Термометр Галилео - Galileo thermometer

Галилеев термометр

А Термометр Галилео (или же Галилеев термометр) это термометр состоит из герметичного стеклянного цилиндра, содержащего прозрачную жидкость, и нескольких стеклянных сосудов разной формы. плотность. Отдельные поплавки поднимаются или опускаются пропорционально их плотности и плотности окружающей жидкости при изменении температуры. Он назван в честь Галилео Галилей потому что он открыл принцип, на котором основан этот термометр, - что плотность жидкости изменяется пропорционально ее температуре.

История

Хотя термометр назван в честь физика XVI – XVII веков Галилея, изобретением термометра он не занимался. (Галилей действительно изобрел термометр, названный воздушным термометром Галилея (точнее термоскоп ), до 1603 г.)[1]

Инструмент, ныне известный как термометр Галилео, был изобретен группой ученых и технических специалистов, известной как Академия дель Чименто Флоренции,[2] среди которых был ученик Галилея, Торричелли и ученик Торричелли Вивиани.[3][4] Подробная информация о термометре была опубликована в Saggi di naturali esperienze fatte nell'Academia del Cimento sotto la protezione del Serenissimo Principe Leopoldo di Toscana e descritte dal segretario di essa Accademia (1666), главное издание Академии. В английском переводе этой работы (1684 г.) устройство («Пятый термометр») описывается как «медленное и ленивое», что отражено в альтернативном итальянском названии изобретения - термометро ленто (медленный градусник).[5] Внешний сосуд был наполнен «винными ректификованными спиртами» (концентрированный раствор этиловый спирт в воде); вес стеклянных пузырьков регулировали путем измельчения небольшого количества стекла с запечатанного конца; и небольшое воздушное пространство было оставлено в верхней части основного сосуда, чтобы «ликер растворился» [т.е. расширять].

Устройство, которое сейчас называется термометром Галилео, было возрождено в современную эпоху Музей естественной истории, Лондон, который начал продавать версию в 1990-х годах.[6]

Операция

В термометре Галилео маленькие стеклянные колбы частично заполнены жидкостями разного цвета. Состав этих жидкостей не важен для работы термометра; они просто функционируют как фиксированные веса, а их цвета служат только для украшения. Однажды выдутый вручную колбы опломбированы, их эффективная плотность регулируется с помощью подвешенных под ними металлических бирок. Любое расширение из-за изменения температуры окрашенной жидкости и воздушного зазора внутри колбы не влияет на работу термометра, поскольку эти материалы герметизированы внутри стеклянной колбы фиксированного размера. Прозрачная жидкость, в которую погружены луковицы, - это не вода, а какое-то органическое соединение (например, этанол), плотность которого зависит от температуры больше, чем у воды. Изменения температуры влияют на плотность внешней прозрачной жидкости, и это заставляет луковицы подниматься или опускаться.[2]

Теория Операции

Крупным планом луковиц

Галилеев термометр работает по принципу плавучесть. Плавучесть определяет, плавают ли предметы в жидкости или тонут в ней, и отвечает за то, что даже лодки, сделанные из стали плавать в воде, пока твердая стальная планка тонет.

Единственный фактор, который определяет, поднимается или опускается крупный объект в конкретной жидкости, - это плотность объекта по отношению к плотности жидкости. Если объект плотнее жидкости, он опускается на дно, так как он тяжелее вытесняемой им жидкости. Если он менее плотный, он плавает по воде и будет частично погружен, пока вес вытесненной жидкости не станет равным весу объекта.

Рисунок 1

Предположим, есть два объекта, каждый объемом 1 л (0,22 имп гал; 0,26 галлона США). Масса воды, вытесняемая объектом такого размера, составляет 1 кг (2,2 фунта). Коричневый объект слева плавает, потому что масса воды, которую он вытеснил бы при полном погружении (1 кг (2,2 фунта)), превышает массу объекта. Он плавает наполовину погруженным в воду, потому что это точка, в которой масса вытесненной воды (0,5 кг (1,1 фунта)) равна массе объекта. Зеленый объект справа утонул, потому что масса вытесняемой им воды (1 кг (2,2 фунта)) меньше массы объекта (2 кг (4,4 фунта)).

фигура 2

Все предметы, сделанные из зеленого материала выше, утонут. На рисунке 2 внутренняя часть зеленого объекта выдолблена. Общая масса объекта теперь составляет 0,5 кг (1,1 фунта), но его объем остается прежним, поэтому он всплывает на полпути из воды, как коричневый объект на рисунке 1.

В приведенных выше примерах предполагается, что жидкость, в которой плавали объекты, была водой. Вода имеет плотность 1 килограмм на литр (8,3 фунта / галлон США), что означает, что масса воды, вытесняемая любым из вышеперечисленных объектов при полном погружении, составляет 1 кг (2,2 фунта).

Галилей обнаружил, что плотность жидкости зависит от ее температуры. Это ключ к тому, как работает термометр Галилео: по мере увеличения температуры большинства жидкостей их плотность уменьшается.

Рисунок 3

На рис. 3 показан полый объект весом 1 кг (2,2 фунта), сделанный из сырого материала. В левом контейнере плотность жидкости составляет 1,001 кг / л (8,35 фунта / галлон США). Поскольку объект весит меньше воды, которую он вытесняет, он плавает. В правом контейнере плотность воды составляет 0,999 кг / л (8,34 фунта / галлон США). Поскольку объект весит больше массы воды, которую он вытесняет, он тонет. Это показывает, что очень небольшие изменения плотности жидкости могут легко вызвать погружение почти плавающего объекта.


Рисунок 4

На рисунке 4 показано схематическое изображение термометра Галилео при двух разных температурах.

В некоторых моделях, если есть несколько лампочек вверху (рис. 4, слева), а некоторые внизу, но одна плавает в зазоре, то лампа, плавающая в зазоре (зеленая 76 ° F (24 ° C)), говорит температура. Если в зазоре нет лампы (рис. 4, справа), то среднее значение температуры лампы выше и ниже зазора дает приблизительную температуру. В других моделях нижняя плавающая лампочка дает приблизительную температуру.[7]

Вес и размер каждой колбы регулируются таким образом, чтобы они не сжимались друг с другом, либо за счет того, что они должны быть не менее половины диаметра трубы, чтобы сохранять порядок штабелирования, либо, в качестве альтернативы, меньше половины диаметра трубы, чтобы свободно проходить друг через друга. в трубках.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Александр Христофорович Хргян, Метеорология: исторический обзор, Том 1, Израильская программа научных переводов, 1970, стр. 25
  2. ^ а б Лойсон, Питер (2012). «Галилеев термометр не такой галилейский». Журнал химического образования. 89 (9): 1095–1096. Bibcode:2012JChEd..89.1095L. Дои:10.1021 / ed200793g.
  3. ^ Фретвелл, Мэтти Белл (февраль 1937 г.). «Развитие термометра». Учитель математики. 30 (2): 80–83. JSTOR  27952013.
  4. ^ А. Фрова и М. Марензана, Так говорил Галилей, p.348, доступ к Google Книгам 2012-06-14, основано на R. Caverni, Storia del metodo sperimentale в Италии, Vol. 2, Флоренция, 1895 г.
  5. ^ Хосе Монтесинос, Карлос Солис Сантос [редакторы], Ларго кампо ди философа: Eurosymposium Galileo 2001, Fundación Canaria Orotava, 2001 г.
  6. ^ Daily Mirror, 28 января 1994 г., стр. 28
  7. ^ Как читать галилеев термометр