Thermometer
Een thermometer is een meetinstrument dat gebruikt wordt om temperaturen te meten.
Er zijn verschillende types thermometer in gebruik:
- Vloeistofthermometer - deze werkt met een dunne glazen buis naast een schaalverdeling. Vaak wordt kwik of gekleurde alcohol gebruikt, maar ook andere organische vloeistoffen worden gebruikt. Door de uitzetting van de vloeistof stijgt de kolom als de temperatuur hoger wordt.
- De Galileo-thermometer die werkt op basis van de Wet van Archimedes.
- Thermokoppel. Deze bestaat uit twee draden van verschillend metaal. Op het contactpunt ontstaat een elektrische spanning die afhankelijk is van de temperatuur.
- Infrarood thermometers. Deze meet de infrarode straling van het object. Hoe heter het object, des te hoger is de frequentie van het uitgestraalde infrarode licht. Zie ook elektromagnetische straling.
- Temperatuurgevoelige weerstand. Dit is een elektrische weerstand waarvan de grootte van de weerstand toe- (positieve temperatuurcoëfficiënt) of afneemt (negatieve temperatuurcoëfficiënt) met de temperatuur. Door na ijking de weerstand te meten komt men de temperatuur te weten. Deze worden in elektronische thermometers gebruikt.
- koortsthermometers met kwik hebben een extra dun stukje capillair aan het begin van de stijgbuis, waardoor de kwikkolom bij het weer afkoelen afbreekt, zodat de bereikte maximale temperatuur blijft staan en kan worden afgelezen tot de thermometer wordt 'afgeslagen'. Het bereik van normale koortsthermometers is gering, van 35 tot 42 °C, maar de nauwkeurigheid groot.
- bimetaalthermometers die gebruikmaken van de verschillende uitzettingscoëfficiënt van twee strips metaal die op elkaar vast zijn gelast of gesoldeerd. Als de temperatuur verandert trekt het bimetaal krom. Deze worden gebruikt in eenvoudige kamerthermostaten.
- Gasthermometers. Deze werken op grond van de variaties van druk als het gas wordt verwarmd of afgekoeld. Als regel wordt waterstof, helium of stikstof gebruikt. Dit zijn de nauwkeurigste en gevoeligste thermometers, maar ze zijn moeilijk in het gebruik.
In principe kan elke fysische meetwaarde die temperatuurgevoelig is worden gebruikt om een thermometer te maken. Aangezien bijna alle macroscopische effecten temperatuurgevoelig zijn resulteert dit in een constatering die door Fokke Tuinstra, emeritus hoogleraar in Delft werd geformuleerd als alles is een thermometer.
Inhoud |
[bewerk] Geschiedenis
Een van de eersten die temperaturen wilden meten met behulp van een temperatuurschaal was Galenus in circa 170.
[bewerk] Thermoscoop
De eerste temperatuurmetingen werden uitgevoerd met een thermoscoop. Deze bestaat uit een kom met vloeistof en een glazen bol die uitmondt in een lange glazen buis en in de vloeistof wordt gestoken. In 1610 maakte ook Galileo Galilei zo een instrument. Vóór de meting wordt wat lucht uit de bol gezogen. Vervolgens wordt de bol omgekeerd met het uiteinde van de buis in de vloeistof gestoken. De onderdruk zuigt de vloeistof omhoog de buis in.
Als de lucht in de glazen bol wordt verwarmd, zal het niveau van de vloeistofkolom in de buis dalen, omdat de hogere luchtdruk de vloeistof terugduwt. Het omgekeerde gebeurt met afkoelen. Met een op de buis aangebrachte schaalverdeling kan de thermoscoop worden afgelezen. De eerste thermoscopen waren onnauwkeurig en er ontbrak een echte ijking.
Rond 1630 wordt de vloeistofthermometer uitgevonden door de Franse arts Jean Rey. Daarmee worden veranderingen van de temperatuur aangegeven door middel van de thermische uitzetting van de vloeistof.
[bewerk] Vloeistofthermometer
Daniel Gabriel Fahrenheit vervolmaakt de thermometer. In 1709 maakt hij een vloeistofthermometer op basis van alcohol. In 1724 gebruikte hij voor het eerst kwik. Het voordeel van kwik is dat de thermische uitzettingscoëfficiënt groot is en bovendien vrijwel constant over een groot temperatuurbereik. Een kwikkolom is ook makkelijk af te lezen. Kwik blijft niet aan de glaswand hangen en heeft een groot temperatuurbereik. Kwik bevriest bij -38,9 °C en kookt pas bij 356,9 °C. De kwikthermometer heeft daarom voor dagelijks gebruik ruim voldoende bereik.
Fahrenheit koos als laagste temperatuur de temperatuur van een mengsel van ijs, water en keukenzout. Dit was de laagste temperatuur die destijds bereikbaar was. Het smeltpunt van ijs is het tweede vaste punt, dat zet hij op 32 graden Fahrenheit. Het derde 'ijkpunt' is de lichaamstemperatuur, voor Fahrenheit 96 graden. Met deze ijking meet hij het kookpunt van water als 212 graden Fahrenheit.
De hoogste temperatuur die met een vloeistofthermometer kan worden gemeten wordt beperkt door de dampspanning van de vloeistof en de sterkte van de glazen buis waarin deze is opgesloten. In de praktijk betekent dit dat een kwikthermometer niet veel hoger dan 350°C (het kookpunt van kwik) kan komen. Voor veel organische vloeistoffen geldt dat deze bij dat soort temperaturen niet stabiel zijn, dus deze grens zal ook daar niet worden overschreden.
De laagste temperatuur die met een vloeistofthermometer kan worden gemeten wordt beperkt door het smeltpunt. Voor kwik is dat -39°C, met alcohol kan -114°C worden bereikt.
Spelend met materialen kunnen heel vreemde vloeistofthermometers worden gemaakt: als men een vloeistof met een lage uitzettingscoëfficiënt insluit in een buis met een hoge uitzettingscoëfficiënt, kan men hiermee zelfs een thermometer maken waarvan de vloeistofkolom daalt als de temperatuur stijgt.
[bewerk] Schaalverdeling
De schaalverdeling voor thermometers is lang een discussiepunt geweest. Nog steeds (2003) worden er verschillende schaalverdelingen gebruikt:
- Kelvin - De in het SI-systeem vastgestelde eenheid voor temperatuur. Het laagst mogelijke waarde heeft in deze schaal de waarde 0. Smeltend ijs heeft een temperatuur van ongeveer 273,15 K (de exacte waarde is afhankelijk van de luchtdruk), het tripelpunt van water 273,16 K (per definitie).
- Celsius - Door de Zweedse astronoom Anders Celsius in 1742 gedefinieerd: 0 graden is de temperatuur van smeltend ijs, 100 graden de temperatuur van kokend water.
- Fahrenheit - Gebaseerd op de minimumtemperatuur die in het laboratorium kon worden geproduceerd (in de tijd van Fahrenheit, met een mengsel van ijs, water en zout), deze werd gesteld op 0, en de maximumtemperatuur op aarde van ongeveer 40 °C, die op 100 werd gesteld. De schaal wordt nog steeds veel gebruikt in Engelstalige landen.
- Réaumur - Deze loopt van 0 (smeltend ijs) tot 80 (kokend water).
- Rankine - De laagst mogelijke waarde is 0, het vriespunt van water is 491,7. Dit staat tot de Fahrenheitschaal als Kelvin staat tot Celsius.
