Eksperimenti, eksperimenti, teorija, praksa, rješavanje problema. Dodatni materijali za lekciju "Temperatura

APSOLUTNA TEMPERATURNA SKALA.

1. Temperatura je mjera prosječne kinetičke energije molekula, koja karakterizira
stupanj zagrijavanja tijela.

2. Instrument za mjerenje temperature - termometar .

3. Princip rada termometar:
Pri mjerenju temperature koristi se ovisnost promjene bilo kojeg makroskopskog parametra (volumen, tlak, električni otpor itd.) tvari o temperaturi.
U tekućinskim termometrima to je promjena volumena tekućine.
Kada dva medija dođu u dodir, energija se prenosi s jače zagrijanog medija na manje zagrijani.
U procesu mjerenja temperature tijela i termometar dolaze u stanje toplinske ravnoteže.

Termometri.
U praksi se često koriste tekući termometri: živini (u rasponu od -35 C do +750 C) i alkoholni (od -80 C do +70 C).
Koriste svojstvo tekućine da mijenja svoj volumen s promjenom temperature.
Međutim, svaka tekućina ima svoje karakteristike promjene volumena (ekspanzije) pri različitim temperaturama.
Kao rezultat usporedbe, na primjer, očitanja živinog i alkoholnog termometra, doći će do točnog podudaranja samo u dvije točke (na temperaturama od 0 C i 100 C).
Ovi nedostaci nisuplinski termometri .
Prvi plinski termometar stvorili su Francuzi. fizičar J. Charles.

Kada dva tijela različite temperature dođu u dodir, unutarnja energija se prenosi s jače zagrijanog tijela na manje zagrijano, te se temperature obaju tijela izjednače.
Nastaje stanje toplinske ravnoteže u kojem svi makroparametri (volumen, tlak, temperatura) oba tijela ostaju nepromijenjeni u budućnosti pod nepromijenjenim vanjskim uvjetima.
4. toplinska ravnoteža je stanje u kojem svi makroskopski parametri ostaju nepromijenjeni proizvoljno dugo vremena.

5. Stanje toplinske ravnoteže sustava tijela karakterizira temperatura: sva tijela sustava koja su međusobno u toplinskoj ravnoteži imaju istu temperaturu.

gdje je k Boltzmannova konstanta

Ova ovisnost omogućuje uvođenje nove temperaturne ljestvice - apsolutne temperaturne ljestvice koja ne ovisi o tvari koja se koristi za mjerenje temperature.

6. Apsolutna temperaturna ljestvica - uveo engleski. fizičar W. Kelvin
- nema negativnih temperatura

Jedinica apsolutne temperature u SI: [T] = 1K (Kelvin)
Nulta temperatura apsolutne ljestvice je apsolutna nula (0K = -273 C), najniža temperatura u prirodi. APSOLUTNA NULA je najniža temperatura pri kojoj prestaje toplinsko gibanje molekula.

Odnos apsolutne ljestvice s Celzijevom ljestvicom

U formulama se apsolutna temperatura označava slovom "T", a temperatura na Celzijevoj skali slovom "t".

Povijest izuma termometar

Termometar se smatra izumiteljem : u njegovim vlastitim spisima nema opisa ovog uređaja, ali njegovi učenici, Nelly i , svjedoči da je već u napravio je nešto poput termobaroskopa ( ). Galileo je u to vrijeme proučavao djelo , u kojem je već opisan sličan uređaj, ali ne za mjerenje stupnjeva topline, već za podizanje vode zagrijavanjem. Termoskop je bila mala staklena kugla na koju je bila zalemljena staklena cijev. Lopta je lagano zagrijana i kraj cijevi spušten u posudu s vodom. Nakon nekog vremena zrak u kugli se ohladio, njegov tlak se smanjio, a voda se pod djelovanjem atmosferskog tlaka podigla u cijevi do određene visine. Naknadno, sa zagrijavanjem, tlak zraka u kugli se povećao i razina vode u cijevi se smanjila; kada se ohladila, voda u njoj je porasla. Uz pomoć termoskopa bilo je moguće suditi samo o promjeni stupnja zagrijavanja tijela: nije pokazivao numeričke vrijednosti temperature, jer nije imao ljestvicu. Osim toga, razina vode u cijevi nije ovisila samo o temperaturi, već io atmosferskom tlaku. Godine 1657. Galileijev termoskop poboljšali su firentinski znanstvenici. Instrument su opremili ljestvicom kuglica i ispuhali zrak iz spremnika (kugle) i cijevi. To je omogućilo ne samo kvalitativno, već i kvantitativno usporedbu temperatura tijela. Naknadno je termoskop promijenjen: okrenut je naopako, au cijev je umjesto vode uliven alkohol i posuda je uklonjena. Rad ovog uređaja temeljio se na širenju tijela, a kao "stalne" točke uzimane su temperature najtoplijih ljetnih i najhladnijih zimskih dana. Lordu se pripisuje i izum termometra , , Sanctorius, Scarpi, Cornelius Drebbel ( ), Porte i Salomon de Caus, koji je kasnije pisao i djelomično imao osobne odnose s Galileijem. Svi ovi termometri bili su zrak i sastojali su se od posude s cijevi u kojoj je bio zrak, odvojen od atmosfere vodenim stupcem, mijenjali su očitanja i od promjena temperature i od promjena atmosferskog tlaka.

Tekući termometri su prvi put opisani u d. "Saggi di naturale esperienze fatte nell'Accademia del Cimento", gdje se o njima govori kao o predmetima koje su dugo izrađivali vješti majstori, zvani "Confia", zagrijavajući staklo na raspaljenoj vatri lampe i izrađujući od njega nevjerojatne i vrlo delikatne proizvode. Isprva su ti toplomjeri bili napunjeni vodom, a rasprsnuli su se kad se smrznula; za to su počeli koristiti vinsku žesticu 1654. prema zamisli velikog vojvode od Toskane . Firentinski termometri nisu samo prikazani u Saggiju, već je nekoliko primjeraka preživjelo do našeg vremena u Galilejskom muzeju u Firenci; detaljno je opisana njihova priprema.

Najprije je majstor morao napraviti podjele na cijevi, s obzirom na njezine relativne dimenzije i veličinu kuglice: podjele su nanesene rastopljenim emajlom na cijev zagrijanu na lampi, svaka desetina označena je bijelom točkom, a ostale po crnoj. Obično su radili 50 podjela na taj način, da kad se snijeg otopi, alkohol nije padao ispod 10, a na suncu se nije penjao iznad 40. Dobri majstori tako su uspješno izradili takve termometre, da su svi pokazivali istu vrijednost temperature pod isti uvjeti, ali to nije bilo moguće postići ako je cijev podijeljena na 100 ili 300 dijelova kako bi se dobila veća točnost. Termometri su punjeni zagrijavanjem balona i spuštanjem kraja cijevi u alkohol, punjenje je vršeno pomoću staklenog lijevka s tanko izvučenim krajem koji je slobodno ulazio u prilično široku cijev. Nakon podešavanja količine tekućine, otvor cijevi je zapečaćen pečatnim voskom, nazvanim "hermetik". Iz ovoga je jasno da su ti toplomjeri bili veliki i mogli su služiti za određivanje temperature zraka, ali su ipak bili neprikladni za druge, raznolikije pokuse, a stupnjevi različitih termometara nisu bili međusobno usporedivi.

NA G. ( ) u poboljšao zračni termometar, mjereći ne širenje, već povećanje elastičnosti zraka svedenog na isti volumen pri različitim temperaturama ulijevanjem žive u otvoreno koljeno; u obzir su uzeti barometarski tlak i njegove promjene. Nula takve ljestvice trebala je biti "onaj značajan stupanj hladnoće" pri kojem zrak gubi svu svoju elastičnost (tj. ), a druga konstantna točka je vrelište vode. Amontonu još nije bio poznat utjecaj atmosferskog tlaka na vrelište, a zrak u njegovu termometru nije bio oslobođen vodenih plinova; stoga je iz njegovih podataka apsolutna nula dobivena na −239,5° Celzijusa. Drugi Amontonov zračni termometar, izrađen vrlo nesavršeno, bio je neovisan o promjenama atmosferskog tlaka: bio je to sifonski barometar, čije je otvoreno koljeno bilo prošireno prema gore, napunjeno odozdo jakom otopinom potaše, odozgo uljem, a završavalo u zatvorenom spremniku zraka.

modernog oblika pričvršćen na termometar a svoj način pripreme opisao je 1723. U početku je i svoje lule punio alkoholom da bi tek na kraju prešao na živu. Postavio je nulu svoje ljestvice na temperaturu mješavine snijega s amonijakom ili kuhinjskom soli, na temperaturi "početka smrzavanja vode" pokazao je 32 °, a tjelesnu temperaturu zdrave osobe u ustima ili ispod ruke bio je ekvivalentan 96 °. Kasnije je otkrio da voda ključa na 212° i da je ta temperatura uvijek bila ista u istom stanju. . Preživjeli primjerci Fahrenheitovih termometara odlikuju se preciznom izradom.

Švedski astronom, geolog i meteorolog konačno je uspostavio obje stalne točke, led koji se topi i vodu koja ključa 1742. Ali izvorno je stavio 0° na točku ključanja, a 100° na točku smrzavanja. U svom radu, Celsius ” govorio je o svojim eksperimentima koji pokazuju da talište leda (100 °) ne ovisi o tlaku. Također je odredio, s nevjerojatnom točnošću, kako varira točka ključanja vode . Predložio je da se oznaka 0 ( voda) može se baždariti znajući na kojoj se razini u odnosu na more nalazi termometar.

Kasnije, nakon Celzijeve smrti, njegovi suvremenici i kolege botaničari i astronom Morten Strömer koristio je ovu ljestvicu naopako (za 0 ° počeli su uzimati talište leda, a za 100 ° - vrelište vode). U ovom obliku Pokazalo se da je vrlo prikladno, postalo je široko rasprostranjeno i koristi se do danas.

Prema jednom izvještaju, Celsius je sam okrenuo svoju vagu prema Strömerovom savjetu. Prema drugim izvorima, vagu je preokrenuo Carl Linnaeus 1745. godine. A prema trećem - ljestvicu je preokrenuo nasljednik Celzijusa M. Stremer i u 18. stoljeću takav je termometar bio široko rasprostranjen pod imenom "švedski termometar", au samoj Švedskoj - pod imenom Stremer, ali poznati švedski kemičar Johann Jakob u svom djelu "Guides to Chemistry" pogrešno je ljestvicu M. Strömera nazvao Celzijevom ljestvicom i od tada centigradska ljestvica nosi ime po Andersu Celzijusu.

Djela 1736., iako su doveli do uspostavljanja ljestvice od 80°, bili su prilično korak unatrag u odnosu na ono što je Fahrenheit već učinio: Réaumurov termometar bio je ogroman, nezgodan za korištenje, a njegova metoda dijeljenja u stupnjeve bila je netočna i nezgodna.

Nakon Fahrenheita i Réaumura, posao izrade termometara pao je u ruke zanatlija, jer su termometri postali roba.

Godine 1848. engleski fizičar (Lord Kelvin) dokazao je mogućnost stvaranja apsolutne temperaturne ljestvice, čija nula ne ovisi o svojstvima vode ili tvari koja puni termometar. Referentna točka u " »servirana vrijednost : -273,15 ° C. Na ovoj temperaturi prestaje toplinsko kretanje molekula. Posljedično, daljnje hlađenje tijela postaje nemoguće.

Tekući termometri

Tekući termometri temelje se na principu promjene volumena tekućine koja se ulijeva u termometar (obično ili ), kada se temperatura promijeni okoliš.

U vezi sa zabranom upotrebe žive u mnogim područjima djelatnosti, traže se alternativna punjenja za kućne termometre. Na primjer, takva zamjena može biti legura .

Kako ukloniti prolivenu živu iz razbijenog toplomjera, pogledajte članak

Mehanički termometri

Termometri ove vrste rade na istom principu kao i elektronički, ali se obično koriste kao senzori. spirala ili .

Električni termometri

Princip rada električnih termometara temelji se na promjeni kontakt razlika potencijala ovisno o temperaturi). Najprecizniji i stabilniji tijekom vremena su baziran na platinastoj žici ili nanošenju platine na keramiku.

Optički termometri

Optički termometri omogućuju bilježenje temperature promjenom

Infracrveni termometri

Infracrveni termometar omogućuje mjerenje temperature bez izravnog kontakta s osobom. U nekim zemljama već dugo postoji trend udaljavanja od živini toplomjeri u korist infracrvenog ne samo u medicinskim ustanovama, već i na razini kućanstva.

Tehnički termometri

Tehnički termometri koriste se u poduzećima u poljoprivredi, petrokemijskoj, kemijskoj, rudarskoj i metalurškoj industriji, u strojogradnji, stanovanju i komunalne usluge, promet, građevinarstvo, medicina, jednom riječju u svim sferama života.

Postoje takve vrste tehničkih termometara:

termometri za tehničke tekućine TTŽ-M;

bimetalni termometri TB, TBT, TBI;

poljoprivredni termometri TS-7-M1;

termometri maksimalno SP-83 M;

termometri za posebne komore niskog stupnja SP-100;

posebni termometri otporni na vibracije SP-V;

živini elektrokontaktni termometri TPK;

laboratorijski termometri TLS;

termometri za naftne derivate TN;

termometri za ispitivanje naftnih derivata TIN1, TIN2, TIN3, TIN4.

Termometar

Termometar (grčki θέρμη - toplina; μετρέω - mjerim) - uređaj za mjerenje temperature zraka, tla, vode i sl. Postoji nekoliko vrsta termometara:tekućina; mehanički; elektronička; optički; plin; infracrveni.

Galileo se smatra izumiteljem termometra: u njegovim vlastitim spisima nema opisa ovog uređaja, ali njegovi učenici, Nelly i Viviani, svjedoče da je već 1597. napravio nešto poput termobaroskopa (termoskopa). Galileo je u to vrijeme proučavao rad Herona iz Aleksandrije, koji je već opisao sličan uređaj, ali ne za mjerenje stupnjeva topline, već za podizanje vode zagrijavanjem. Termoskop je bila mala staklena kugla na koju je bila zalemljena staklena cijev. Lopta je lagano zagrijana i kraj cijevi spušten u posudu s vodom. Nakon nekog vremena zrak u kugli se ohladio, njegov tlak se smanjio, a voda se pod djelovanjem atmosferskog tlaka podigla u cijevi do određene visine. Naknadno, sa zagrijavanjem, tlak zraka u kugli se povećao i razina vode u cijevi se smanjila; kada se ohladila, voda u njoj je porasla. Uz pomoć termoskopa bilo je moguće suditi samo o promjeni stupnja zagrijavanja tijela: nije pokazivao numeričke vrijednosti temperature, jer nije imao ljestvicu. Osim toga, razina vode u cijevi nije ovisila samo o temperaturi, već io atmosferskom tlaku. Godine 1657. Galileijev termoskop poboljšali su firentinski znanstvenici. Instrument su opremili ljestvicom kuglica i ispuhali zrak iz spremnika (kugle) i cijevi. To je omogućilo ne samo kvalitativno, već i kvantitativno usporedbu temperatura tijela. Naknadno je termoskop promijenjen: okrenut je naopako, au cijev je umjesto vode ulivena rakija i posuda uklonjena. Rad ovog uređaja temeljio se na širenju tijela, a kao "stalne" točke uzimane su temperature najtoplijih ljetnih i najhladnijih zimskih dana. Svi ovi termometri bili su zrak i sastojali su se od posude s cijevi u kojoj je bio zrak, odvojen od atmosfere vodenim stupcem, mijenjali su očitanja i od promjena temperature i od promjena atmosferskog tlaka.

Tekući termometri prvi su put opisani 1667. "Saggi di naturale esperienze fatte nell'Accademia del Cimento", gdje se o njima govori kao o predmetima koje su dugo izrađivali vješti zanatlije, zvani "Confia", koji zagrijavaju staklo na vatri raspaljene lampe i pravljenje nevjerojatnih i vrlo delikatnih proizvoda od njega. Isprva su ovi toplomjeri bili napunjeni vodom, ali su pukli kad se smrznula; za to su počeli koristiti vinsku žesticu 1654. prema zamisli velikog vojvode Toskane Ferdinanda II. Firentinski termometri preživjeli su u nekoliko primjeraka do našeg vremena u Galilejskom muzeju u Firenci; detaljno je opisana njihova priprema.

Galileo termometar

Godine 1703. Amonton (Guillaume Amontons) u Parizu je poboljšao zračni termometar, mjereći ne širenje, već povećanje elastičnosti zraka svedenog na isti volumen pri različitim temperaturama ulijevanjem žive u otvoreno koljeno; u obzir su uzeti barometarski tlak i njegove promjene. Nula takve ljestvice trebala je biti “onaj značajan stupanj hladnoće” pri kojem zrak gubi svu svoju elastičnost (odnosno moderna apsolutna nula), a druga konstantna točka bila je vrelište vode. Amontonu još nije bio poznat utjecaj atmosferskog tlaka na vrelište, a zrak u njegovu termometru nije bio oslobođen vodenih plinova; stoga je iz njegovih podataka apsolutna nula dobivena na −239,5° Celzijusa. Drugi Amontonov zračni termometar, izrađen vrlo nesavršeno, bio je neovisan o promjenama atmosferskog tlaka: bio je to sifonski barometar, čije je otvoreno koljeno bilo prošireno prema gore, napunjeno odozdo jakom otopinom potaše, odozgo uljem i završavalo u zatvoreni spremnik zraka.

Moderni oblik toplomjeru dao je Fahrenheit i opisao svoj način pripreme 1723. godine. U početku je svoje cijevi također punio alkoholom i tek je na kraju prešao na živu. Postavio je nulu svoje ljestvice na temperaturu mješavine snijega s amonijakom ili kuhinjskom soli, na temperaturi "početka smrzavanja vode" pokazao je 32 °, a tjelesnu temperaturu zdrave osobe u ustima ili ispod ruke bio je ekvivalentan 96 °. Kasnije je otkrio da voda vrije na 212° i da je ta temperatura uvijek ista u istom stanju barometra. Preživjeli primjerci Fahrenheitovih termometara odlikuju se preciznom izradom.

Živin toplomjer s Fahrenheit skalom

Švedski astronom, geolog i meteorolog Anders Celsius konačno je postavio obje stalne točke, otapanje leda i kipuću vodu, 1742. Ali u početku je postavio 0° na vrelište i 100° na ledište. U svom djelu Promatranja dva postojana stupnja na termometru, Celsius je govorio o svojim pokusima koji pokazuju da talište leda (100 °) ne ovisi o tlaku. Također je odredio, s nevjerojatnom točnošću, kako vrelište vode varira s atmosferskim tlakom. Predložio je da se oznaka 0 (vrelište vode) može kalibrirati, znajući na kojoj je razini u odnosu na more termometar.

Kasnije, nakon Celzijeve smrti, njegovi suvremenici i sunarodnjaci, botaničar Carl Linnaeus i astronom Morten Strömer, koristili su ovu ljestvicu naopako (za 0 ° počeli su uzimati talište leda, a za 100 ° - vrelište od vode). U ovom obliku, ljestvica se pokazala vrlo zgodnom, postala je raširena i koristi se do danas.

Tekući termometri temelje se na principu promjene volumena tekućine koja se ulijeva u termometar (obično alkohol ili živa) kako se mijenja temperatura okoline. U vezi sa zabranom uporabe žive zbog njezine opasnosti za zdravlje u mnogim područjima aktivnosti traže alternativna punjenja za termometre za kućanstvo. Na primjer, legura galinstana može postati takva zamjena. Također se sve više koriste i drugi tipovi termometara.

Živin medicinski termometar

Mehanički termometri ove vrste rade na istom principu kao i tekući termometri, ali se kao senzor obično koristi metalna spirala ili bimetalna traka.

Prozorski mehanički termometar

Postoje i elektronički toplomjeri. Princip rada elektroničkih termometara temelji se na promjeni otpora vodiča pri promjeni temperature okoline. Elektronski termometri šireg raspona temelje se na termoparovima (dodir između metala s različitim elektronegativnost stvara kontaktnu razliku potencijala ovisno o temperaturi). Najprecizniji i najstabilniji tijekom vremena su otporni termometri koji se temelje na platinastoj žici ili platinastim prskanjem po keramici. Najčešći su PT100 (otpor pri 0 °C - 100Ω) PT1000 (otpor pri 0 °C - 1000Ω) (IEC751). Ovisnost o temperaturi je gotovo linearna i pokorava se kvadratnom zakonu na pozitivnim temperaturama i jednadžbi 4. stupnja na negativnim (odgovarajuće konstante su vrlo male, te se u prvoj aproksimaciji ova ovisnost može smatrati linearnom). Raspon temperature -200 - +850 °C.

Medicinski elektronički termometar

Optički termometri omogućuju vam snimanje temperature zbog promjene razine osvjetljenja, spektra i drugih parametara kada se temperatura mijenja. Na primjer, infracrveni mjerači tjelesne temperature. Infracrveni termometar omogućuje mjerenje temperature bez izravnog kontakta s osobom. U nekim zemljama već dugo postoji tendencija napuštanja živinih termometara u korist infracrvenih, ne samo u medicinskim ustanovama, već i na razini kućanstava.

Infracrveni termometar

Ako mehanika u 18. stoljeću postaje zrelo, potpuno definirano područje prirodnih znanosti, onda znanost o toplini u biti čini tek prve korake. Naravno, novi pristup proučavanju toplinskih pojava pojavio se već u 17. stoljeću. Galilejev termoskop i termometri firentinskih akademika, Guerickea, Newtona koji su ga slijedili pripremili su tlo na kojem je izrasla termometrija već u prvoj četvrtini novoga stoljeća. Termometri Fahrenheita, Delislea, Lomonosova, Réaumura i Celzijusa, međusobno se razlikuju po konstrukcijskim značajkama, ujedno su odredili tip termometra s dvije konstantne točke, koji je i danas prihvaćen.

Još 1703. godine pariški akademik Amonton (1663.-1705.) konstruirao je plinski termometar u kojem se temperatura određivala pomoću manometrijske cijevi spojene na plinsko ležište stalnog volumena. Teoretski zanimljiv uređaj, prototip modernih vodikovih termometara, bio je nezgodan za praktične svrhe. Danziški (Gdanjsk) puhač stakla Fahrenheit (1686.-1736.) od 1709. proizvodi alkoholne termometre s fiksnim točkama. Od 1714. počeo je proizvoditi živine termometre. Fahrenheit je uzeo ledište vode na 32°, a vrelište vode na 212°. Fahrenheit je uzeo točku smrzavanja mješavine vode, leda i amonijaka ili soli kao nulu. On je vrelište vode nazvao tek 1724. godine u tiskanoj publikaciji. Ne zna se je li ga prije koristio.

Francuski zoolog i metalurg Réaumur (1683-1757) predložio je termometar sa stalnom nultom točkom, koju je uzeo kao ledište vode. Koristeći 80% alkoholnu otopinu kao termometrijsko tijelo, au konačnoj verziji živu, uzeo je vrelište vode kao drugu konstantnu točku, označivši je kao 80. Reaumur je opisao svoj termometar u člancima objavljenim u časopisu Paris Akademija znanosti 1730.1731 gg.

Réaumurov termometar ispitao je švedski astronom Celsius (1701.-1744.), koji je opisao svoje pokuse 1742. točno istu točku na termometru. Stavio sam termometar ne samo u led koji se otapao, nego sam i na velikoj hladnoći unosio snijeg u svoju sobu na vatru dok se nije počeo topiti. Također sam stavio kotao snijega koji se topi zajedno s termometrom u peć za grijanje i uvijek sam nalazio da termometar pokazuje istu točku, samo ako je snijeg čvrsto ležao oko kuglice termometra. Nakon što je pažljivo provjerio postojanost tališta leda, Celsius je ispitao vrelište vode i ustanovio da ono ovisi o tlaku. Kao rezultat istraživanja pojavio se novi termometar, sada poznat kao Celzijev termometar. Celsius je uzeo točku taljenja leda kao 100, točku vrenja vode pri tlaku od 25 inča 3 linije žive kao 0. Slavni švedski botaničar Carl Linnaeus (1707.-1788.) koristio je termometar s preuređenim konstantnim vrijednostima točke. O je značilo točku topljenja leda, 100 točku ključanja vode. Stoga je moderna Celzijeva ljestvica u biti Linnaeova ljestvica.

Na Peterburškoj akademiji znanosti akademik Delisle predložio je ljestvicu u kojoj je talište leda uzeto kao 150, a vrelište vode kao 0. Akademik PS Pallas u svojim je ekspedicijama 1768.-1774. na Uralu i u Sibiru koristio je delhijski termometar. M. V. Lomonosov je u svojim istraživanjima koristio termometar koji je sam dizajnirao sa skalom koja je bila inverzna deliverskoj.

Termometri su se prvenstveno koristili u meteorološke i geofizičke svrhe. Lomonosov, koji je otkrio postojanje vertikalnih strujanja u atmosferi, proučavajući ovisnost gustoće slojeva atmosfere o temperaturi, navodi podatke iz kojih se može odrediti koeficijent volumnog rastezanja zraka, koji, prema tim podacima, iznosi otprilike ]/367. Lomonosov je gorljivo branio prioritet peterburškog akademika Browna u otkrivanju ledišta žive, koji je 14. prosinca 1759. godine prvi zamrznuo živu uz pomoć rashladnih smjesa. To je bila najniža temperatura postignuta do tada.

Najviše temperature (bez kvantitativnih procjena) dobivene su 1772. godine od strane komisije Pariške akademije znanosti pod vodstvom poznatog kemičara Lavoisiera. Visoke temperature dobivene su pomoću posebno izrađene leće. Leća je sastavljena od dvije konkavno-konveksne leće, među kojima je prostor ispunjen alkoholom. Oko 130 litara alkohola uliveno je u leću promjera 120 cm, čija je debljina u središtu dosezala 16 cm.Fokusiranjem sunčevih zraka bilo je moguće rastopiti cink, zlato, spaliti dijamant. Kao u pokusima Brown-Lomonosova, gdje je "hladnjak" bio zimski zrak, tako je u pokusima Lavoisiera prirodna "peć" - Sunce - služila kao izvor visokih temperatura.

Razvoj termometrije bila je prva znanstvena i praktična primjena toplinskog širenja tijela. Naravno, sam fenomen toplinskog širenja počeo se proučavati ne samo kvalitativno, već i kvantitativno.Prva točna mjerenja toplinskog širenja čvrstih tijela izvršili su Lavoisier i Laplace 1782. Njihova metoda je dugo opisivana u tečajevima fizike , počevši s tečajem Biota, 1819., i završavajući s tečajem fizike O. D. Khvolsona, 1923.

Traka ispitnog tijela prvo je stavljena u otopljeni led, a zatim u kipuću vodu. Dobiveni su podaci za staklo raznih kvaliteta, čelik i željezo, kao i za različite stupnjeve zlata, bakra, mjedi, srebra, kositra, olova.Znanstvenici su otkrili da su rezultati različiti ovisno o načinu pripreme metala. Traka od neotvrdnutog čelika povećava se za 0,001079 svoje izvorne duljine kada se zagrije za 100 °, a od kaljenog čelika - za 0,001239. Za kovano željezo dobivena je vrijednost od 0,001220, a za okruglo vučeno željezo 0,001235. Ovi podaci daju ideju o točnosti metode.

Dakle, već u prvoj polovici 18. stoljeća nastaju termometri i započinju kvantitativna toplinska mjerenja, dovedena do visokog stupnja točnosti u termofizičkim eksperimentima Laplacea i Lavoisiera. Međutim, osnovni kvantitativni koncepti toplinske fizike nisu se odmah iskristalizirali. U djelima fizičara tog vremena postojala je znatna zbrka u konceptima kao što su "količina topline", "stupanj topline", "stupanj topline". Na potrebu razlikovanja pojmova temperature i količine topline ukazao je 1755. I.G. Lambert (1728.-1777.). Međutim, njegovi suvremenici nisu cijenili njegove upute, a razvoj ispravnih koncepata bio je spor.

Prvi pristupi kalorimetriji sadržani su u djelima peterburških akademika GV Krafta i GV Rikhmana (1711.-1753.). U Kraftovom članku " Razna iskustva s toplinom i hladnoćom”, predstavljen na konferenciji Akademije 1744. i objavljen 1751., radi se o problemu određivanja temperature smjese dvaju dijelova tekućine uzetih na različitim temperaturama. Ovaj problem se u udžbenicima često nazivao "Richmannov problem", iako je Richmann riješio općenitiji i više težak zadatak nego Kraft. Kraft je dao netočnu empirijsku formulu za rješavanje problema.

Potpuno drugačiji pristup rješavanju problema nalazimo kod Richmanna. U članku “Razmišljanja o količini topline koju treba dobiti miješanjem tekućina s određenim stupnjevima topline”, objavljenom 1750., Richmann postavlja problem određivanja temperature mješavine nekoliko (a ne dva, kao u Kraftu) tekućine i rješava ga na temelju načela toplinska ravnoteža. “Pretpostavimo,” kaže Richman, “da je masa tekućine a; toplina raspodijeljena u ovoj masi jednaka je m; drugu masu u kojoj mora biti raspodijeljena ista toplina m kao u masi a, neka bude jednaka a + b. Zatim nastala toplina

jednako je am/(a+b). Ovdje Richmann misli na temperaturu pod "toplinom", ali princip koji je formulirao da je "ista toplina obrnuto proporcionalna masama na koje je raspoređena" čisto je kalorimetrijski. “Dakle”, piše dalje Richmann, “toplina mase a, jednake m, i toplina mase b, jednake n, jednoliko su raspoređene po masi a + b, a toplina u toj masi, tj. mješavina a i b, mora biti jednaka zbroju toplina m + n raspoređenih u masi a + b, ili jednaka (ma + nb) / (a + b) . Upravo se ta formula pojavila u udžbenicima kao “Richmannova formula”. „Da dobijem više opća formula, - nastavlja Richmann, - pomoću koje bi bilo moguće odrediti stupanj topline pri miješanju 3, 4, 5 itd. masa iste tekućine s različitim stupnjevima topline, nazvao sam te mase a, b, c, d , e itd., a odgovarajuće topline su m, p, o, p, q itd. Na potpuno isti način pretpostavio sam da je svaka od njih raspoređena po ukupnosti svih masa. Kao rezultat, "toplina nakon miješanja svih toplih masa jednaka je:

(am + bp + co + dp + eq), itd. / (a + b + c + d + e), itd.,

tj. zbroj tekućih masa, po kojima se tijekom miješanja ravnomjerno raspoređuje toplina pojedinih masa, odnosi se prema zbroju svih produkata svake mase i njezine topline na isti način kao jedinica prema toplini smjese.

Richmann još nije ovladao pojmom količine topline, ali je napisao i logički potkrijepio potpuno ispravnu kalorimetrijsku formulu.Lako je otkrio da se njegova formula bolje slaže s iskustvom nego Krafgova formula. Ispravno je utvrdio da njegove "topline" nisu "stvarna toplina, već višak topline mješavine u usporedbi s nula stupnjeva Fahrenheita." Jasno je shvatio da: 1. "Toplina smjese raspoređena je ne samo po samoj njezinoj masi, već i po stijenkama posude i samom termometru." 2. "Sopstvena toplina termometra i toplina posude raspoređene su i po smjesi, i po stijenkama posude u kojoj se smjesa nalazi, i po termometru." 3. “Dio topline smjese, u tom vremenskom periodu dok se eksperiment izvodi, prelazi u okolni zrak...”

Richmann je precizno formulirao izvore pogrešaka u kalorimetrijskim pokusima, ukazao na razloge nesklada između Kraftove formule i pokusa, odnosno postavio je temelje kalorimetrije, iako on sam još nije došao do pojma količine topline. Richmannov rad nastavili su švedski akademik Johann Wilke (1732-1796) i škotski kemičar Joseph Black (1728-1799). Oba su znanstvenika, oslanjajući se na Richmannovu formulu, smatrala potrebnim uvesti nove pojmove u znanost. Wilke je, istražujući toplinu mješavine vode i snijega 1772. godine, otkrio da dio topline nestaje.Odavde je došao do pojma latentne topline topljenja snijega i potrebe uvođenja novog pojma, koji je kasnije dobio naziv "toplinski kapacitet".

Black je također došao do istog zaključka bez objave svojih rezultata. Njegove su studije objavljene tek 1803. godine, a tada se saznalo da je Black prvi jasno razgraničio pojmove količine topline i temperature, prvi uveo pojam "toplinski kapacitet". Još 1754.-1755. Black je otkrio ne samo postojanost tališta leda, već i da termometar ostaje na istoj temperaturi, unatoč dotoku topline, sve dok se sav led ne otopi. Odavde je Black došao do koncepta latentne topline fuzije. Kasnije je uspostavio koncept latentne topline isparavanja. Tako su do 70-ih godina 18. stoljeća uspostavljeni osnovni kalorimetrijski pojmovi. Tek nakon gotovo stotinu godina (1852.) uvedena je jedinica-količina topline, koja je kasnije dobila naziv "kalorija". ( Clausius također govori jednostavno o jedinici topline i ne koristi izraz "kalorija".)

Godine 1777. Lavoisier i Laplace, izgradivši ledeni kalorimetar, odredili su specifične toplinske kapacitete raznih tijela. Aristotelovska primarna kvaliteta-toplina počela se proučavati metodom egzaktnog pokusa.

Postojale su i znanstvene teorije o toplini. Jedna, najčešća koncepcija (kojeg se držao i Black) je teorija o posebnom toplinskom fluidu - kalorijskom. Drugi, čiji je gorljivi zagovornik bio Lomonosov, smatrao je toplinu nekom vrstom gibanja "neosjetljivih čestica". Koncept kalorija bio je vrlo prikladan za opis kalorimetrijskih činjenica: Richmannova formula i kasnije formule koje uzimaju u obzir latentne topline mogle su se savršeno objasniti. Kao rezultat toga, teorija kalorija dominirala je sve do sredine 19. stoljeća, kada je otkriće zakona održanja energije prisililo je fizičare da se vrate konceptu koji je uspješno razvio Lomonosov stotinjak godina prije otkrića tog zakona.

Ideja da je toplina oblik gibanja bila je vrlo česta u 17. stoljeću. f. Bacon u The New Organon, primjenjujući svoju metodu na proučavanje prirode topline, dolazi do zaključka da je "toplina kretanje širenja, otežano i događa se u malim dijelovima." Descartes konkretnije i jasnije govori o toplini kao o gibanju malih čestica. Razmatrajući prirodu vatre, dolazi do zaključka da je "tijelo plamena ... sastavljeno od najsitnijih čestica, koje se vrlo brzo i silovito kreću odvojeno jedna od druge." Nadalje, on ističe da se "samo to kretanje, ovisno o različitim radnjama koje proizvodi, naziva ili toplinom ili svjetlošću". Osvrćući se na ostala tijela, on navodi da “da male čestice koje ne zaustavljaju svoje kretanje ima ne samo u vatri, nego i u svim drugim tijelima, iako u ovim posljednjim njihovo djelovanje nije toliko jako, nego zbog svojom malom veličinom one same ne mogu se vidjeti nijednim našim osjetilima."

Atomizam je dominirao fizičkim pogledima znanstvenika i mislilaca 17. stoljeća. Hooke, Huygens, Newton predstavljali su sva tijela Svemira kao da se sastoje od najsitnijih čestica, "neosjetljivih", kako ih je kasnije kratko nazvao Lomonosov. Koncept topline kao oblika gibanja ovih čestica znanstvenicima se činio sasvim razumnim. Ali te ideje o toplini bile su kvalitativne prirode i nastale su na vrlo oskudnoj činjeničnoj osnovi. U XVIII stoljeću. saznanja o toplinskim pojavama postala su preciznija i određenija, a velik napredak učinila je i kemija, u kojoj je teorija flogistona, prije otkrića kisika, pomogla u razumijevanju procesa izgaranja i oksidacije. Sve je to pridonijelo usvajanju novog gledišta na toplinu kao posebnu tvar, a prvi uspjesi kalorimetrije učvrstili su položaj pristaša kalorija. Bila je potrebna velika znanstvena hrabrost da se razvije kinetička teorija topline u ovoj situaciji.

Kinetička teorija topline prirodno se spojila s kinetičkom teorijom materije, a prije svega zraka i para. Plinovi (riječ "plin" uveo je Van Helmont; 1577.-1644.) u biti još nisu bili otkriveni, a čak je i Lavoisier smatrao paru spojem vode i vatre. Sam Lomonosov, promatrajući otapanje željeza u jakoj votki (dušična kiselina), smatra

mjehurići dušika koje oslobađa zrak. Tako su zrak i para bili gotovo jedini plinovi u vrijeme Lomonosova - "elastične tekućine", prema tadašnjoj terminologiji.

D. Bernoulli je u svojoj "Hidrodinamici" zamislio zrak koji se sastoji od čestica koje se kreću "iznimno brzo u različitim smjerovima", te je vjerovao da te čestice tvore "elastični fluid". Bernoulli je svojim modelom "elastičnog fluida" potkrijepio Boyle-Mariotteov zakon. Uspostavio je vezu između brzine čestica i zagrijavanja zraka i time objasnio povećanje elastičnosti zraka pri zagrijavanju. Bio je to prvi pokušaj u povijesti fizike tumačenja ponašanja plinova kretanjem molekula, pokušaj nedvojbeno briljantan, a Bernoulli je ušao u povijest fizike kao jedan od utemeljitelja kinetičke teorije plinova.

Šest godina nakon objavljivanja Hidrodinamike, Lomonosov je akademskoj skupštini predstavio svoje djelo Razmišljanja o uzroku topline i hladnoće. Objavljena je tek šest godina kasnije, 1750., zajedno s drugim, kasnijim djelom, Iskustvo iz teorije elastičnosti zraka. Dakle, Lomonosovljeva teorija elastičnosti plinova neraskidivo je povezana s njegovom teorijom topline i oslanja se na potonju.

D. Bernoulli je također veliku pozornost posvetio pitanjima topline, posebice pitanju ovisnosti gustoće zraka o temperaturi. Ne ograničavajući se na pozivanje na Amontonove pokuse, on je sam pokušao eksperimentalno odrediti ovisnost elastičnosti zraka o temperaturi. “Otkrio sam”, piše Bernoulli, “da je elastičnost zraka, koji je ovdje u Petrogradu 25. prosinca 1731. bio vrlo hladan, čl. Art., odnosi se na elastičnost istog zraka, koji ima toplinu zajedničku s kipućom vodom, kao 523 prema 1000. Ova Bernoullijeva vrijednost očito je pogrešna, budući da pretpostavlja da temperatura hladnog zraka odgovara -78°C.

Lomonosovljevi analogni proračuni koji su gore spomenuti mnogo su točniji. S druge strane, konačni Bernoullijev rezultat je vrlo izvanredan, da su "elastičnosti u omjeru sastavljenom od kvadrata brzina čestica i prve potencije gustoća", što u potpunosti odgovara osnovnoj jednadžbi kinetičke teorije. plinova u modernoj prezentaciji.

Bernoulli se uopće nije dotakao pitanja prirode topline, koje je središnje mjesto u Lomonosovljevoj teoriji. Lomonosov pretpostavlja da je toplina oblik gibanja neosjetljivih čestica. On razmatra moguću prirodu ovih kretanja: translacijsku, rotacijsku i oscilatornu - i navodi da se "toplina sastoji u unutarnjem rotacijskom gibanju vezane tvari".

Uzimajući kao polazište hipotezu o rotacijskom gibanju molekula kao uzroku topline, Lomonosov iz toga izvodi niz posljedica: 1) molekule (korpuskule) imaju sferičan oblik; 2) “... pri bržoj rotaciji čestica vezane tvari toplina bi trebala rasti, a pri sporijoj rotaciji opadati; 3) čestice vrućih tijela rotiraju brže, hladnije - sporije; 4) vruća tijela moraju se hladiti kada dođu u dodir s hladnim, jer usporava kalorično kretanje čestica; naprotiv, hladna tijela trebala bi se zagrijati zbog ubrzanja kretanja pri dodiru. Dakle, prijelaz topline s vrućeg tijela na hladno tijelo opažen u prirodi potvrda je Lomonosovljeve hipoteze.

Vrlo je značajna činjenica da je Lomonosov izdvojio prijenos topline kao jednu od glavnih posljedica, pa neki autori to vide kao razlog da Lomonosova svrstavaju među otkrivače drugog zakona termodinamike. Malo je, međutim, vjerojatno da se gornja tvrdnja može smatrati primarnom formulacijom drugog zakona, ali cijeli je rad u cjelini nedvojbeno prvi nacrt termodinamike. Tako Lomonosov u njemu objašnjava stvaranje topline tijekom trenja, što je poslužilo kao eksperimentalna osnova za prvi zakon u Jouleovim klasičnim pokusima. Lomonosov nadalje, dotičući se pitanja prijenosa topline s vrućeg tijela na hladno, poziva se na sljedeću tvrdnju: “Tijelo A, djelujući na tijelo B, ne može potonjem dati veću brzinu gibanja od one koju ima. .” Ova je odredba specifičan slučaj "univerzalnog zakona očuvanja". Polazeći od te tvrdnje, on dokazuje da hladno tijelo B, uronjeno u toplu tekućinu A, "očito ne može apsorbirati veći stupanj topline od onoga koji ima L."

Lomonosov odgađa pitanje toplinske ekspanzije "za neki drugi put", do razmatranja elastičnosti zraka. Njegov termodinamički rad je stoga izravno povezan s njegovim kasnijim radom na elastičnosti plinova. No, govoreći o namjeri da se razmatranje toplinskog širenja odgodi "za neki drugi put", Lomonosov i ovdje ističe da, budući da ne postoji gornja granica brzine čestica (teorija relativnosti još ne postoji!), postoji također nema gornje granice temperature. Ali "po nužnosti mora postojati najveći i posljednji stupanj hladnoće, koji se mora sastojati u potpunom prestanku rotacijskog gibanja čestica." Lomonosov, dakle, tvrdi postojanje "posljednjeg stupnja hladnoće" - apsolutne nule.

Zaključno, Lomonosov kritizira teoriju kalorija, koju smatra povratkom ideje starih o elementarnoj vatri. Analizirajući različite fenomene, kako fizikalne tako i kemijske, povezane s oslobađanjem i apsorpcijom topline, Lomonosov zaključuje da se “toplina tijela ne može pripisati kondenzaciji neke tanke, posebno oblikovane materije, već da se toplina sastoji u unutarnjem rotacijskom gibanju tijela. vezana tvar zagrijanih tijela." Pod "vezanom" materijom Lomonosov razumije materiju čestica tijela, razlikujući je od "tekuće" materije, koja može teći "kao rijeka" kroz pore tijela.

Istovremeno, Lomonosov uključuje svjetski eter u svoj termodinamički sustav, daleko ispred ne samo svog vremena, već i 19. stoljeća. “Dakle,” nastavlja Lomonosov, “ne samo da kažemo da su takvo gibanje i toplina također svojstveni toj najfinijoj materiji etera, koja ispunjava sve prostore koji ne sadrže osjetljiva tijela, nego također potvrđujemo da materija etera može prenose toplinsko gibanje primljeno od sunca, naše zemlje i ostalih tijela svijeta i zagrijavaju ih, budući da su medij kojim tijela udaljena jedno od drugog prenose toplinu bez posredovanja bilo čega opipljivog.

Dakle, davno prije Boltzmanna, Golicina i Wiena, Lomonosov je toplinsko zračenje uključio u termodinamiku. Lomonosovljeva termodinamika je izvanredno dostignuće znanstvene misli 18. stoljeća, daleko ispred svog vremena.

Postavlja se pitanje: zašto je Lomonosov odbio translatorno gibanje čestica smatrati toplinskim gibanjem i zaustavio se na rotacijskom gibanju? Ta je pretpostavka uvelike oslabila njegov rad, te se teorija D. Bernoullija mnogo više približila kasnijim studijama Clausiusa i Maxwella nego teorija Lomonosova. O tome je Lomonosov imao vrlo duboka razmatranja. Morao je objasniti tako kontradiktorne stvari kao što su kohezija i elastičnost, kohezija čestica tijela i sposobnost tijela da se šire. Lomonosov je bio gorljivi protivnik sila velikog dometa i nije im mogao pribjeći kada je razmatrao molekularnu strukturu tijela. Također nije htio svesti objašnjenje elastičnosti plinova na elastične udare čestica, tj. elastičnost objasniti elastičnošću. Tražio je mehanizam koji bi na najprirodniji način objasnio i elastičnost i toplinsko širenje. U svom djelu "Iskustvo u teoriji elastičnosti zraka" odbacuje hipotezu o elastičnosti samih čestica, koje su, prema Lomonosovu, "lišene bilo kakvog fizičkog sastava i organizirane strukture ..." i atomi su. Dakle, svojstvo elastičnosti ne pokazuju pojedinačne čestice koje nemaju nikakvu fizičku složenost i organiziranu strukturu, već su proizvedene njihovom kombinacijom. Dakle, elastičnost plina (zraka), prema Lomonosovu, je "svojstvo kolektiva atoma". Sami atomi, prema Lomonosovu, "trebaju biti čvrsti i imati proširenje", on smatra njihov oblik "vrlo bliskim" sferičnom. Fenomen topline nastale trenjem tjera ga da prihvati hipotezu da su "atomi zraka grubi". Činjenica da je elastičnost zraka proporcionalna gustoći navodi Lomonosova na zaključak "da dolazi od neke vrste izravne interakcije njegovih atoma." Ali atomi, prema Lomonosovu, ne mogu djelovati na daljinu, već djeluju samo u kontaktu. Stlačivost zraka dokazuje prisutnost praznih praznina u njemu, koje onemogućuju međusobno djelovanje atoma. Odavde Lomonosov dolazi do dinamičke slike, kada se međudjelovanje atoma u vremenu zamjenjuje stvaranjem praznog prostora između njih, a prostorno razdvajanje atoma zamjenjuje kontakt. “Dakle, očito je da se pojedinačni atomi zraka, u nasumičnim izmjenama, sudaraju s najbližima u neosjetljivim intervalima, a kada su neki u kontaktu, drugi se odbijaju jedan od drugoga i sudaraju s onima koji su im najbliži, kako bi se ponovno odbili ; stoga, neprestano odbijani jedni od drugih čestim međusobnim udarima, teže se razbježati na sve strane. Lomonosov u tom raspršenju u svim smjerovima vidi elastičnost. "Sila elastičnosti sastoji se u želji zraka da se širi u svim smjerovima."

Međutim, potrebno je objasniti zašto se atomi međusobno odbijaju. Razlog tome je, prema Lomonosovu, toplinsko gibanje: "Međusobni utjecaj atoma zraka nastaje samo zbog topline." A budući da se toplina sastoji od rotacijskog gibanja čestica, da bismo objasnili njihovo odbijanje dovoljno je razmotriti što se događa kada dvije rotirajuće sferne grube čestice dođu u dodir. Lomonosov pokazuje da će se oni odgurnuti jedan od drugoga, ilustrira to primjerom, njemu dobro poznatim iz djetinjstva, odbijanja vrhova ("glave preko pete") koje dječaci puštaju na led. Kada se takve vrčevi dodiruju, odbijaju se jedna od druge na znatne udaljenosti. Dakle, elastični sudari atoma, prema Lomonosovu, nastaju zbog međudjelovanja njihovih rotacijskih momenata. Zato mu je trebala hipoteza o toplinskom rotacijskom gibanju čestica! Time je Lomonosov u potpunosti potkrijepio model elastičnog plina koji se sastoji od čestica koje se nasumično kreću i sudaraju.

Ovaj model omogućio je Lomonosovu ne samo da objasni Boyle-Mariotteov zakon, već i da predvidi odstupanja od njega pri visokim kompresijama. Objašnjenje zakona i odstupanja od njega daje Lomonosov u djelu "Dodatak razmišljanjima o elastičnosti zraka", objavljenom u istom svesku "Novih komentara" Sanktpeterburške akademije znanosti, u kojem su dva prethodna objavljeni su i radovi. U djelima Lomonosova postoje i netočne izjave, koje su u potpunosti objašnjene razinom znanja tog vremena. Ali oni ne određuju značaj znanstvenikova rada. Nemoguće je ne diviti se hrabrosti i dubini Lomonosovljeve znanstvene misli, koji je u povojima znanosti o toplini stvorio snažan teorijski koncept koji je bio daleko ispred svoje ere. Suvremenici nisu slijedili put Lomonosova, u teoriji topline, kako je rečeno, vladala je kalorija, fizikalno razmišljanje 18. stoljeća zahtijevalo je različite tvari: toplinske, svjetlosne, električne, magnetske. To se obično smatra metafizičkom prirodom razmišljanja prirodoslovaca 18. stoljeća, donekle njegovom reakcionarnošću. Ali zašto je postalo ovako? Čini se da razlog tome leži u napretku egzaktne prirodne znanosti. U XVIII stoljeću. naučili mjeriti toplinu, svjetlost, elektricitet, magnetizam. Za sva ta sredstva pronađene su mjere, kao što su davno pronađene za obične mase i volumene. Ova činjenica približila je bestežinske agense običnim masama i tekućinama, prisilila nas da ih smatramo analogima običnih tekućina. Koncept "bez težine" bio je nužna faza u razvoju fizike, omogućio je dublji uvid u svijet toplinskih, električnih i magnetskih pojava. Pridonio je razvoju preciznog eksperimenta, prikupljanju brojnih činjenica i njihovoj primarnoj interpretaciji.

Pitanje "Što je temperaturna ljestvica?" - pogodan za svakog fizičara - od studenta do profesora. Za potpuni odgovor na njega bila bi potrebna cijela knjiga i mogla bi poslužiti kao dobra ilustracija promjene pogleda i napretka fizičara u posljednja četiri stoljeća.
Temperatura je stupanj topline na određenoj ljestvici. Za grubu procjenu, bez termometra, možete koristiti osjetljivost vlastitu kožu ali naši su osjećaji topline i hladnoće ograničeni i nepouzdani.

Iskustvo. Osjetljivost kože na toplinu i hladnoću. Ovo iskustvo je vrlo poučno. Stavite tri posude s vodom: jednu vrlo vruću, drugu umjereno toplu i treću vrlo hladnu. Umočiti 3 minute jednu ruku u vruću, a drugu u hladnu posudu. Zatim spustite obje ruke u zdjelicu sa Topla voda. Pitajte sada svaku ruku što vam "govori" o temperaturi vode?

Termometar nam točno govori koliko je neka stvar vruća ili hladna; uz njegovu pomoć možemo usporediti stupanj zagrijavanja različitih objekata, koristeći ga uvijek iznova, možemo uspoređivati opažanja napravljena u različito vrijeme. Opremljen je određenom nepromjenjivom, reproducibilnom ljestvicom - karakterističnim dodatkom svakoga dobar uređaj. Način izrade termometra i sam uređaj diktiraju nam ljestvicu i mjerni sustav koji moramo koristiti. Prijelaz s grubih osjeta na instrument s ljestvicom nije samo poboljšanje u našem pletenju. Izmišljamo i uvodimo novi koncept - temperaturu.
Naša gruba ideja toplog i hladnog sadrži koncept temperature u embriju. Studije pokazuju da se prilikom zagrijavanja mnoga najvažnija svojstva stvari mijenjaju i. za proučavanje ovih promjena potrebni su termometri. Raširena uporaba termometara u svakodnevnom životu zasjenila je značenje pojma temperature. Zamišljamo termometar kao sredstvo za mjerenje temperature našeg tijela, zraka ili vode za kupanje, dok on zapravo pokazuje samo vlastitu temperaturu. Promjene temperature od 60 do 70° i od 40 do 50° smatramo istima. Međutim, očito nemamo nikakva jamstva da su doista isti. Ostaje nam da ih smatramo istima po definiciji.Termometri su nam i dalje korisni kao vjerne sluge. No krije li se iza njihovog odanog “lica” stvarno njezina ekselencija temperatura?

Jednostavni termometri i Celzijeva ljestvica
Temperatura u termometrima pokazuje se kapljicom tekućine (živa ili obojeni alkohol) koja se širi zagrijavanjem, a nalazi se u cijevi s podjelama. Da bi se ljestvica jednog termometra poklapala s drugom, uzmemo dvije točke: topljenje leda i kipuću vodu u standardnim uvjetima i dodijelimo im podjele 0 i 100, a interval između njih podijelimo na 100 jednakih dijelova. Dakle, ako je prema jednom termometru temperatura vode u kadi 30°, onda će bilo koji drugi termometar (ako je ispravno kalibriran) pokazati isto, čak i ako ima mjehurić i cijev potpuno druge veličine . U prvom termometru živa se širi 30/100 od točke taljenja do točke ključanja. Razumno je očekivati da će se i kod drugih toplomjera živa toliko raširiti i da će i oni pokazivati 30°. Ovdje se oslanjamo na univerzalnost prirode 2>.
Pretpostavimo sada da smo uzeli drugu tekućinu, poput glicerina. Hoće li dati istu ljestvicu u istim točkama? Naravno, da bi se složio sa živinim termometrom, glicerinski termometar mora imati 0° kada se led topi i 100° kada voda ključa. Ali hoće li očitanja termometra biti ista na srednjim temperaturama? Ispada da nije kada živin termometar pokazuje 50,0 ° C, glicerinski termometar pokazuje 47,6 ° C. U usporedbi sa živinim termometrom, glicerinski termometar malo zaostaje u prvoj polovici puta između točke taljenja leda i vrenja točka vode. (Možete napraviti termometre koji će dati još veće odstupanje. Na primjer, termometar s vodenom parom očitao bi 12° na mjestu gdje je živa 50°!

To rezultira takozvanom Celzijevom ljestvicom, koja se danas široko koristi. U SAD-u, Engleskoj i nekim drugim zemljama koristi se Fahrenheitova ljestvica na kojoj su točke topljenja leda i kipuće vode označene brojevima 32 i 212. U početku je Fahrenheitova ljestvica građena na dvije druge točke. Temperatura smjese za smrzavanje uzeta je kao nula, a broj 96 (broj koji se može podijeliti na veliki broj faktora i stoga je prikladan za korištenje) uspoređen je s normalnom temperaturom ljudskog tijela. Nakon izmjene, kada su cijeli brojevi uspoređeni sa standardnim točkama, pokazalo se da je tjelesna temperatura između 98 i 99. Sobna temperatura 68 ° R odgovara 20 ° C. Iako prijelaz s jedne ljestvice na drugu mijenja numeričku vrijednost jedinica temperature, to ne utječe na sam koncept temperature. Najnoviji međunarodni sporazum uveo je još jednu promjenu: umjesto standardnih točaka topljenja leda i kipuće vode, koje određuju ljestvicu, usvojene su "apsolutna nula" i "trostruka točka" za vodu. Iako je ova promjena u definiciji temperature temeljna, nema velike razlike u normalnom znanstvenom radu. Za trostruku točku broj je odabran tako da se nova ljestvica vrlo dobro slaže sa starom.
2> Ovo razmišljanje je pomalo naivno. Staklo se također širi.Utječe li širenje stakla na visinu živinog stupca? Što iz tog razloga, osim jednostavnog širenja žive, pokazuje termometar? Recimo da dva termometra sadrže čistu živu, ali su njihove kuglice napravljene od različitih vrsta stakla s različitim rasterom. Hoće li to utjecati na rezultat?

Dugotrajni termometri

Instrumenti za mjerenje temperature koji su danas široko rasprostranjeni igraju važnu ulogu u znanosti, tehnologiji, u svakodnevnom životu ljudi, imaju dugu povijest i povezani su s imenima mnogih briljantnih znanstvenika. različite zemlje, uključujući ruski i rad u Rusiji.

Detaljan opis povijest stvaranja čak i običnog tekućeg termometra može zauzeti cijelu knjigu, uključujući priče o stručnjacima u različitim područjima - fizičarima i kemičarima, filozofima i astronomima, matematičarima i mehaničarima, zoolozima i botaničarima, klimatolozima i puhačima stakla.

Bilješke koje slijede ne pretendiraju na to da upotpune prikaz ove vrlo zabavne priče, ali mogu biti korisne za upoznavanje područja znanja i područja tehnike čije je ime termometrija.

Temperatura

Temperatura je jedan od najvažnijih pokazatelja koji se koristi u raznim granama prirodnih znanosti i tehnologije. U fizici i kemiji koristi se kao jedna od glavnih karakteristika stanja ravnoteže izoliranog sustava, u meteorologiji - kao glavna karakteristika klime i vremena, u biologiji i medicini - kao najvažnija veličina koja određuje vitalne funkcije.

Čak je i starogrčki filozof Aristotel (384.–322. pr. Kr.) pojmove topline i hladnoće smatrao temeljnima. Zajedno s takvim kvalitetama kao što su suhoća i vlažnost, ovi koncepti karakteriziraju četiri elementa "primarne materije" - zemlju, vodu, zrak i vatru. Iako se u to vrijeme i nekoliko stoljeća kasnije već govorilo o stupnju topline ili hladnoće (“toplije”, “vruće”, “hladnije”), nije bilo kvantitativnih mjera.

Prije otprilike 2500 godina starogrčki liječnik Hipokrat (oko 460. - oko 370. pr. Kr.) uvidio je da je povišena temperatura ljudskog tijela znak bolesti. Došlo je do problema u određivanju normalne temperature.

Jedan od prvih pokušaja uvođenja pojma standardne temperature napravio je starorimski liječnik Galen (129. - oko 200.), koji je predložio da se temperatura mješavine jednakih volumena kipuće vode i leda smatra "neutralnom". , a temperature pojedinih komponenti (kipuće vode i topljenja leda) treba se smatrati toplim od četiri stupnja, odnosno hladnim četiri stupnja. Vjerojatno Galenu dugujemo uvođenje tog pojma temperament(izjednačiti), od čega je izvedena riječ "temperatura". Međutim, temperatura se počela mjeriti mnogo kasnije.

Termoskop i prvi zračni termometri

Povijest mjerenja temperature ima tek nešto više od četiri stoljeća. Na temelju sposobnosti zraka da se širi pri zagrijavanju, koju su opisali stari bizantski Grci još u 2. st. pr. Kr., nekoliko izumitelja stvorilo je termoskop - najjednostavniji uređaj sa staklenom cijevi napunjenom vodom. Treba reći da su se Grci (prvi Europljani) sa staklom upoznali već u 5. stoljeću, u 13. stoljeću. pojavila su se prva staklena venecijanska zrcala, do 17.st. staklarstvo u Europi postalo je prilično razvijeno, a 1612. pojavio se prvi priručnik "De arte vitraria"(“O umijeću izrade stakla”) Firentinca Antonija Nerija (umro 1614.).

Staklarstvo je bilo posebno razvijeno u Italiji. Stoga ne čudi što su se upravo ondje pojavili prvi stakleni instrumenti. Prvi opis termoskopa nalazi se u knjizi napuljskog prirodoslovca, koji se bavio keramikom, staklom, umjetnim dragim kamenjem i destilacijom, Giovanni Battista de la Porta (1535.-1615.) Magia Naturalis("Prirodna magija"). Izdanje je objavljeno 1558. godine.

Godine 1590 talijanski fizičar, mehaničar, matematičar i astronom Galileo Galilei (1564.-1642.), prema riječima svojih učenika Nellia i Vivianija, izgradio je svoj stakleni termobaroskop u Veneciji koristeći mješavinu vode i alkohola; mjerenja se mogu vršiti ovim instrumentom. Neki izvori govore da je Galileo koristio vino kao obojenu tekućinu. Radni fluid bio je zrak, a promjene temperature određene su volumenom zraka u uređaju. Uređaj je bio neprecizan, očitanja su mu ovisila i o temperaturi i o tlaku, ali je omogućio da se stupac tekućine "ispusti" promjenom tlaka zraka. Opis ove naprave dao je 1638. godine Galilejev učenik Benadetto Castelli.

Bliska komunikacija između Santoria i Galilea onemogućuje određivanje doprinosa svakog od njih njihovim brojnim tehničkim inovacijama. Santorio je poznat po svojoj monografiji "Destatična medicina"(“O medicini ravnoteže”), koja sadrži rezultate njegovih eksperimentalnih istraživanja i izdržala je pet izdanja. Godine 1612. Santorio u svom djelu "Commentaria in artem medicinalem Galeni"("Notes on the Medical Art of Galen") prvi je opisao zračni termometar. Također je koristio termometar za mjerenje temperature ljudskog tijela ("pacijenti stisnu bocu rukama, dišu na nju pokriveno, uzimaju je u usta"), koristio se klatnom za mjerenje pulsa. Njegova se metoda sastojala u fiksiranju brzine pada očitanja termometra tijekom deset zamaha njihala, ovisila je o vanjskim uvjetima i bila je netočna.

Instrumente slične Galilejevom termoskopu izradili su nizozemski fizičar, alkemičar, mehaničar, graver i kartograf Cornelis Jacobson Drebbel (1572–1633) i engleski mistik i medicinski filozof Robert Fludd (1574–1637), koji su navodno bili upoznati s radom firentinski znanstvenici. Bio je to Drebbelov uređaj koji je prvi (1636.) nazvan "termometrom". Izgledao je kao cijev u obliku slova U s dva rezervoara. Dok je radio na tekućini za svoj termometar, Drebbel je otkrio način kako napraviti svijetle boje karmina. Fludd je pak opisao zračni termometar.

Prvi tekući termometri

Sljedeći mali, ali važan korak prema transformaciji termoskopa u moderni tekući termometar bila je uporaba tekućine i staklene cijevi zatvorene na jednom kraju kao radnog medija. Koeficijenti toplinskog širenja tekućina manji su od koeficijenata plinova, ali se volumen tekućine ne mijenja s promjenom vanjskog tlaka. Ovaj korak je učinjen oko 1654. godine u radionicama velikog vojvode Toskane, Ferdinanda II de' Medicija (1610.-1670.).

U međuvremenu su počela sustavna meteorološka mjerenja u raznim europskim zemljama. Svaki je znanstvenik u to vrijeme koristio svoju temperaturnu ljestvicu, a rezultati mjerenja koji su došli do nas ne mogu se međusobno uspoređivati niti povezivati s modernim stupnjevima. Pojam temperaturnog stupnja i referentnih točaka temperaturne ljestvice očito se pojavio u nekoliko zemalja još u 17. stoljeću. Majstori su na oko nanijeli 50 podjeljaka tako da na temperaturi topljenja snijega stupac alkohola nije padao ispod 10. podjeljka, a na suncu se nije penjao iznad 40. podjeljka.

Jedan od prvih pokušaja kalibracije i standardizacije termometara učinjen je u listopadu 1663. godine u Londonu. Članovi Kraljevskog društva pristali su koristiti jedan od alkoholnih termometara koji je izradio fizičar, mehaničar, arhitekt i izumitelj Robert Hooke (1635.-1703.) kao standard i s njim usporediti očitanja drugih termometara. Hooke je u alkohol uveo crveni pigment, ljestvica je podijeljena na 500 dijelova. Također je izumio minimalni termometar (pokazuje najnižu temperaturu).

Nizozemski teorijski fizičar, matematičar, astronom i izumitelj Christian Huygens (1629. – 1695.) 1665. godine zajedno s R. Hookeom predložio je korištenje temperatura topljenja leda i kipuće vode za izradu temperaturne ljestvice. Prvi razumljivi meteorološki zapisi zabilježeni su pomoću Hooke-Huygensove ljestvice.

Prvi opis pravog tekućeg termometra pojavio se 1667. u publikaciji Accademia del Cimento * "Eseji o prirodnim znanstvenim aktivnostima Akademije za eksperimente." Na Akademiji su izvedeni i opisani prvi pokusi iz područja kalorimetrije. Pokazalo se da pod vakuumom voda vrije na nižoj temperaturi nego na atmosferskom tlaku, a da se pri smrzavanju širi. "Firencijski termometri" bili su naširoko korišteni u Engleskoj (uveo R. Boyle) iu Francuskoj (distribuiran zahvaljujući astronomu I. Bullou). Autor poznate ruske monografije "Pojmovi i osnove termodinamike" (1970.) I.R.Krichevsky smatra da je upravo rad Akademije postavio temelje za korištenje tekućinskih termometara.

Jedan od članova Akademije, matematičar i fizičar Carlo Renaldini (1615–1698) u svom eseju Philosophia naturalis("Natural Philosophy"), objavljen 1694., predložio je da se kao referentne točke uzmu temperature topljenja leda i kipuće vode.

Rođen u njemačkom gradu Magdeburgu, termometrima se bavio i inženjer strojarstva, elektrotehnike, astronom, izumitelj zračne pumpe Otto von Guericke (1602.–1686.), koji se proslavio iskustvom s magdeburškim hemisferama. Godine 1672. izgradio je vodeno-alkoholnu napravu visoku nekoliko metara sa ljestvicom koja je imala osam podjela: od "vrlo hladno" do "vrlo vruće". Dimenzije strukture, mora se priznati, nisu unaprijedile termometriju.

Guerickeova gigantomanija našla je sljedbenike u Sjedinjenim Državama tri stoljeća kasnije. Najveći termometar na svijetu, visok 40,8 m (134 stope), izgrađen je 1991. godine u znak sjećanja na rekordno visoku temperaturu postignutu u kalifornijskoj Dolini smrti 1913. godine: +56,7 °C (134 °F). Trosmjerni termometar nalazi se u gradiću Baker u blizini Nevade.

Prve precizne termometre koji su ušli u široku upotrebu izradio je njemački fizičar Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736). Izumitelj je rođen na području današnje Poljske, u Gdanjsku (tadašnjem Danzigu), rano je ostao siroče, počeo je studirati trgovinu u Amsterdamu, ali nije završio studij te je, ponesen fizikom, počeo posjećivati laboratorije i radionice u Njemačka, Nizozemska i Engleska. Od 1717. živio je u Nizozemskoj, gdje je imao radionicu za puhanje stakla i bavio se izradom preciznih meteoroloških instrumenata - barometara, visinomjera, higrometara i termometara. Godine 1709. napravio je alkoholni termometar, a 1714. živin toplomjer.

Pokazalo se da je živa vrlo prikladna radna tekućina, jer je imala više linearnu ovisnost volumena o temperaturi od alkohola, zagrijavala se mnogo brže od alkohola i mogla se koristiti na mnogo višim temperaturama. Fahrenheit je razvio novu metodu za pročišćavanje žive i upotrijebio cilindar umjesto kuglice za živu. Osim toga, kako bi poboljšao točnost termometara, Fahrenheit, koji je posjedovao vještine puhanja stakla, počeo je koristiti staklo s najnižim koeficijentom toplinske ekspanzije. Samo je u području niskih temperatura živa (ledište -38,86 °C) bila inferiorna u odnosu na alkohol (ledište -114,15 °C).

Od 1718. Fahrenheit je predavao u Amsterdamu kemiju, 1724. postao je član Kraljevskog društva, iako nije dobio stupanj a objavio samo jedan zbornik znanstvenih radova.

Za svoje termometre Fahrenheit je prvi upotrijebio modificiranu ljestvicu koju je usvojio danski fizičar Olaf Römer (1644. – 1710.), a predložio engleski matematičar, mehaničar, astronom i fizičar Isaac Newton (1643. – 1727.) 1701. godine.

Newtonovi vlastiti inicijalni pokušaji da razvije temperaturnu ljestvicu pokazali su se naivnima i gotovo odmah su napušteni. Predloženo je da se kao referentne točke uzmu temperatura zraka zimi i temperatura užarenog ugljena. Tada je Newton upotrijebio točku topljenja snijega i tjelesnu temperaturu zdrave osobe, laneno ulje kao radni medij, te razbio ljestvicu (na temelju modela 12 mjeseci u godini i 12 sati dnevno do podneva) za 12 stupnjeva ( prema drugim izvorima za 32 stupnja) . U ovom slučaju, kalibracija je provedena miješanjem određenih količina kipuće i svježe otopljene vode. Ali i ova je metoda bila neprihvatljiva.

Newton nije bio prvi koji je upotrijebio naftu: davne 1688. francuski fizičar Dalence upotrijebio je talište kravljeg maslaca kao referentnu točku za baždarenje alkoholnih termometara. Da je ova tehnika sačuvana, Rusija i Francuska imale bi različite temperaturne ljestvice: i rastopljeni maslac koji je uobičajen u Rusiji i poznati vologodski maslac razlikuju se po sastavu od europskih sorti.

Pažljivi Roemer primijetio je da njegovi satovi na njihalu ljeti idu sporije nego zimi, a podjeli skala njegovih astronomskih instrumenata veći su ljeti nego zimi. Da bi se povećala točnost mjerenja vremena i astronomskih parametara, bilo je potrebno ta mjerenja provoditi na istim temperaturama i stoga imati točan termometar. Roemer je, kao i Newton, koristio dvije referentne točke: normalnu temperaturu ljudskog tijela i temperaturu topljenja leda (kao radna tekućina u cijevi od 18 inča služilo je pojačano crno vino ili 40% alkoholna otopina zatamnjena šafranom). Fahrenheit im je dodao treću točku, koja je odgovarala najnižoj tada postignutoj temperaturi u mješavini voda-led-amonijak.

Postigavši uz pomoć svog živinog termometra mnogo više visoka preciznost mjerenja, Fahrenheit je svaki Roemerov stupanj podijelio s četiri i uzeo tri točke kao referentne točke za svoju temperaturnu ljestvicu: temperaturu mješavine soli vode i leda (0°F), temperaturu tijela zdrave osobe (96° F) i temperaturu topljenja leda (32 °F), a potonja se smatrala kontrolom.

Evo kako je o tome napisao u članku objavljenom u časopisu Filozofska transakcija"(1724,
svezak 33, str. 78): „... stavljanjem toplomjera u smjesu amonijeve soli odn morska sol, vode i leda, nalazimo točku na skali koja označava nulu. Druga točka se dobiva ako se koristi ista smjesa bez soli. Označimo ovu točku kao 30. Treću točku, označenu kao 96, dobivamo ako se toplomjer unese u usta, primajući toplinu zdrave osobe.

Postoji legenda da je Fahrenheit za najnižu točku na Fahrenheit ljestvici uzeo temperaturu na koju se zrak ohladio u zimi 1708/09 u njegovom rodnom gradu Danzigu. Također se mogu naći izjave da je vjerovao da osoba umire od hladnoće na 0°F i od toplinskog udara na
100°F. Naposljetku, rečeno je da je bio član masonske lože s 32 stupnja inicijacije, te je stoga prihvatio točku topljenja leda jednaku ovom broju.

Nakon nekoliko pokušaja i pogrešaka, Fahrenheit je došao do vrlo ugodne temperaturne ljestvice. Pokazalo se da je vrelište vode 212 °F na prihvaćenoj ljestvici, a cijeli temperaturni raspon tekućeg stanja vode bio je 180 °F. Obrazloženje za ovu ljestvicu bilo je nepostojanje negativnih stupnjeva.

Naknadno, nakon niza preciznih mjerenja, Fahrenheit je otkrio da vrelište varira s atmosferskim tlakom. To mu je omogućilo da stvori hipsotermometar - uređaj za mjerenje atmosferskog tlaka prema vrelištu vode. Njemu također pripada primat u otkriću fenomena prehlađenja tekućina.

Fahrenheitov rad označio je početak termometrije, a potom i termokemije i termodinamike. Fahrenheitova ljestvica prihvaćena je kao službena u mnogim zemljama (u Engleskoj od 1777.), samo je normalna temperatura ljudskog tijela korigirana na 98,6 o F. Sada se ova ljestvica koristi samo u SAD-u i na Jamajci, drugim zemljama 1960-1970-ih i 1970-ih prešli na Celzijevu ljestvicu.

Toplomjer su u široku medicinsku praksu uveli nizozemski profesor medicine, botanike i kemije, osnivač znanstvene klinike Hermann Boerhaave (1668–1738), njegov učenik Gerard van Swieten (1700–1772), austrijski liječnik Anton de Haen (1704–1776) i, bez obzira na njih, Englez George Martin.

Utemeljitelj Bečke medicinske škole Haen otkrio je da se temperatura zdrave osobe diže i spušta dva puta tijekom dana. Kao pristaša teorije evolucije, objasnio je to činjenicom da su preci čovjeka - gmazovi koji su živjeli uz more - mijenjali temperaturu u skladu s osekom i osekom. Međutim, njegov je rad dugo bio zaboravljen.

Martin je u jednoj od svojih knjiga napisao kako su njegovi suvremenici raspravljali mijenja li se temperatura topljenja leda s visinom, a kako bi utvrdili istinu, prenijeli su termometar iz Engleske u Italiju.

Ništa manje ne čudi što su se za mjerenje temperature ljudskog tijela kasnije zainteresirali znanstvenici koji su se proslavili u raznim područjima znanja: A. Lavoisier i P. Laplace, J. Dalton i G. Davy, D. Joule i P. Dulong , W. Thomson i A. Becquerel , J. Foucault i G. Helmholtz.

Od tada je "puno žive iscurilo". Čini se da će gotovo tristogodišnja era raširene uporabe živinih toplomjera uskoro završiti zbog toksičnosti tekućeg metala: u europskim zemljama, gdje pitanja ljudske sigurnosti postaju sve važnija, doneseni su zakoni za ograničavanje i zabraniti proizvodnju takvih termometara.

* Osnovana u Firenci 1657. godine od strane Galileovih učenika pod pokroviteljstvom Ferdinanda II. Medicija i njegovog brata Leopolda, Accademia del Cimento nije dugo trajala, već je postala prototip Kraljevskog društva, Pariške akademije znanosti i drugih europskih akademija. Zamišljen je za promicanje znanstvenih spoznaja i širenje zajedničkih aktivnosti za njihov razvoj.

Tiskano s nastavkom