Termometr Galileusza

Termometr Galileusza (nazywany też termoskopem) – przyrząd służący do oceny temperatury otoczenia; odpowiednio wykalibrowany może pełnić funkcję termometru. Obecnie używany głównie w charakterze gadżetu, zabawki lub elementu sztuki użytkowej.

Wykorzystuje zależność gęstości cieczy od temperatury (związaną z rozszerzalnością cieplną cieczy) oraz prawo Archimedesa. Niemal wszystkie powszechnie dostępne ciecze w zakresie temperatur zbliżonych do pokojowej (od kilku do kilkudziesięciu stopni Celsjusza) wykazują spadek gęstości wraz ze wzrostem temperatury^[1]. Zanurzone w takiej cieczy ciało o stałej objętości i odpowiednio dobranej masie może – zależnie od temperatury (a bezpośrednio – gęstości cieczy) – pływać lub tonąć. Zjawisko to jest podstawą działania termometru (termoskopu) Galileusza.

Budowa

Najważniejszą częścią termoskopu jest przezroczysty zbiornik (najczęściej szklany) wypełniony przezroczystą cieczą. W zbiorniku znajduje się pewna liczba szczelnie zamkniętych pływaków, których masa i objętość są tak dobrane, by każdy pływak przy innej temperaturze pozostawał w równowadze hydrostatycznej – tonąc dla temperatur wyższych i wypływając na wierzch naczynia dla niższych. Dla ułatwienia odczytu pływaki mogą być wyposażone w etykietki z zapisanymi temperaturami wypływania lub różnić się kolorami, często pochodzącymi od wypełniającej pływak zabarwionej cieczy. Zbiornik zazwyczaj jest zamknięty, co zapobiega wylewaniu się płynu podczas przenoszenia, a przede wszystkim, pozwala uniknąć zanieczyszczenia płynu, które mogłoby zniekształcić wskazania termoskopu^[2].

Historia

W 1593 roku Galileusz zbudował pierwszy nowożytny termoskop. Była to modyfikacja opracowanego około roku 210 p.n.e. wskaźnika temperatury, którego wynalezienie przypisuje się Filonowi z Bizancjum. Przyrząd ten wykorzystywał rozszerzalność cieplną powietrza zamkniętego w rurce częściowo wypełnionej winem. Galileusz zmodyfikował to urządzenie, stosując zamiast rurki rozszerzającą się ku górze – bańkę. Poprawił w ten sposób czułość wskaźnika, choć nie uniknął jego podstawowej wady – istotny wpływ na wskazania przyrządu miało ciśnienie atmosferyczne. Termoskop w wersji z zanurzonymi w nim pływakami tej wady nie ma. Galileusz odkrył zasadę działania ulepszonego termoskopu, jednak pierwsze praktyczne konstrukcje powstały później, a ich twórcy pozostają nieznani^[3]^[4].

Zastosowania

Wskazania termoskopu Galileusza są niedokładne i zazwyczaj ograniczone do stosunkowo wąskiego przedziału temperatur. Aby wskazywać temperatury od 18 do 26 °C z dokładnością 2 °C, przyrząd ten musi zawierać co najmniej pięć pływaków (zob. fotografia obok). Oprócz niewielkiej dokładności, wadami termoskopu są również duże rozmiary i masa – związana z nią wysoka pojemność cieplna uniemożliwia obserwację szybkich zmian temperatury, na przykład po przeniesieniu przyrządu do innego pomieszczenia.

Do wypełnienia zbiornika można użyć cieczy o współczynniku rozszerzalności termicznej istotnie większym od wody (np. etanol, izopropanol czy czterochlorek węgla); takie rozwiązanie ułatwia kalibrację przyrządu, zwiększając jednak koszt wykonania i powodując zagrożenie zatruciem lub pożarem w przypadku rozlania.

Ze względu na niską dokładność pomiaru współczesne zastosowania termometrów Galileusza ograniczają się do pokazów fizycznych, zabawek, ozdób i gadżetów.

gęstość ρ i współczynnik rozszerzalności β różnych cieczy i materiałów w temp. 20 °C
materiał	ρ [kg/m³]	1000×β [1/K]
woda	998	0,207
etanol	789	1,10
izopropanol	785	1,06
czterochlorek węgla	1594	1,23

szkło^[5]	2200-2600	0,01-0,03

Przypisy

↑ Zob. na przykład zależność gęstości wody od temperatury.
↑ Jeśli w zbiorniku z wodą znalazłaby się nawet niewielka ilość zanieczyszczeń (np. soli lub kwasu), to gęstość roztworu zwiększyłaby się w stopniu niweczącym wskazania, np. w temperaturze pokojowej 1% roztwór NaCl ma gęstość ok. 1004 kg/m³, a 2% ok. 1011
↑ Thermometer (early history)
↑ Kronika techniki. Warszawa: Wydawnictwo "Kronika", 1992, s. 110. ISBN 83-900331-3-5.
↑ Parametry szkła, w tym jego współczynnik rozszerzalności, także wpływają na zachowanie się pływaków w zbiorniku; z tabeli widać jednak, że wpływ ten jest kilkadziesiąt do stu razy mniejszy, niż wpływ parametrów wypełniającej zbiornik cieczy.

Linki zewnętrzne

How does a Galileo thermometer work?
"Das Galilei-Thermometer – Termometro Lento", Christian Ucke & Hans-Joachim Schlichting (Physik in unserer Zeit, 1994, rok 25, Nr 1)

[1] Zob. na przykład zależność gęstości wody od temperatury.

[2] Jeśli w zbiorniku z wodą znalazłaby się nawet niewielka ilość zanieczyszczeń (np. soli lub kwasu), to gęstość roztworu zwiększyłaby się w stopniu niweczącym wskazania, np. w temperaturze pokojowej 1% roztwór NaCl ma gęstość ok. 1004 kg/m³, a 2% ok. 1011

[3] Thermometer (early history)

[4] Kronika techniki. Warszawa: Wydawnictwo "Kronika", 1992, s. 110. ISBN 83-900331-3-5.

[5] Parametry szkła, w tym jego współczynnik rozszerzalności, także wpływają na zachowanie się pływaków w zbiorniku; z tabeli widać jednak, że wpływ ten jest kilkadziesiąt do stu razy mniejszy, niż wpływ parametrów wypełniającej zbiornik cieczy.

[1]