Термометр – это прибор, который позволяет измерить температуру. Столбик термометра в нашем привычном представлении является важной частью этого устройства. Однако, что происходит, если нежно встряхнуть термометр? Почему показатель его столбика начинает падать?
Прежде чем ответить на этот вопрос, следует разобраться в принципе работы обычного термометра. Основой его работы является закон физики, известный как термическое расширение. Этот закон утверждает, что тела расширяются или сжимаются в зависимости от изменения температуры. В основе термометра – металлический стебель, наполненный жидким металлом или спиртом, который меняет свой объем в зависимости от температуры.
Однако, когда мы встряхиваем термометр, происходит сильное воздействие на систему. Встряхивая термометр, мы влияем на движение жидкости внутри стеклянного столбика. Изначально, уровень вещества в столбике термометра меняется в зависимости от давления атмосферы. Но при встряхивании жидкость может сильно колебаться, что приводит к неконтролируемому движению молекул и быстрому сжатию воздуха внутри столбика.
Причины падения показателя термометра при встряхивании
Многие люди сталкиваются с ситуацией, когда показатель термометра падает после его встряхивания. Почему так происходит? Есть несколько причин, объясняющих этот феномен.
Во-первых, термометр может иметь механическую или электронную систему измерения температуры. В механических термометрах есть жидкий спирт или ртуть, которые могут уходить из рабочего диапазона при интенсивном встряхивании. Это приводит к падению показателя термометра.
Во-вторых, встряхивание термометра может вызвать изменение давления внутри его корпуса. Неконтролируемое изменение давления может привести к изменению объема рабочего вещества. Таким образом, показатель термометра может уменьшиться из-за сбоя в системе.
Третья причина связана с неправильным использованием термометра. Если термометр сильно встряхивается или длительное время подвергается вибрациям, это может повредить его чувствительный элемент. Неправильное обращение с термометром может привести к деградации или потере его работоспособности.
Однако, не все виды термометров подвержены падению показателя при встряхивании. Некоторые электронные термометры имеют специальные защитные системы, которые предотвращают изменение показателя при внешних воздействиях. Такие термометры обычно имеют встроенный акселерометр или гироскоп, который компенсирует внешние воздействия.
Влияние теплопроводности
Теплопроводность — это способность материалов передавать тепло. Когда мы встряхиваем термометр, мы придаём телу колебания, и частицы вещества начинают двигаться более интенсивно.
Встряхивание термометра приводит к увеличению количества контактов между частицами вещества, что усиливает теплопроводность. В результате, часть тепла, полученного от окружающей среды, быстрее отводится от термометра, что вызывает падение показателя столбика.
Более теплопроводные материалы, такие как металлы, будут иметь более быстрое падение показателя столбика термометра при встряхивании, по сравнению с менее теплопроводными материалами, например, стеклом или пластиком.
Поэтому, влияние теплопроводности — одна из причин падения показателя столбика термометра при встряхивании.
Изменение объема жидкости
При встряхивании термометра происходит изменение объема жидкости внутри стеклянного столбика, что может привести к падению показателя на шкале. Термометры, которые используют жидкий ртуть, этиловый спирт или другую жидкость в качестве рабочего вещества, работают на основе теплового расширения.
Объем жидкости внутри термометра зависит от ее температуры. При нагревании жидкость расширяется, занимая больший объем, что приводит к подъему столбика термометра. При охлаждении жидкость сжимается и занимает меньший объем, что приводит к опусканию столбика.
При встряхивании термометра происходит быстрое и резкое изменение положения термометрической жидкости. В результате этого изменения либо происходит расслоение жидкости на две или более фазы, либо жидкая среда временно может образовывать паровую фазу. Эти процессы ведут к изменению объема жидкости и, как следствие, к изменению показателя на шкале термометра.
Эффект падения показателя столбика термометра при встряхивании может быть временным и обратимым. После закрытия термометра и его покоя жидкость восстанавливает свой объем и показатель на шкале возвращается к исходному значению.
Отклонения в измерениях
Почему падает показатель столбика термометра при встряхивании? Ответ на этот вопрос можно найти в явлении, известном как инерционность термометра. Каждый термометр имеет какой-то уровень чувствительности, который определяется его конструкцией и материалом, из которого он изготовлен. Заметим, что мы всегда считали термометры с каким-то запасом точности. Когда мы встряхиваем термометр, то в процессе его перемещения происходят различные механические воздействия на измерительный элемент. Эти воздействия приводят к отклонениям измеряемой величины, которые отображаются на шкале термометра.
Для того чтобы облегчить понимание разницы между инерционностью термометра и установившейся точностью остановим сравнение такого термометра. Отклонение от установившейся точности показывает только инерционность термометра, а отклонение от названного запаса точности — относительную точность. Таким образом, если термометр имеет инерционность 0,1 °C, а точность 1 °C, то при использовании во встряхивающихся условиях его рабочая точность будет не менее 1,1 °C.
Термометры, обладающие высокой точностью, обычно значительно менее инерционны по сравнению с меньшими инструментами. С другой стороны, производители термометров стремятся создать баланс между точностью и реакцией на изменение температуры в жидкости. Выбор термометра с низкой инерционностью или барометром или другими высокоточными инструментами приведет к появлению неравномерности в результирующих данных, а иногда и к возникновению систематических ошибок.
Таким образом, отклонения в измерениях при встряхивании термометра связаны с его инерционностью, которая зависит от его конструкции, материала и чувствительности. Различные воздействия на измерительный элемент, возникающие в процессе встряхивания, приводят к отклонениям в измерениях, которые могут быть больше, чем указанная точность термометра. Выбор термометра с меньшей инерционностью и баланс между точностью и реакцией на изменение температуры вещества могут помочь уменьшить эти отклонения и повысить точность измерений.
| Проблема | Причина |
|---|---|
| Отклонение в измерениях | Инерционность термометра, механические воздействия при встряхивании |
| Неравномерность данных | Выбор термометра с низкой инерционностью |
| Систематические ошибки | Неправильный выбор высокоточных инструментов |
Воздействие вибраций
Вибрации могут оказывать негативное воздействие на показатель столбика термометра при встряхивании. При встряхивании термометра, вибрации передаются на жидкость внутри термометра, что может привести к временному изменению показаний.
Вибрации вызывают движение молекул жидкости, что приводит к тому, что они сталкиваются друг с другом и меняют скорость своего движения. В результате этого процесса, столбик жидкости может временно изменить свое положение, что приводит к изменению показаний на термометре.
Однако, встряхивание термометра не оказывает длительного воздействия на его показатель. После прекращения вибраций, столбик жидкости в термометре восстанавливает свое равновесное положение и показатель столбика термометра возвращается к обычным значениям.
Интересно отметить, что некоторые термометры специально создаются с учетом возможных вибраций, например, в железнодорожных и авиационных инструментах. Такие термометры обладают дополнительными механизмами компенсации, которые позволяют им сохранять точность показаний даже при сильных вибрациях.
Несовершенство конструкции термометра
При встряхивании термометра возникает механическое воздействие на жидкость внутри трубки. Это приводит к возникновению колебаний и созданию маленьких пузырьков, которые затем поднимаются вверх по столбику и разрушаются.
Неравномерное распределение пузырьков по высоте столбика приводит к изменению плотности жидкости в разных его частях. Поскольку масса погруженной в жидкость части стеклянной трубки остается неизменной, изменение плотности приводит к смещению нулевой отметки на шкале термометра.
Кроме того, при встряхивании термометра могут возникать дополнительные вибрации и колебания самой трубки, что также влияет на точность измерений. Это объясняется несовершенством крепления трубки в резервуаре и возможными остаточными напряжениями в стекле.
Таким образом, несовершенства конструкции термометра, такие как возможность появления пузырьков и вибрации трубки, могут быть причинами падения показателя столбика при встряхивании.