3. Тематика та завдання до лабораторних робіт

3.1.Лабораторна робота № 1. Методи визначення температури атмосферного повітря та їх практичне застосування

Обладнання: комплект метеорологічних термометрів: строковий ртутний термометр, максимальний термометр, мінімальний термометр, термограф-самописець.

Завдання.

Завдання 1. Дати загальну характеристику приладів та обладнання, що використовуються для виміру температури повітря:

а) одиниці, температурні шкали,

б) прилади та обладнання.

Завдання 2. Вивчити роботу приладів, представлених у лабораторії. Для кожного з них визначити:

а) сферу застосування, призначення,

б) тип термометра,

в) ціну поділок, діапазон виміру температури.

Завдання 3. Замалювати у зошиті принципову схему та описати принципи роботи:

а) термометрів (строковий, мінімальний, максимальний),

б) термографа-самописця.

Завдання 4. (Задача). Максимальна температура повітря на стандартній висоті метеоспостережень (2 м) дорівнювала 57,8⁰ С. Вона спостерігалась 11.08.1933 р. в Сан-Луїсі (Мексика) і 13.09.1922 р. поблизу м. Тріполі (Лівія). Є дані, що у Ваді-Хальфа (Судан) відмічалась температура 61⁰ С. Мінімальна температура на Землі становила – 88,3⁰ С. Вона була зафіксована 24.08.1960 р. на ст.. „Восток” (Антарктида).

За цими даними визначити:

а) максимальну амплітуду температурних коливань на Землі,

б) перевести всі показники температури у градуси за шкалами Кельвіна та Фаренгейта,

в) дати відповідь на запитання: яка температурна шкала має „найбільшу” величину градуса, а яка – „найменшу”? Чи може одна і та ж температура в одній шкалі виражатись додатнім значенням, а в іншій – від’ємним?

Завдання 4. (Висновок). У висновку дати порівняльний аналіз типів приладів та обладнання для визначення температури повітря.

Теоретичні відомості до роботи

Температура повітря – це фізична характеристика, що визначає зміну внутрішньої енергії будь-якого тіла. Для її визначення у різні історичні періоди було запропоновано ряд температурних шкал. Всі вони є відносними та були розроблені на основі авторських методик, що ґрунтувались на різних підходах.

У повсякденному житті ми найчастіше користуємося температурною шкалою Цельсія. О.Цельсій – шведський вчений, вперше запропонував свою температурну шкалу у 1742 р. Як відомо, за 0⁰ в даній шкалі було взято температуру танення льоду (замерзання води), а за 100⁰ С – температуру кипіння води та переходу її в газоподібний стан. Таким чином, в основі шкали – зрозумілі фізичні явища, пов’язані з фазовими переходами найвідомішої речовини – звичайної води. Слід зазначити, що ці показники визначались при стандартному (нормальному) атмосферному тиску (р = 1013,25 гПа). Інтервал між 0⁰ і 100⁰ С було розбито на 100 рівних поділок, кожна з яких, таким чином, відповідала зміні температури на 1⁰ С.

Але відомі й інші температурні шкали. Серед них:

• шкала Кельвіна. Широко застосовується у фізиці, інших природничих науках. За 0⁰ К було взято значення т.зв. температури абсолютного нуля (-273,15⁰ С), при якій припиняється будь-який тепловий рух мікрочастинок (молекул, атомів) у фізичних тілах,

• шкала Фаренгейта. За 0⁰F було прийнято температуру суміші снігу та нашатирного спирту (вона становила – 17,8⁰ С), а за 100⁰ F – нормальну температуру людського тіла (+36,6⁰ С). Діапазон між цими значеннями було розбито на 100⁰. Температурна шкала Фаренгейта дуже широко використовується у повсякденному житті в англомовних країнах, зокрема, в Англії, Сполучених Штатах Америки.Для порівняння:

0⁰ С = +32⁰ F

100⁰ C = + 212⁰ F

1⁰ С = 9/5 ⁰F, 1⁰ F = 5/9 ⁰ С

Існують і інші, менш розповсюджені температурні шкали, зокрема: Реомюра (широко використовувалась в франкомовних країнах, а також у Росії та Україні до 1919 р.), Ренкіна та ін.

Наведемо формули взаємопереходу між найбільш розповсюдженими температурними шкалами:

t, ⁰ К = t, ⁰ С + 273,15

t, ⁰ С = t, ⁰ К – 273,15

t, ⁰ F = 9/5 * t, ⁰ С + 32

t, ⁰ С = 5/9 * (t, ⁰ F – 32)

Основні прилади для вимірювання температури повітря

Для виміру температури повітря використовуються наступні типи приладів та обладнання:

1. Строкові рідинні термометри (ртутні – влітку, спиртові – взимку).

2. Екстремальні термометри: максимальний (ртутний), мінімальний (спиртовий).

3. Термограф-самописець (біметалічний, або манометричний, див. рис 1.).

4. Станційний психрометр Августа (використовується на метеостанціях, складається з двох термометрів – сухого та зволоженого).

5. Аспіраційний психрометр Асмана (використовується в експедиційних умовах).

6. Електричні термометри опору, біметалічні, фотоелектричні термоелементи (для спеціальних видів досліджень, в лабораторіях).

Рис. 1. Термограф

Найпоширеніший тип приладів для виміру температури повітря – це рідинні термометри. Їх принцип роботи базується на властивості рідини змінювати свій об’єм (розширюватись або звужуватись) залежно від зміни температури. Елементами будови будь-якого рідинного термометра є:

1. Резервуар з рідиною.

2. Капіляр – тонка трубка, з’єднана з резервуаром, по якому рухається рідина.

3. Власне рідина (найчастіше – ртуть або спирт).

4. Корпус.

5. Шкала з поділками, до якої кріпиться капіляр.

Рідинні термометри ми широко використовуємо у побуті (для виміру температури в приміщенні, на вулиці, медичні термометри тощо).

Крім звичайного, або строкового термометра (від слова „строк чи термін вимірювання”), який показує реальну (фактичну) температуру повітря на момент вимірювання, велике значення для метеорологічних досліджень мають екстремальні термометри, призначені для виміру найнижчої чи найвищої температури за певний період часу. Коротко зупинимося на особливостях їх будови.

Максимальний термометр призначений для виміру найвищої температури за певний період часу (переважно – за 3 год, стандартний період між метеоспостереженнями). Це – ртутний термометр, до конструктивних особливостей якого належить наявність спеціальної пробки у резервуарі з ртуттю, яка дозволяє рідині наповнювати капіляр, але перешкоджає повертатись назад. Тому такий термометр показує найвищу температуру, що спостерігалась за деякий період часу. Після зняття показів термометр необхідно струсити (резервуаром вниз) – при цьому пробка опуститься на дно резервуара, і стовпчик ртуті опуститься також. За цим принципом працює і відомий всім медичний термометр.

Мінімальний термометр призначений для виміру найнижчої температури за певний період часу. Це – спиртовий термометр, виміри проводяться лише при горизонтальному положенні приладу.

У капілярі мінімального термометра вільно плаває металічний (або пластиковий) штифт, який має форму котушечки. Його конструкція така, що стовпчик рідини, опускаючись, тягне штифт за собою. При підніманні стовпчика рідина „обтікає” штифт, який залишається при цьому нерухомим. Таким чином, стовпчик рідини у мінімальному термометрі показує фактичну температуру повітря, а за положенням штифта визначають мінімальну (найнижчу) температуру.

Спирт чи ртуть? Ці дві рідини – найпоширеніші у використанні при конструюванні термометрів. Специфіка їх використання пов’язана з деякими фізичними властивостями цих речовин, а саме – точками кипіння та замерзання.

Температура замерзання ртуті - - 38,9⁰ С.

Температура кипіння ртуті – +356,9⁰ С.

Температура замерзання спирту – - 117,3⁰ С.

Температура кипіння спирту - + 78,5⁰ С.

Як видно з наведених числових показників, взимку, навіть при температурах, характерних для помірного кліматичного поясу (не кажучи про Антарктику чи Арктику) є ймовірність замерзання ртуті (і, відповідно, руйнування капіляра термометра). Спирт при високих температурах повітря починає надзвичайно інтенсивно випаровуватися, що впливає на точність показів термометра. Тому загальноприйнятим є використання ртутних термометрів у теплий період року (літо) та спиртових – у холодний (зима).

Інші типи термометрів (застосовуються в основному для лабораторних досліджень, спеціальних вимірювань, в умовах визначення дуже високих чи наднизьких температур):

1. Металеві (деформаційні). Принцип роботи ґрунтується на властивості металів змінювати свою форму та об’єм під впливом різниці температур. Найпоширенішим типом таких приладів є біметалічні термометри або термографи-самописці. Приймальною частиною такого приладу є біметалічна пластина („бі” означає „два”). Це – пластина, спаяна з двох різних металів (найчастіше – заліза та міді). Ці метали по-різному реагують на зміну температури (інтенсивність їх деформації різна). Тому така пластина деформується (згинається) при зниженні чи підвищенні температури повітря, а ці зміни за допомогою системи важелів передаються на проградуйовану шкалу прилада.

2. Манометричні (газові). Принцип роботи ґрунтується на властивості газових сумішей змінювати свій об’єм при зміні температури.

3. Електричні (або термометри опору). Принцип роботи заснований на властивості провідників змінювати опір при проходженні електричного струму під впливом зміни температури.

4. Фотометричні (або фотоелементи). Принцип їх дії ґрунтується на зміні яскравості випромінювання окремих тіл під впливом температурних змін.