza, więc wahania w otoczeniu mogły wpływać na wyniki pomiarów. Niemniej jednak był to decydujący postęp, ponieważ po raz pierwszy pozwolił na ilościowe rejestrowanie i porównywanie zmian temperatury. Santorio wykorzystywał swój termometr szczególnie w medycynie do pomiaru temperatury ciała – wczesny prekursor nowoczesnego termometru do mierzenia gorączki.

Ferdynand II Medyceusz: Pierwszy zamknięty termometr cieczowy (ok. 1654)

Kolejny duży postęp zawdzięczamy Ferdynandowi II Medyceuszowi (1610–1670), wielkiemu księciu Toskanii i zapalonemu przyrodnikowi. Pod jego patronatem naukowcy z Accademia del Cimento opracowali termometr, który wykorzystywał alkohol lub wino jako ciecz pomiarową.

Cechą szczególną tego termometru było to, że w porównaniu z wcześniejszymi urządzeniami miał uszczelnioną kapilarę, dzięki czemu był mniej podatny na wahania ciśnienia powietrza. Stanowiło to ważny krok w historii termometrii w kierunku rozwoju stabilnych skal temperatur.

Termometry Medyceuszy położyły podwaliny pod późniejsze prace Daniela Gabriela Fahrenheita, który w XVIII wieku wynalazł termometr rtęciowy.

Prace Santorio Santorio i Ferdynanda II Medyceusza wyznaczyły pierwszy punkt zwrotny w historii pomiaru temperatury.

Pierwszy termometr ze skalą Santorio i udoskonalony termometr cieczowy, który był mniej podatny na zmiany ciśnienia powietrza, utorowały drogę późniejszym skalom temperatur i rozwojowi dokładniejszych instrumentów pomiarowych.

Historia termometrii: Pierwsze skale temperatur

Wraz z rozwojem pierwszych termometrów w XVII wieku w historii termometrii pojawiła się potrzeba porównywania pomiarów temperatury. Bez jednolitej skali wskazania temperatury były czysto względne i zależały od indywidualnych instrumentów pomiarowych. Pierwsze próby zdefiniowania skali temperatur pochodzą od różnych naukowców, którzy stosowali różne punkty odniesienia.

Ole Rømer i pierwsza udokumentowana skala temperatur (1701)

Duński astronom i fizyk Ole Rømer (1644–1710) był jednym z pierwszych, którzy opracowali systematyczną skalę temperatur. Jego skala ustawiała punkt zamarzania wody na 7,5°, a punkt wrzenia na 60°. Dzięki temu pomiary temperatury stały się po raz pierwszy powtarzalne.

Skala Rømera miała jednak pewne wady: Wybór jego punktów stałych był arbitralny, a podział nie był szczególnie praktyczny. Niemniej jednak był to ważny krok w kierunku standaryzacji pomiaru temperatury.

Skala temperatur Isaaca Newtona (1701)

Niemal w tym samym czasie Isaac Newton (1643–1727) zaproponował skalę temperatur, która była bardziej zorientowana na praktyczne doświadczenia.

Zamiast wykorzystywać absolutne punkty stałe, takie jak punkt zamarzania lub wrzenia wody, Newton po raz pierwszy w historii termometrii oparł się na codziennych zjawiskach temperaturowych i przypisał im wartości na skali. Do jego około 20 punktów skali należały między innymi „zimne powietrze zimą” jako dolny punkt odniesienia i „rozżarzone węgle w palenisku kuchennym” jako górny punkt stały.

Później Newton jako punkt odniesienia przyjął temperaturę topniejącego śniegu (0°) i mierzył inne temperatury w odniesieniu do niej na podstawie rozszerzalności rtęci.

Skala Newtona była przeznaczona przede wszystkim do celów naukowych i została później zastąpiona przez dokładniejsze skale. Niemniej jednak była ważna na drodze do nowoczesnej termometrii.

Rozwój jednolitych skal temperatur

Podstawy dokładniejszych skal

Wczesne skale temperatur nie były jeszcze powszechnie znormalizowane. Różni naukowcy stosowali różne punkty stałe, a wiele skal opierało się na subiektywnych wartościach empirycznych. Skale, takie jak skala Ole Rømera (1701) lub Isaaca Newtona (1701), były w fazie rozwoju. Wraz z dalszym rozwojem termometrii w XVIII wieku stało się jasne, że w historii termometrii potrzebna jest jednolita skala temperatur.

Dopiero w XVIII wieku naukowcom takim jak Daniel Gabriel Fahrenheit, Anders Celsius i René Antoine Ferchault de Réaumur udało się opracować ogólnie uznane skale, które ostatecznie stały się podstawą nowoczesnego pomiaru temperatury.

Daniel Gabriel Fahrenheit (1724) – termometr rtęciowy i skala Fahrenheita

W roku 1724 niemiecki fizyk Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736) wprowadził jedną z pierwszych znormalizowanych skal temperatur, która jest używana do dziś np. w USA. Oprócz skali opracował również pierwszy niezawodny termometr rtęciowy, który umożliwiał dokładniejsze pomiary niż wcześniejsze termometry alkoholowe.

Termometr rtęciowy – dokładniejsze pomiary

Fahrenheit początkowo eksperymentował z termometrami alkoholowymi, ale stwierdził, że alkohol zamarza w niskich temperaturach i rozszerza się nierównomiernie w wyższych temperaturach. Dlatego zaczął używać rtęci jako cieczy pomiarowej.

Zalety rtęci:

• Pozostaje płynna w dużym zakresie temperatur (od -39 °C do 357 °C).
• Rozszerza się liniowo, co umożliwia dokładniejsze pomiary.
• Nie paruje łatwo, co wydłuża żywotność termometru.

Dzięki tym właściwościom termometr rtęciowy stał się standardową metodą pomiaru temperatury w nauce i technice.

Skala Fahrenheita – trzy punkty stałe do pomiaru temperatury

Fahrenheit ustalił trzy punkty stałe dla swojej skali temperatur:

• 0 °F: Najniższa temperatura, jaką uzyskał za pomocą mieszaniny lodu, wody i chlorku amonu
• 32 °F: Punkt zamarzania wody
• 96 °F: Temperatura ciała „zdrowego człowieka”
• 212 °F: Punkt wrzenia wody

Te punkty stałe umożliwiły uzyskanie powtarzalnej skali, która działała niezależnie od poszczególnych termometrów.

Skala Fahrenheita szybko przyjęła się w Anglii i koloniach brytyjskich, ale w ciągu XIX i XX wieku została zastąpiona w większości krajów przez skalę Celsjusza. Dziś jest używana prawie wyłącznie w Stanach Zjednoczonych.

Skala Réaumura (1730)

Francuski naukowiec René Antoine Ferchault de Réaumur (1683–1757) opracował w 1730 roku skalę temperatur dla termometrów alkoholowych, która była długo używana we Francji i częściach Europy.

Cechy skali Réaumura

• 0 °Ré: Punkt zamarzania wody
• 80 °Ré: Punkt wrzenia wody

Réaumur wybrał podział na 80 stopni, ponieważ zakładał, że alkohol rozszerza się liniowo wraz z temperaturą. Założenie to okazało się jednak niedokładne, ponieważ ciecze rozszerzają się różnie w różnych temperaturach.

Skala Réaumura była używana głównie we Francji, Włoszech i Rosji, ale w historii termometrii straciła na znaczeniu wraz z wprowadzeniem skali Celsjusza.

Anders Celsius (1742) – skala Celsjusza

Szwedzki astronom i fizyk Anders Celsius (1701–1744) opracował w roku 1742 nową skalę temperatur, która później stała się międzynarodowym standardem. W przeciwieństwie do skali Fahrenheita Celsius zastosował podział dziesiętny, który umożliwiał intuicyjną obsługę.

Skala Celsjusza

W swojej pracy Observationer om twänne beständiga grader på en thermometer Celsius zaproponował skalę temperatur z dwoma punktami stałymi przy normalnym ciśnieniu:

• 0 °C: Punkt wrzenia wody.
• 100 °C: Punkt zamarzania wody.

Ta odwrócona skala była początkowo niezwykła. Po śmierci Celsjusza w roku 1744 jego uczniowie, w szczególności Carl von Linné (1707–1778), opowiedzieli się za odwróceniem skali – szczególny proces w historii termometrii. W rezultacie punkt zamarzania został ustalony na 0 °C, a punkt wrzenia na 100 °C – bardziej intuicyjny porządek, który przyjął się na całym świecie.

Zalety skali Celsjusza

Skala Celsjusza miała dwie duże zalety w porównaniu z wcześniejszymi skalami temperatur:

• Łatwa obsługa: Podział dziesiętny na 100 stopni ułatwiał pomiary i obliczenia.
• Precyzyjne punkty stałe: Skala opierała się na właściwościach fizycznych wody (przy normalnym ciśnieniu), które były powtarzalne wszędzie.

Skala Celsjusza i jej dzisiejsze znaczenie

Dziś skala Celsjusza jako stopień Celsjusza (°C) jest jedną z najczęściej stosowanych skal temperatur i jest używana jako standard do pomiarów temperatury w prawie wszystkich krajach. Tylko w USA i kilku innych krajach nadal używa się skali Fahrenheita.

Skala Celsjusza stanowi również podstawę skali Kelvina (K), która jest używana w nauce. Obowiązuje przy tym:

0 °C = 273,15 K (Kelvin zaczyna się od zera absolutnego).

Wprowadzenie skali Celsjusza było kolejnym dużym krokiem w termometrii. Dzięki prostemu podziałowi, jasnym punktom stałym i intuicyjnej obsłudze szybko stała się międzynarodowym standardem. Chociaż Anders Celsius sam nie doczekał dzisiejszej skali, jego praca należy do najważniejszych osiągnięć w historii pomiaru temperatury.

Skala Kelvina (1848)

W roku 1848 szkocki fizyk William Thomson, Lord Kelvin (1824–1907) wprowadził pierwszą absolutną skalę temperatur. Znaczący krok w historii termometrii! Skala Kelvina (K) opiera się na zerze absolutnym, najniższej możliwej wartości temperatury, przy której ustają wszystkie ruchy termiczne. Skala Kelvina (1848) jest pierwszą naukowo uzasadnioną absolutną skalą temperatur.

Cechy skali Kelvina:

• 0 K: Zero absolutne (-273,15 °C).
• 273,15 K: Punkt zamarzania wody (0 °C).
• 373,15 K: Punkt wrzenia wody (100 °C).

Skala Kelvina jest używana w szczególności w nauce, fizyce i termodynamice, ponieważ jest niezależna od konkretnych punktów stałych i opiera się na ruchu energii cząstek.

Skala Kelvina jest obecnie oficjalną skalą temperatur Międzynarodowego Układu Jednostek Miar (SI). Dużą zaletą skali Kelvina jest to, że umożliwia ona wartości temperatury bez liczb ujemnych.

Postępy w XIX i XX wieku

Wraz z rozwojem nowoczesnej nauki i techniki XIX i XX wiek przyniósł duże postępy w pomiarze temperatury. Opracowano przede wszystkim nowe skale temperatur, a badania skupiły się na dokładniejszych metodach pomiaru i nowych technologiach.

Przede wszystkim wprowadzenie platynowej termometrii oporowej i termopar poprawiło przemysłowy i naukowy pomiar temperatury i doprowadziło do dużych postępów w historii termometrii.

Rozwój termometrów oporowych (Siemens & Callendar, 1871–1887)

Wprowadzenie elektrycznych termometrów oporowych pod koniec XIX wieku było znaczącym postępem w pomiarze temperatury. Podczas gdy wcześniej dominowały termometry cieczowe, termometry oporowe po raz pierwszy umożliwiły wysoce precyzyjne i powtarzalne pomiary temperatury. Dwóch naukowców odegrało kluczową rolę w tym rozwoju:

• Werner von Siemens (1871): Pierwsze eksperymenty z termometrami oporowymi na bazie platyny.
• Hugh Longbourne Callendar (1887): Doprecyzowanie metod pomiarowych i wprowadzenie platynowych termometrów oporowych (PRT) do zastosowań naukowych.

Werner von Siemens (1871): Pierwsze koncepcje termometrii oporowej

Niemiecki wynalazca i inżynier Werner von Siemens (1816–1892) jako pierwszy w 1871 roku zdał sobie sprawę, że opór elektryczny drutu zmienia się wraz z temperaturą i może być wykorzystywany jako wielkość mierzona. Zaproponował wykorzystanie metali jako czujników temperatury, ponieważ ich opór rośnie wraz z temperaturą w przewidywalny sposób.

Siemens początkowo używał drutów miedzianych i żelaznych, ale stwierdził, że materiały te nie są wystarczająco stabilne w długim okresie. Dlatego kontynuował prace rozwojowe z platyną jako materiałem oporowym.

Callendar (1887): Platyna jako idealny materiał na termometry oporowe

W roku 1887 brytyjski fizyk Hugh Longbourne Callendar (1863–1930) udoskonalił termometrię oporową i opracował pierwszy precyzyjny platynowy termometr oporowy (PRT).

Dlaczego platyna?
Callendar, podobnie jak Werner von Siemens, stwierdził, że platyna idealnie nadaje się do termometrów oporowych, ponieważ:

• Zapewnia najwyższą stabilność w długim okresie.
• Wykazuje prawie liniowy wzrost oporu wraz z temperaturą.
• Ma wysoką temperaturę topnienia (1768 °C) i nadaje się do szerokiego zakresu temperatur.

Określił zależność oporu od temperatury i opracował empiryczne równanie do obliczania temperatury:

[
R_T = R_0 (1 + α T)
]

gdzie:

• ( R_T ) to opór w temperaturze ( T ),
• ( R_0 ) to opór w 0 °C,
• ( α ) to współczynnik temperaturowy platyny.

Równanie to było pierwszym standardowym podejściem do elektrycznego pomiaru temperatury i stało się później podstawą platynowych termometrów oporowych (PRT).

Równanie Callendara-Van Dusena (równanie CvD) rozszerza oryginalny wzór empiryczny Hugha Callendara i opisuje nieliniową zależność oporu od temperatury platynowych termometrów oporowych (PRT) w zakresie od -200 °C do 850 °C, co umożliwia wysoce precyzyjne pomiary temperatury. Krok ten ma ogromne znaczenie w historii termometrii, ponieważ tak zwane równanie Callendara-Van Dusena jest używane do dziś.

Od termometru Callendara do nowoczesnej termometrii oporowej

Po pracach Callendara platynowe termometry oporowe (PRT) były dalej ulepszane i później w Międzynarodowej Skali Temperatur (ITS-90) zostały określone jako standardowe platynowe termometry oporowe (SPRT).

Ważne udoskonalenia w historii termometrii:

• Wprowadzenie chronionych uzwojeń drutowych w celu zminimalizowania naprężeń mechanicznych.
• Poprawa stabilności długoterminowej dzięki platynie o wysokiej czystości.
• Optymalizacja mostków pomiarowych w celu precyzyjnego rejestrowania bardzo małych zmian oporu.

Obecnie platynowe termometry oporowe są najdokładniejszymi termometrami elektrycznymi.

Termopary

Termopary są jedną z najbardziej wszechstronnych metod pomiaru temperatury i są stosowane na całym świecie w przemyśle, nauce i badaniach. Opierają się na efekcie Seebecka, który został odkryty po raz pierwszy w XIX wieku.

Efekt Seebecka – podstawa termopar

Niemiecki fizyk Thomas Johann Seebeck (1770–1831) odkrył w roku 1821, że w zamkniętym obwodzie elektrycznym złożonym z dwóch różnych metali powstaje napięcie elektryczne, gdy oba punkty styku mają różne temperatury. Zjawisko to jest określane jako efekt Seebecka i stanowi podstawę działania termopar.

Zasada działania:

• Termopara składa się z dwóch różnych metali (często stopów), które są połączone na obu końcach.
• Jedno z połączeń (złącze pomiarowe) jest ogrzewane lub chłodzone, podczas gdy drugie utrzymywane jest w temperaturze referencyjnej (tzw. złącze odniesienia termopary lub złącze zimne).
• Różnica temperatur powoduje powstanie napięcia elektrycznego, które jest bezpośrednio skorelowane z temperaturą. Napięcie to nazywane jest siłą termoelektryczną.

Rozwój i standaryzacja termopar

Po odkryciu Seebecka technologia była dalej rozwijana:

• 1826: Jean Charles Athanase Peltier odkrył efekt odwrotny (efekt Peltiera), który pokazuje, że prądy elektryczne mogą generować różnice temperatur.
• XX wiek: Termopary zostały znormalizowane i zoptymalizowane do zastosowań przemysłowych. Obecnie termopary są znormalizowane zgodnie z normami międzynarodowymi, np. IEC 60584 i IEC 62460.

Popularne typy termopar i ich właściwości

Typ	+ Noga	– Noga	Zakres pomiarowy w °C
T	Cu	CuNi	-270 … 400
J	Fe	CuNi	-210 … 1200
E	NiCr	CuNi	-270 … 1000
K	NiCr	Ni	-270 … 1372
N	NiCrSi	NiSi	-200 … 1200
R	Pt13Rh	Pt	-50 … 1768
S	Pt10Rh	Pt	-50 … 1768
B	Pt30Rh	Pt6Rh	0 … 1820
C	W5Re	W26Re	0 … 2315
A	W5Re	W20Re	0 … 2500
Por. DIN EN 60584-1:2014-07

Zalety i wady termopar

Zalety:
✔️ Bardzo szeroki zakres temperatur (od -270 °C do 1820 °C).
✔️ Solidna konstrukcja, odporna na wibracje i obciążenia mechaniczne.
✔️ Krótki czas reakcji na zmiany temperatury.
✔️ Nie wymaga zewnętrznego sygnału zasilającego (energia własna dzięki efektowi Seebecka).

Wady:
❌ Mniejsza dokładność niż termometry rezystancyjne (SPRT, PRT).
❌ Nieliniowa zależność napięcia termoelektrycznego – wymagana kalibracja lub tabele korekcyjne.
❌ Zakłócenia elektromagnetyczne mogą wpływać na sygnał.

Termopary są niedrogą, solidną i wszechstronną metodą pomiaru temperatury i sprawdziły się w wielu zastosowaniach przemysłowych i naukowych. Chociaż nie osiągają precyzji termometrów rezystancyjnych lub SPRT, są popularne ze względu na niskie koszty, szerokie możliwości zastosowania i wysokie zakresy temperatur.

Międzynarodowe skale temperatur

Aby umożliwić jednolite pomiary temperatury na całym świecie, na przestrzeni lat opracowano różne międzynarodowe skale temperatur. Podczas gdy wczesne metody pomiarowe często opierały się na indywidualnych skalach, w historii termometrii konieczne było stworzenie jednolitego punktu odniesienia.

Już w XIX wieku podjęto pierwsze próby oparcia skal temperatur na stałych termodynamicznych punktach stałych.

Międzynarodowa skala wodorowa (1887)

Międzynarodowa skala wodorowa została wprowadzona w roku 1887 i była jedną z pierwszych prób ustanowienia jednolitej skali temperatur na fundamentalnej podstawie fizycznej. Opierała się na właściwościach termometru gazowego, który działał z wodorem jako gazem pomiarowym.

Skala wodorowa wykorzystywała termometr gazowy o stałej objętości, który określał temperaturę na podstawie zmiany ciśnienia wodoru przy stałej objętości. Podstawą było prawo Gay-Lussaca, które mówi, że ciśnienie gazu idealnego przy stałej objętości zmienia się liniowo wraz z temperaturą.

Międzynarodowa Skala Temperatur z 1927 roku (ITS-27)

Międzynarodowa Skala Temperatur z 1927 roku (ITS-27) była pierwszą oficjalnie zdefiniowaną skalą temperatur, która została wprowadzona jako światowy standard dla precyzyjnych pomiarów temperatury.

Wprowadzenie ITS-27 przez Międzynarodowy Komitet Miar i Wag (CIPM) miało na celu stworzenie jednolitej skali dla nauki i techniki.

ITS-27 opierała się na definiujących punktach stałych temperatury, które odnosiły się do przemian fazowych czystych substancji.

ITS-27 była dużym krokiem naprzód, ponieważ po raz pierwszy zdefiniowała światowo jednolitą i precyzyjną skalę temperatur. Była szeroko stosowana w zastosowaniach naukowych i przemysłowych.

Międzynarodowa Praktyczna Skala Temperatur z 1948 roku (IPTS-48)

Międzynarodowa Praktyczna Skala Temperatur z 1948 roku (IPTS-48) została wprowadzona jako następca ITS-27, aby jeszcze bardziej udoskonalić pomiar temperatury i dostosować go do nowych odkryć naukowych.

Powody wprowadzenia IPTS-48
ITS-27 miała pewne słabości, w szczególności:

• Niedokładności w niskich temperaturach, ponieważ termometry wodorowe nie zachowywały się idealnie.
• Odchylenia pomiarowe w wysokich temperaturach, które wynikały z termometrii radiacyjnej.
• Dalszy rozwój termometrów rezystancyjnych, który wymagał dokładniejszej skalowania.

Wraz z IPTS-48 wprowadzono dokładniejszą definicję punktów stałych i metod interpolacji.

Międzynarodowa Praktyczna Skala Temperatur z 1968 roku (IPTS-68)

Międzynarodowa Praktyczna Skala Temperatur z 1968 roku (IPTS-68) była zmienioną wersją IPTS-48 i została wprowadzona w celu dalszej poprawy dokładności pomiaru temperatury. Do czasu wprowadzenia ITS-90 była to uznawana na całym świecie skala temperatur.

Ulepszenia w porównaniu z IPTS-48
IPTS-68 wprowadziła kilka ważnych zmian:

• Nowe punkty stałe temperatury, szczególnie w bardzo niskich i bardzo wysokich temperaturach.
• Zoptymalizowane metody interpolacji dla dokładniejszych pomiarów temperatury.
• Rozszerzone wykorzystanie platynowych termometrów rezystancyjnych (PRT) dla dokładniejszego określania temperatury.

Wady i zastąpienie przez ITS-90
Chociaż IPTS-68 umożliwiała dokładniejsze pomiary temperatury, istniały pewne znane problemy:

• Odchylenia pomiarowe w określonych zakresach temperatur.
• Nieidealna spójność z termodynamiczną skalą temperatur.
• Różne współczynniki skalowania, które prowadziły do niewielkich rozbieżności w różnych zastosowaniach.

Ze względu na te ograniczenia IPTS-68 została ostatecznie zastąpiona w 1990 roku przez ITS-90, która oferuje lepszą spójność termodynamiczną i wyższą dokładność.

Nowoczesna termometria precyzyjna

Pomiar temperatury przeszedł ogromną ewolucję od czasów pierwszych termoskopów i termometrów cieczowych. Podczas gdy wcześniejsze termometry często były niedokładne z powodu zewnętrznych wpływów, takich jak wahania ciśnienia powietrza lub parowanie, nowoczesne termometry precyzyjne umożliwiają niezwykle dokładne określenie temperatury aż do zakresu mikrokelwinów.

Dzięki zaawansowanym czujnikom można dziś mierzyć temperaturę z precyzją do kilku milionowych części stopnia. Rozwój Międzynarodowej Skali Temperatur (ITS-90) stworzył również jednolity system odniesienia dla bardzo precyzyjnych pomiarów temperatury.

Standardowe platynowe termometry rezystancyjne (SPRT) są najdokładniejszymi termometrami rezystancyjnymi i stanowią podstawowe narzędzie interpolacyjne Międzynarodowej Skali Temperatur z 1990 roku (ITS-90), umożliwiając bardzo dokładne pomiary temperatury od -200 °C do 961,78 °C.

Międzynarodowa Skala Temperatur (ITS-90)

Międzynarodowa Skala Temperatur z 1990 roku (ITS-90) jest uznawanym na całym świecie punktem odniesienia dla bardzo precyzyjnych pomiarów temperatury. Została wprowadzona przez Międzynarodową Komisję Miar i Wag (CIPM) i zastępuje wcześniejsze skale, takie jak IPTS-68 (Międzynarodowa Praktyczna Skala Temperatur z 1968 roku). ITS-90 służy jako praktyczna realizacja termodynamicznej skali temperatur, ustalając szereg definiujących punktów stałych do precyzyjnego określania temperatury.

Wraz z ITS-90 standardowe platynowe termometry rezystancyjne SPRT zostały ustalone jako narzędzie interpolacyjne w zakresie od 13,8033 K (punkt potrójny wodoru) do 961,78 °C (punkt krzepnięcia srebra).

ITS-90 jest najdokładniejszą i międzynarodowo znormalizowaną skalą temperatur i jest stosowana w wielu dziedzinach. Stanowi aktualny międzynarodowy standard dla precyzyjnych pomiarów temperatury. Dzięki swoim punktom stałym temperatury i narzędziom interpolacyjnym umożliwia jednolite i powtarzalne określanie temperatury na całym świecie.

Punkty stałe temperatury ITS-90

Nr	T90 w K	t90 w °C	Substancja	Reprezentacja
1	3 do 5	-270 do 268,15	He	DD
2	13,8033	-259,3467	H2	TP
3*	ok. 17	ok. 256,15	H2	DD
4*	ok. 20,3	ok. 252,85	H2	DD
5	24,5561	-248,5939	Ne	TP
6	54,3584	-218,7916	O2	TP
7	83,8058	-189,3442	Ar	TP
8	234,3156	-38,8344	Hg	TP
9	273,15	0,01	H2O	TP
10	302,9146	29,7646	Ga	SP
11	429,7485	156,5985	In	EP
12	505,078	231,928	Sn	EP
13	692,677	419,527	Zn	EP
14	933,473	660,323	Al	EP
15	1234,93	961,78	Ag	EP
16	1337,33	1064,18	Au	EP
17	1357,77	1084,62	Cu	EP
Walter Blanke: Międzynarodowa Skala Temperatur z 1990 roku: ITS-90DD = Prężność pary TP = Punkt potrójny SP = Temperatura topnienia EP = Temperatura krzepnięcia * = Istnieje kilka temperatur

Pomiar precyzyjny High End SPRT – John P. Tavener i SPRT z punktem stałym miedzi

W oparciu o prace Johna P. Tavenera (1942-2020), rozwój nowego standardowego platynowego termometru rezystancyjnego (SPRT) dla miedzianego punktu stałego temperatury (1084,62 °C) stanowi tymczasowy punkt kulminacyjny w historii termometrii. Dotychczasowe SPRT były ograniczone do punktu stałego srebra (961,78 °C), ponieważ w wyższych temperaturach występowały problemy ze stabilnością materiału i zanieczyszczeniem. Tavener rozwiązał ten problem, stosując syntetyczny szafirowy nośnik dla uzwojenia platynowego i rurę ochronną z tlenku glinu, która jest zasilana lekkim nadciśnieniem tlenu. Zapobiega to przedostawaniu się zanieczyszczeń i zapewnia stabilne środowisko utleniające, które jest niezbędne dla platyny. Dodatkowo termometr został wyposażony w polaryzację +9V DC, aby poprawić właściwości izolacyjne i aktywnie odpychać zanieczyszczenia jonowe za pomocą pola elektrycznego.

Testy przez kilkaset godzin w temperaturach do 1090 °C wykazały wyjątkową stabilność długoterminową z dryftem zaledwie 0,1 mK/h. Podczas gdy wcześniejsze próby z szafirowymi rurami ochronnymi nie powiodły się z powodu naprężeń termicznych, ta nowa konstrukcja wykazała niespotykaną dotąd powtarzalność i dlatego nadaje się do charakteryzacji miedzianych ogniw stałych temperatury z dotychczas nieosiągalną niepewnością pomiaru.

Wraz z rozwojem tego bardzo precyzyjnego SPRT dla miedzianego punktu stałego, historia termometrii osiąga tymczasowy punkt kulminacyjny – od starożytności przez pierwsze proste termoskopy po nowoczesną termometrię precyzyjną, która dziś umożliwia pomiary temperatury z dotychczas nieosiągalną dokładnością.

Źródła

Heron z Aleksandrii – Wikipedia https://de.wikipedia.org/wiki/Heron_von_Alexandria

PubMed. (1997). Historical aspects of temperature measurement in medicine – https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/9290139/

Teoria czterech żywiołów – Wikipedia https://de.wikipedia.org/wiki/Vier-Elemente-Lehre

StudySmarter – Empedokles Elemente – https://www.studysmarter.de/schule/griechisch/griechische-philosophie-theorie/empedokles-elemente/

Chemie.de – Vier-Elemente-Lehre – https://www.chemie.de/lexikon/Vier-Elemente-Lehre.html

Viviani, V. (1654). Racconto istorico della vita del Sig. Galileo Galilei

Die Erfindung des Thermometers und seine Gestaltung im XVII. Jahrhundert – Burckhardt, Fritz – Basel, 1867

Museo Galileo – Thermoscope – https://catalogue.museogalileo.it/object/Thermoscope.html

Bigotti, F. – The Weight of the Air: Santorio’s Thermometers and the Early History of Medical Quantification Reconsidered – https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6407691/

Wikipedia. – Santorio Santorio – https://en.wikipedia.org/wiki/Santorio_Santorio

Accademia del Cimento. (1667) – Saggi di Naturali Esperienze

Middleton, W. E. K. (1966) – A History of the Thermometer and its Use in Meteorology

Newton, (1701) – Scala graduum Caloris – Philosophical Transactions of the Royal Society

Fahrenheit, D. G. (1724) – Experimenta et Observationes de Congelatione Aquae – Philosophical Transactions of the Royal Society.

Réaumur, R. A. F. (1730). Observations sur la Construction des Thermomètres

Celsius, A. (1742) – Observationer om twänne beständiga grader på en thermometer – Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar.

Thomson, W. (1848) – On an Absolute Thermometric Scale – Philosophical Magazine

Siemens, W. (1871) – On the increase of resistance in conductors with rise of temperature – Philosophical Transactions of the Royal Society

Callendar, H. L. (1887) – On the Practical Measurement of Temperature – Philosophical Transactions of the Royal Society.

Seebeck, T. J. (1821) – Über die magnetische Polarisation der Metalle und Erze durch Temperatur-Differenz

IEC 60584-1:2013 – Thermocouples – Part 1: EMF Specifications and Tolerances

Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) (1948) – Report on the International Practical Temperature Scale of 1948

Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) (1968) – International Practical Temperature Scale of 1968

Preston-Thomas, H. (1990) – The International Temperature Scale of 1990 (ITS-90) – Metrologia, 27(1), 3–10.

BIPM. (2018). Guide to the Realization of the ITS-90.

Tavener, J. P. (2014) – A New Thermometer for the Copper Point – National Physical Laboratory

Tavener, J. P. (2013) – Further Investigations into the Performance of Copper Point Standard Resistance Thermometers – Tempmeko 2013

Prawa do zdjęć

“Cztery żywioły alchemii”, domena publiczna, dostępne na Wikimedia Commons

“Cztery żywioły” w katedrze cesarskiej Königslutter – August von Essenwein (1831-1892); Adolf Quensen (1851-1911), Public domain, zdjęcie Rabanus Flavus, Wikimedia Commons, 15 lutego 2012

Portret Galileusza, namalowany przez Domenico Tintoretto (1602–1607), zdjęcie z National Maritime Museum, Greenwich, Londyn, dostępne na Wikimedia Commons

Zdjęcie termoskopu Galileusza w Musée des Arts et Métiers, wykonane przez Chatsam, udostępnione na licencji CC BY-SA 3.0 – dostępne na Wikimedia Commons

Santorio Santorio – Commentaria in primam Fen primi libri Canonis Avicennae – Apud Jacobum Sarcinam, 1626 – Public Domain Mark

Termometr Medici – Accademia del Cimento. (1667) – Saggi di Naturali Esperienze

Portret Sir Isaaca Newtona, English School, ok. 1715–1720 – Wikimedia Commons

Daniel Gabriel Fahrenheit, ok. XVII–XVIII wiek – Wikimedia Commons

Réaumur, R. A. F. (1730). Observations sur la Construction des Thermomètres

Portret René-Antoine Ferchault de Réaumura z ‘Galerie des naturalistes’ Julesa Pizzetty, 1893 – dostępne na Wikimedia Commons

Portret Andersa Celsjusza namalowany przez Olofa Areniusa – Wikimedia Commons

Celsius, A. (1742) – Observationer om twänne beständiga grader på en thermometer – Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar.

Portret Williama Thomsona – 1. Barona Kelvina – 1906 – Wikimedia Commons

Portret Wernera von Siemensa sfotografowany przez Giacomo Brogi – Wikimedia Commons

Portret Hugh Longbourne Callendara – ok. 1900 – nieznany fotograf – domena publiczna – via Wikimedia Commons

Portret Thomasa Johanna Seebecka – początek XIX wieku, przedstawiony w “Goethe und seine Welt” Hansa Wahla i Antona Kippenberga – 1932 – Wikimedia Commons