Paprastas stiklo vamzdelis, kuris tapo medicinos simboliu
Kai pagalvoji apie termometrą, greičiausiai įsivaizduoji tą klasikinį stiklinį vamzdelį su sidabriniu skysčiu viduje. Arba gal modernų elektroninį prietaisą, kuris per kelias sekundes parodo temperatūrą. Bet ar kada susimąstei, kaip šis paprastas dalykas iš tikrųjų veikia? Kodėl tas skystis kyla ir leidžiasi? Ir kas svarbiausia – kaip mes galime pasitikėti tuo, kad jis rodo teisingą temperatūrą?
Termometras yra vienas iš tų prietaisų, kuriuos naudojame kasdien, bet retai kada sustojame pagalvoti apie jų veikimo principą. O jis, beje, paremtas gana paprasta fizikos taisykle – medžiagos plečiasi šildamos ir traukiasi aušdamos. Šis reiškinys vadinamas terminiu plėtimuisi, ir būtent jis yra pagrindas beveik visiems termometrams, kuriuos matome aplink save.
Nuo Galilėjaus eksperimentų iki šiuolaikinių prietaisų
Pirmieji bandymai matuoti temperatūrą prasidėjo dar XVI amžiaus pabaigoje. Galilėjas sukūrė termoskopą – stiklinį kamuolį su ilgu kakleliu, įmerktu į vandenį. Kai oras kamuolyje šildavosi, jis plėsdavosi ir stumte stumia vandenį žemyn. Problema buvo ta, kad šis prietaisas reagavo ne tik į temperatūrą, bet ir į atmosferos slėgį, todėl tikslumas buvo gana abejotinas.
Tikrasis proveržis įvyko XVII amžiuje, kai italų gydytojas Santorio Santorio sukūrė pirmąjį medicininį termometrą. Tiesa, jis buvo milžiniškas – maždaug 30 centimetrų ilgio – ir temperatūrą reikėjo matuoti apie 20 minučių. Įsivaizduok, kaip pacientai džiaugėsi!
Didžiausias pokytis įvyko 1714 metais, kai vokiečių fizikas Danielis Gabrielis Fahrenheitas sukūrė pirmąjį gyvsidabrio termometrą. Gyvsidabris pasirodo esąs puikus pasirinkimas – jis plečiasi labai tolygiai, nešąla iki -39°C ir nevirsta iki 357°C. Tačiau šiandien gyvsidabrio termometrai uždrausti daugelyje šalių dėl toksiškumo – jei toks termometras sudūžta, gyvsidabris gali sukelti rimtų sveikatos problemų.
Skysčio termometro anatomija ir veikimo principas
Klasikinis skysčio termometras yra stulbinamai paprastas įrenginys. Jis susideda iš stiklinio rezervuaro apačioje, kuriame yra didžioji dalis skysčio, ir labai siaurų kapiliarų vamzdelių, kuriuose tas skystis kyla arba leidžiasi. Šalia vamzdelio yra skalė su pažymėtomis temperatūros reikšmėmis.
Kai temperatūra aplinkui kyla, skystis rezervuare pradeda plėstis. Kadangi stiklas taip pat šiek tiek plečiasi, bet daug lėčiau nei skystis, skysčiui reikia kažkur dėtis – ir jis kyla siauru kapiliaru. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo labiau skystis plečiasi, tuo aukščiau jis pakyla. Kai temperatūra krenta, procesas vyksta atvirkščiai – skystis traukiasi ir leidžiasi žemyn.
Kodėl kapiliaras toks siauras? Tai ne atsitiktinumas. Siaurame vamzdelyje net mažas skysčio tūrio pokytis sukelia didelį stulpelio aukščio pasikeitimą. Tai leidžia mums matyti net nedidelius temperatūros pokyčius. Jei vamzdelis būtų platus, skystis pakiltų vos vos, ir mes negalėtume tiksliai nustatyti temperatūros.
Šiuolaikiniuose skysčio termometruose vietoj gyvsidabrio naudojamas spalvotas alkoholis arba kiti organiniai skysčiai. Jie saugesni, nors ir ne tokie tikslūs kaip gyvsidabris. Alkoholiniai termometrai puikiai tinka matuoti žemoms temperatūroms – alkoholis neužšąla net esant -115°C.
Elektroniniai termometrai – greitis ir tikslumas
Šiuolaikiniai elektroniniai termometrai veikia visiškai kitaip. Jie naudoja termistorių – specialų puslaidininkį, kurio elektrinė varža keičiasi priklausomai nuo temperatūros. Paprastai tariant, kai temperatūra kyla, elektronams lengviau judėti per medžiagą, todėl varža mažėja (nors kai kuriuose termistoruose būna ir atvirkščiai).
Termometro viduje yra maža elektroninė grandinė, kuri nuolat matuoja termistoriaus varžą ir konvertuoja ją į temperatūros reikšmę. Mikroprocesorius apdoroja šiuos duomenis ir parodo rezultatą skaitmeniniame ekranėlyje. Visas šis procesas užtrunka vos kelias sekundes.
Elektroniniai termometrai turi keletą didelių privalumų. Pirma, jie labai greiti – daugumai užtenka 10-60 sekundžių. Antra, jie saugesni – nėra pavojaus, kad sudūš stiklas ar išsilies toksiškas skystis. Trečia, juos galima naudoti įvairiose vietose – burnoje, pažastyje, ausyje ar net ant kaktos.
Infraraudonieji termometrai, kurie tapo ypač populiarūs pandemijos metu, veikia dar kitaip. Jie matuoja infraraudonąją spinduliuotę, kurią skleidžia bet kuris šiltas objektas. Nukreipiate tokį termometrą į kaktą, jis per sekundę užfiksuoja spinduliuotę ir perskaičiuoja ją į temperatūrą. Patogiausia, kad nereikia jokio kontakto su žmogumi.
Kodėl turime skirtingas temperatūros skales
Jei kada bandei perskaičiuoti Celsijaus laipsnius į Farenheito, tikriausiai pagalvojai – kodėl mes negalime turėti vienos vienintelės sistemos? Atsakymas slypi istorijoje ir skirtingose matuojamose atskaitos taškuose.
Celsijaus skalė, kurią naudojame Lietuvoje ir didžiojoje pasaulio dalyje, yra labai logiška. Švedų astronomas Andersas Celsijus 1742 metais pasiūlė skalę, kurioje 0 laipsnių yra vandens užšalimo taškas, o 100 laipsnių – vandens virimo taškas (atmosferos slėgiui esant normaliam). Paprasta ir aiški.
Farenheito skalė, populiari JAV, atsirado anksčiau – 1724 metais. Danielis Fahrenheitas už nulinį tašką pasirinko žemiausią temperatūrą, kurią galėjo pasiekti laboratorijoje su druskos ir ledo mišiniu. Normalią žmogaus kūno temperatūrą jis nustatė ties 96 laipsniais (vėliau perskaičiuota į 98,6°F). Pagal šią skalę vanduo užšąla ties 32°F, o virsta ties 212°F. Gana keista, tiesa?
Dar yra Kelvino skalė, kurią naudoja mokslininkai. Ji prasideda nuo absoliutaus nulio (-273,15°C) – žemiausios teoriškai įmanomos temperatūros, kai atomai visiškai nustoja judėti. Vienas Kelvino laipsnis lygus vienam Celsijaus laipsniui, tik skalė pradedama nuo kitos vietos.
Kaip teisingai matuoti temperatūrą
Gali pasirodyti, kad temperatūros matavimas yra paprastas dalykas – įkiši termometrą ir palauki. Bet iš tikrųjų yra nemažai niuansų, kurie gali paveikti rezultatą.
Jei naudoji klasikinį stiklinį termometrą, prieš matavimą jį reikia „nutrenkti” – keliais ryžtingais mostais numesti skystį žemyn iki maždaug 35°C. Kitaip termometras gali rodyti ankstesnę, aukštesnę temperatūrą. Po to termometrą reikia laikyti pažastyje ar burnoje bent 5 minutes, o geriausia – 7-10 minučių. Taip, tai ilgai, bet tik taip gausite tikslų rezultatą.
Elektroniniai termometrai daug greitesni, bet ir čia yra gudrybių. Matuojant pažastyje, svarbu, kad termometro galiukas būtų gerai prispaustas prie kūno ir nepatektų oras. Geriausia matuoti sėdint ar gulint, o ne stovint. Jei ką tik grįžai iš lauko šalčio ar, priešingai, iš karštos vonios, palaukti 15-20 minučių – kūno paviršiaus temperatūra dar nėra stabilizavusis.
Ausies termometrai patogūs, bet jų tikslumas priklauso nuo teisingos technikos. Reikia švelniai patraukti ausies kaušelį atgal ir aukštyn (suaugusiems) arba atgal ir žemyn (vaikams), kad termometras galėtų „matyti” būgnelio plėvelę. Jei ausyje yra daug vaško ar yra uždegimas, rodmenys gali būti netikslūs.
Termometrai ne tik medicinoje
Nors pirmiausia galvojame apie medicininius termometrus, šie prietaisai naudojami neįtikėtinai plačiai. Virtuvėje termometras padeda nustatyti, ar mėsa iškepė iki saugios temperatūros – tai ypač svarbu su vištiena ar kiauliena. Konditeriai naudoja termometrus tiksliai kontroliuoti cukraus sirupo temperatūrą – skirtumas kelių laipsnių gali reikšti sėkmę ar nesėkmę gaminant karamelę.
Akvariume termometras būtinas – daugelis tropinių žuvų gali gyventi tik labai siauram temperatūros diapazone. Skirtumas kelių laipsnių gali sukelti stresą ar net žuvų ligas. Panašiai ir terariume – ropliai yra šalto kraujo gyvūnai, jų metabolizmas tiesiogiai priklauso nuo aplinkos temperatūros.
Pramonėje naudojami labai tikslūs ir specialūs termometrai. Metalurgijoje reikia matuoti temperatūras iki 1500°C ir daugiau. Maisto pramonėje griežtai kontroliuojamos saugojimo temperatūros – mėsa turi būti laikoma žemiau 4°C, o šaldyta produkcija žemiau -18°C. Vaistų pramonėje kai kurie preparatai turi būti laikomi tiksliai 2-8°C temperatūroje.
Meteorologijoje naudojami specialūs termometrai, kurie matuoja ne tik oro, bet ir dirvožemio, vandens temperatūrą. Jie turi būti apsaugoti nuo tiesioginių saulės spindulių, bet kartu gerai vėdinami. Dėl to meteorologinės stotelės turi specialias baltas dėžutes su žaliuzėmis – jos apsaugo termometrus nuo saulės, bet leidžia orui laisvai cirkuliuoti.
Kai termometras meluoja – dažniausios problemos
Net geriausias termometras gali rodyti neteisingą temperatūrą, jei jis neteisingai naudojamas ar sugedęs. Stikliniai termometrai gali „nusitrenkti” – tai reiškia, kad skysčio stulpelis nutrūksta ir atsiranda oro burbuliukas. Tokį termometrą galima pabandyti sutaisyti švelniai pakratant arba trumpam įdėjus į šaldytuvą, kad visas skystis susitrauktų ir susivienyti.
Elektroniniai termometrai gali rodyti neteisingai, jei išsikrovusi baterija. Kai baterija silpna, rodmenys gali būti netikslūs, nors termometras ir veikia. Todėl geriausia baterijas keisti reguliariai, nesulaukiant, kol jos visiškai išsikraus.
Kita problema – termometro kalibravimas. Laikui bėgant bet kuris termometras gali „nukrypti” ir rodyti šiek tiek per daug ar per mažai. Elektroninį termometrą galima patikrinti įmerkus į ledo vandenį (turėtų rodyti 0°C) arba į verdantį vandenį (100°C, jei esate jūros lygyje). Jei skirtumas didesnis nei 1 laipsnis, galbūt laikas pirkti naują.
Infraraudonieji termometrai gali klaidingai rodyti, jei kakta prakaituota ar ką tik buvo šlapia. Prakaitas garuodamas atvėsina odą, todėl termometras parodo žemesnę temperatūrą nei tikroji. Taip pat šie termometrai gali klaidingai reaguoti į stiprią saulės šviesą ar šilumą skleidžiančius šaltinius netoliese.
Ateities termometrai ir technologijų raida
Termometrų technologijos nuolat tobulėja. Jau dabar rinkoje yra išmanieji termometrai, kurie jungiasi prie telefono per Bluetooth ir automatiškai fiksuoja temperatūros istoriją. Tai ypač patogu tėvams, kurie gali stebėti vaiko temperatūrą naktį, nesikeldami jo žadinti.
Kuriami ir neinvaziniai nuolatinio stebėjimo termometrai – maži pleistro formos jutikliai, kurie klijuojami ant odos ir nuolat matuoja temperatūrą. Tokie prietaisai ypač naudingi ligoninėse, kur svarbu stebėti paciento būklę nenutrūkstamai.
Mokslininkai eksperimentuoja su nanotechnologijomis – mikroskopiniais termometrais, kurie galėtų matuoti temperatūrą atskirose ląstelėse. Tai atvertų naujas galimybes medicininėje diagnostikoje – pavyzdžiui, vėžinės ląstelės dažnai būna šiek tiek šiltesnės nei sveikos.
Termometrai tapo tokia natūralia mūsų gyvenimo dalimi, kad retai kada sustojame pagalvoti apie šių prietaisų istoriją ir veikimo principus. O juk tai nuostabus pavyzdys, kaip paprasta fizikos taisyklė – medžiagų terminis plėtimasis – buvo paversta praktiniu įrankiu, be kurio šiandien neįsivaizduojame nei medicinos, nei daugelio kitų sričių. Nuo Galilėjaus primityvių eksperimentų iki šiuolaikinių išmaniųjų prietaisų – termometrai nuėjo ilgą kelią, bet jų esmė išliko ta pati: paversti nematomą temperatūrą į kažką, ką galime pamatyti ir suprasti.