Опыты, эксперименты, теория, практика, решения задач. Дополнительные материалы к уроку "Температура

АБСОЛЮТНАЯ ШКАЛА ТЕМПЕРАТУР.

1. Температура - это мера средней кинетической энергии молекул, характеризующая
степень нагретости тел.

2.Прибор для измерения температуры - термометр .

3. Принцип действия термометра:
При измерении температуры используется зависимость изменения какого-либо макроскопического параметра (объема, давления, электрического сопротивления и т.д.) вещества от температуры.
В жидкостных термометрах - это изменение объема жидкости.
При контакте двух сред происходит передача энергии от более нагретой среды менее нагретой.
В процессе измерения температура тела и термометра приходят в состояние теплового равновесия.

Термометры.
На практике часто используются жидкостные термометры: ртутные (в диапазоне от -35 С до +750 С) и спиртовые (от -80 С до +70 С).
В них используется свойство жидкости изменять свой объем при изменении температуры.
Однако, у каждой жидкости существуют свои особенности изменения объема (расширения) при различных температурах.
В результате сравнения, например, показаний ртутного и спиртового термометров, точное совпадение будет только лишь в двух точках (при температурах 0 С и 100 С).
Этих недостатков лишены газовые термометры .
Первый газовый термометр был создан франц. физиком Ж. Шарлем.

При соприкосновении двух тел различной температуры происходит передача внутренней энергии от более нагретого тела менее нагретому, и температуры обоих тел выравниваются.
Наступает состояние теплового равновесия, при котором все макропараметры (объем, давление, температура) обоих тел остаются в дальнейшем неизменными при неизменных внешних условиях.
4. Тепловым равновесием называется такое состояние, при котором все макроскопические параметры остаются неизменными сколь угодно долго.

5.Состояние теплового равновесия системы тел характеризуется температурой: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.

где k – постоянная Больцмана

Эта зависимость дает возможность ввести новую температурную шкалу – абсолютную шкалу температур, не зависящую от вещества, используемого для измерения температуры.

6.Абсолютная шкала температур - введена англ. физиком У. Кельвином
- нет отрицательных температур

Единица абсолютной температуры в СИ: [T] = 1K (Кельвин)
Нулевая температура абсолютной шкалы – это абсолютный нуль (0К = -273 С), самая низкая температура в природе. АБСОЛЮТНЫЙ НУЛЬ - предельно низкая температура, при которой прекращается тепловое движение молекул.

Связь абсолютной шкалы со шкалой Цельсия

В формулах абсолютная температура обозначается буквой «Т», а температура по шкале Цельсия буквой «t».

История изобретения термометра

Изобретателем термометра принято считать : в его собственных сочинениях нет описания этого прибора, но его ученики, Нелли и , засвидетельствовали, что уже в он сделал нечто вроде термобароскопа ( ). Галилей изучал в это время работы , у которого уже описано подобное приспособление, но не для измерения степеней тепла, а для поднятия воды при помощи нагревания. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной к нему стеклянной трубкой. Шарик слегка нагревали и конец трубки опускали в сосуд с водой. Через некоторое время воздух в шарике охлаждался, его давление уменьшалось и вода под действием атмосферного давления поднималась в трубке вверх на некоторую высоту. В дальнейшем при потеплении давление воздуха в шарике увеличивалось и уровень воды в трубке понижался при охлаждении же вода в ней поднималась. При помощи термоскопа можно было судить только об изменении степени нагретости тела: числовых значений температуры он не показывал, так как не имел шкалы. Кроме того, уровень воды в трубке зависел не только от температуры, но и от атмосферного давления. В 1657 г. термоскоп Галилея был усовершенствован флорентийскими учеными. Они снабдили прибор шкалой из бусин и откачали воздух из резервуара (шарика) и трубки. Это позволило не только качественно, но и количественно сравнивать температуры тел. Впоследствии термоскоп был изменен: его перевернули шариком вниз, а в трубку вместо воды налили спирт и удалили сосуд. Действие этого прибора основывалось на расширении тел, в качестве «постоянных» точек брали температуры наиболее жаркого летнего и наиболее холодного зимнего дня. Изобретение термометра также приписывают лорду , , Санкториусу, Скарпи, Корнелию Дреббелю ( ), Порте и Саломону де Каус, писавшим позднее и частью имевшим личные отношения с Галилеем. Все эти термометры были воздушные и состояли из сосуда с трубкой, содержащего воздух, отделённый от атмосферы столбиком воды, они изменяли свои показания и от изменения температуры, и от изменения атмосферного давления.

Термометры с жидкостью описаны в первый раз в г. «Saggi di naturale esperienze fatte nell’Accademia del Cimento», где о них говорится как о предметах, давно изготовляемых искусными ремесленниками, которых называют «Confia», разогревающими стекло на раздуваемом огне лампы и выделывающими из него удивительные и очень нежные изделия. Сначала эти термометры наполняли водой, и они лопались, когда она замерзала; употреблять для этого винный спирт начали в 1654 году по мысли великого герцога тосканского . Флорентийские термометры не только изображены в «Saggi», но сохранились в нескольких экземплярах до нашего времени в Галилеевском музее, во Флоренции; их приготовление описывается подробно.

Сначала мастер должен был сделать деления на трубке, соображаясь с её относительными размерами и размерами шарика: деления наносились расплавленной эмалью на разогретую на лампе трубку, каждое десятое обозначалось белой точкою, а другие чёрными. Обыкновенно делали 50 делений таким образом, чтобы при таянии снега спирт не опускался ниже 10, а на солнце не поднимался выше 40. Хорошие мастера делали такие термометры настолько удачно, что все они показывали одно и то же значение температуры при одинаковых условиях, однако такого не удавалось достигнуть, если трубку разделяли на 100 или 300 частей, чтобы получить большую точностью. Наполняли термометры посредством подогревания шарика и опускания конца трубки в спирт, заканчивали наполнение при помощи стеклянной воронки с тонко оттянутым концом, свободно входившим в довольно широкую трубку. После регулирования количества жидкости, отверстие трубки запечатывали сургучом, называемым «герметическим». Из этого ясно, что эти термометры были большими и могли служить для определения температуры воздуха, но были ещё неудобны для других, более разнообразных опытов, и градусы разных термометров были не сравнимы между собою.

В г. ( ) в усовершенствовал воздушный термометр, измеряя не расширение, а увеличение упругости воздуха, приведённого к одному и тому же объёму при разных температурах подливанием ртути в открытое колено; барометрическое давление и его изменения при этом принимались во внимание. Нулём такой шкалы должна была служить «та значительная степень холода», при которой воздух теряет всю свою упругость (то есть современный ), а второй постоянной точкой - температура кипения воды. Влияние атмосферного давления на температуру кипения ещё не было известно Амонтону, а воздух в его термометре не был освобождён от водяных газов; поэтому из его данных абсолютный нуль получается при −239,5° по шкале Цельсия. Другой воздушный термометр Амонтона, выполненный очень несовершенно, был независим от изменений атмосферного давления: он представлял сифонный барометр, открытое колено которого было продолжено кверху, снизу наполнено крепким раствором поташа, сверху нефтью и оканчивалось запаянным резервуаром с воздухом.

Современную форму термометру придал и описал свой способ приготовления в 1723 г. Первоначально он тоже наполнял свои трубки спиртом и лишь под конец перешёл к ртути. Нуль своей шкалы он поставил при температуре смеси снега с нашатырём или поваренной солью, при температуре «начала замерзания воды» он показывал 32°, а температура тела здорового человека во рту или под мышкой была эквивалентна 96°. Впоследствии он нашёл, что вода кипит при 212° и эта температура была всегда одна и та же при том же состоянии . Сохранившиеся экземпляры термометров Фаренгейта отличаются тщательностью исполнения.

Окончательно установил обе постоянные точки, тающего льда и кипящей воды, шведский астроном, геолог и метеоролог в 1742 г. Но первоначально он ставил 0° при точке кипения, а 100° при точке замерзания. В своей работе Цельсий « » рассказал о своих экспериментах, показывающих, что температура плавления льда (100°) не зависит от давления. Он также определил с удивительной точностью, как температура кипения воды варьировалась в зависимости от . Он предположил, что отметку 0 ( воды) можно откалибровать, зная на каком уровне относительно моря находится термометр.

Позже, уже после смерти Цельсия, его современники и соотечественники ботаник и астроном Мортен Штремер использовали эту шкалу в перевёрнутом виде (за 0° стали принимать температуру плавления льда, а за 100° - кипения воды). В таком виде оказалась очень удобной, получила широкое распространение и используется до нашего времени.

По одним сведениям, Цельсий сам перевернул свою шкалу по совету Штремера. По другим сведениям, шкалу перевернул Карл Линней в 1745 году. А по третьим - шкалу перевернул преемник Цельсия М.Штремер и в XVIII веке такой термометр был широко распространён под именем «шведский термометр», а в самой Швеции - под именем Штремера, но известнейший шведский химик Иоганн Якоб в своем труде «Руководства по химии» по ошибке назвал шкалу М. Штремера цельсиевой шкалой и с тех пор стоградусная шкала стала носить имя Андерса Цельсия.

Работы в 1736 г. хотя и повели к установлению 80° шкалы, но были скорее шагом назад против того, что сделал уже Фаренгейт: термометр Реомюра был громадный, неудобный в употреблении, а его способ разделения на градусы был неточным и неудобным.

После Фаренгейта и Реомюра дело изготовления термометров попало в руки ремесленников, так как термометры стали предметом торговли.

В 1848 г. английский физик (лорд Кельвин) доказал возможность создания абсолютной шкалы температур, нуль которой не зависит от свойств воды или вещества, заполняющего термометр. Точкой отсчета в « » послужило значение : −273,15° С. При этой температуре прекращается тепловое движение молекул. Следовательно, становится невозможным дальнейшее охлаждение тел.

Жидкостные термометры

Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объёма жидкости, которая залита в термометр (обычно это или ), при изменении температуры окружающей среды.

В связи с запретом применения ртути во многих областях деятельности ведется поиск альтернативных наполнений для бытовых термометров. Например, такой заменой может стать сплав .

Об удалении разлившейся ртути из разбитого термометра см. статью

Механические термометры

Термометры этого типа действуют по тому же принципу, что и электронные, но в качестве датчика обычно используется спираль или .

Электрические термометры

Принцип работы электрических термометров основан на изменении контактную разность потенциалов, зависящую от температуры). Наиболее точными и стабильными во времени являются на основе платиновой проволоки или платинового напыления на керамику.

Оптические термометры

Оптические термометры позволяют регистрировать температуру благодаря изменению

Инфракрасные термометры

Инфракрасный термометр позволяет измерять температуру без непосредственного контакта с человеком. В некоторых странах уже давно имеется тенденция отказа от ртутных термометров в пользу инфракрасных не только в медицинских учреждениях, но и на бытовом уровне.

Технические термометры

Технические термометры используются на предприятиях в сельском хозяйстве, нефтехимической, химической, горно-металлургической промышленностях, в машиностроении, жилищно- коммунальном хозяйстве, транспорте, строительстве, медицине, словом во всех жизненных сферах.

Выделяют такие виды технических термометров:

термометры технические жидкостные ТТЖ-М;

термометры биметаллические ТБ, ТБТ, ТБИ;

термометры сельскохозяйственные ТС-7-М1;

термометры максимальные СП-83 М;

термометры для спецкамер низкоградусные СП-100;

термометры специальные вибростойкие СП-В;

термометры ртутные электроконтактные ТПК;

термометры лабораторные ТЛС;

термометры для нефтепродуктов ТН;

термометры для испытаний нефтепродуктов ТИН1, ТИН2, ТИН3, ТИН4.

Термометр

Термо́метр (греч . θέρμη - тепло; μετρέω - измеряю ) - прибор для измерения температуры воздуха , почвы , воды и так далее . Существует несколько видов термометров : жидкостные ; механические ; электронные ; оптические ; газовые ; инфракрасные .

Изобретателем термометра принято считать Галилея: в его собственных сочинениях нет описания этого прибора, но его ученики, Нелли и Вивиани , засвидетельствовали, что уже в 1597 году он сделал нечто вроде термобароскопа (термоскоп). Галилей изучал в это время работы Герона Александрийского, у которого уже описано подобное приспособление, но не для измерения степеней тепла, а для поднятия воды при помощи нагревания. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной к нему стеклянной трубкой. Шарик слегка нагревали и конец трубки опускали в сосуд с водой. Через некоторое время воздух в шарике охлаждался, его давление уменьшалось и вода под действием атмосферного давления поднималась в трубке вверх на некоторую высоту. В дальнейшем при потеплении давление воздуха в шарике увеличивалось и уровень воды в трубке понижался при охлаждении же вода в ней поднималась. При помощи термоскопа можно было судить только об изменении степени нагретости тела: числовых значений температуры он не показывал, так как не имел шкалы. Кроме того, уровень воды в трубке зависел не только от температуры, но и от атмосферного давления. В 1657 г. термоскоп Галилея был усовершенствован флорентийскими учеными. Они снабдили прибор шкалой из бусин и откачали воздух из резервуара (шарика) и трубки. Это позволило не только качественно, но и количественно сравнивать температуры тел. Впоследствии термоскоп был изменен: его перевернули шариком вниз, а в трубку вместо воды налили бренди и удалили сосуд. Действие этого прибора основывалось на расширении тел, в качестве «постоянных» точек брали температуры наиболее жаркого летнего и наиболее холодного зимнего дня. Все эти термометры были воздушные и состояли из сосуда с трубкой, содержащего воздух, отделённый от атмосферы столбиком воды, они изменяли свои показания и от изменения температуры, и от изменения атмосферного давления.

Термометры с жидкостью описаны в первый раз в 1667 г. «Saggi di naturale esperienze fatte nell’Accademia del Cimento », где о них говорится как о предметах, давно изготовляемых искусными ремесленниками, которых называют «Confia », разогревающими стекло на раздуваемом огне лампы и выделывающими из него удивительные и очень нежные изделия. Сначала эти термометры наполняли водой, но они лопались, когда она замерзала; употреблять для этого винный спирт начали в 1654 году по мысли великого герцога тосканского Фердинанда II. Флорентийские термометры сохранились в нескольких экземплярах до нашего времени в Галилеевском музее, во Флоренции; их приготовление описывается подробно.

Сначала мастер должен был сделать деления на трубке, соображаясь с её относительными размерами и размерами шарика: деления наносились расплавленной эмалью на разогретую на лампе трубку, каждое десятое обозначалось белой точкою, а другие чёрными. Обыкновенно делали 50 делений таким образом, чтобы при таянии снега спирт не опускался ниже 10, а на солнце не поднимался выше 40. Хорошие мастера делали такие термометры настолько удачно, что все они показывали одно и то же значение температуры при одинаковых условиях, однако такого не удавалось достигнуть, если трубку разделяли на 100 или 300 частей, чтобы получить большую точность. Наполняли термометры посредством подогревания шарика и опускания конца трубки в спирт, заканчивали наполнение при помощи стеклянной воронки с тонко оттянутым концом, свободно входившим в довольно широкую трубку. После регулирования количества жидкости, отверстие трубки запечатывали сургучом, называемым «герметическим». Из этого ясно, что эти термометры были большими и могли служить для определения температуры воздуха, но были ещё неудобны для других, более разнообразных опытов, и градусы разных термометров были не сравнимы между собою.

Термометр Галилея

В 1703 г. Амонтон (Guillaume Amontons ) в Париже усовершенствовал воздушный термометр, измеряя не расширение, а увеличение упругости воздуха, приведённого к одному и тому же объёму при разных температурах подливанием ртути в открытое колено; барометрическое давление и его изменения при этом принимались во внимание. Нулём такой шкалы должна была служить «та значительная степень холода», при которой воздух теряет всю свою упругость (то есть современный абсолютный нуль), а второй постоянной точкой - температура кипения воды. Влияние атмосферного давления на температуру кипения ещё не было известно Амонтону , а воздух в его термометре не был освобождён от водяных газов; поэтому из его данных абсолютный нуль получается при −239,5° по шкале Цельсия. Другой воздушный термометр Амонтона , выполненный очень несовершенно, был независим от изменений атмосферного давления: он представлял сифонный барометр, открытое колено которого было продолжено кверху, снизу наполнено крепким раствором поташа, сверху нефтью и оканчивалось запаянным резервуаром с воздухом.

Современную форму термометру придал Фаренгейт и описал свой способ приготовления в 1723 г. Первоначально он тоже наполнял свои трубки спиртом и лишь под конец перешёл к ртути. Нуль своей шкалы он поставил при температуре смеси снега с нашатырём или поваренной солью, при температуре «начала замерзания воды» он показывал 32°, а температура тела здорового человека во рту или под мышкой была эквивалентна 96°. Впоследствии он нашёл, что вода кипит при 212° и эта температура была всегда одна и та же при том же состоянии барометра. Сохранившиеся экземпляры термометров Фаренгейта отличаются тщательностью исполнения.

Ртутный термометр со шкалой Фаренгейта

Окончательно установил обе постоянные точки, тающего льда и кипящей воды, шведский астроном, геолог и метеоролог Андерс Цельсий в 1742 г. Но первоначально он ставил 0° при точке кипения, а 100° при точке замерзания. В своей работе Цельсий «Observations of two persistent degrees on a thermometer » рассказал о своих экспериментах, показывающих, что температура плавления льда (100°) не зависит от давления. Он также определил с удивительной точностью, как температура кипения воды варьировалась в зависимости от атмосферного давления. Он предположил, что отметку 0 (точку кипения воды) можно откалибровать, зная на каком уровне относительно моря находится термометр .

Позже, уже после смерти Цельсия, его современники и соотечественники ботаник Карл Линней и астроном Мортен Штремер использовали эту шкалу в перевёрнутом виде (за 0° стали принимать температуру плавления льда, а за 100° - кипения воды). В таком виде шкала оказалась очень удобной, получила широкое распространение и используется до нашего времени.

Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объёма жидкости, которая залита в термометр (обычно это спирт или ртуть), при изменении температуры окружающей среды. В связи с запретом применения ртути из-за её опасности для здоровья во многих областях деятельности ведется поиск альтернативных наполнений для бытовых термометров. Например, такой заменой может стать сплав галинстан . Также все шире применяются другие типы термометров.

Ртутный медицинский термометр

Механические термометры этого типа действуют по тому же принципу, что и жидкостные, но в качестве датчика обычно используется металлическая спираль или лента из биметалла.

Оконный механический термометр

Существуют и электронные термометры. Принцип работы электронных термометров основан на изменении сопротивления проводника при изменении температуры окружающей среды. Электронные термометры более широкого диапазона основаны на термопарах (контакт между металлами с разной электроотрицательностью создаёт контактную разность потенциалов, зависящую от температуры). Наиболее точными и стабильными во времени являются термометры сопротивления на основе платиновой проволоки или платинового напыления на керамику. Наибольшее распространение получили PT100 (сопротивление при 0 °C - 100Ω) PT1000 (сопротивление при 0 °C - 1000Ω) (IEC751). Зависимость от температуры почти линейна и подчиняется квадратичному закону при положительной температуре и уравнению 4 степени при отрицательных (соответствующие константы весьма малы, и в первом приближении эту зависимость можно считать линейной). Температурный диапазон −200 - +850 °C.

Медицинский электронный термометр

Оптические термометры позволяют регистрировать температуру благодаря изменению уровня светимости, спектра и иных параметров при изменении температуры. Например, инфракрасные измерители температуры тела. Инфракрасный термометр позволяет измерять температуру без непосредственного контакта с человеком. В некоторых странах уже давно имеется тенденция отказа от ртутных термометров в пользу инфракрасных не только в медицинских учреждениях, но и на бытовом уровне.

Инфракрасный термометр

Если механика в XVIII столетии становится зрелой, вполне определившейся областью естествознания, то наука о теплоте делает по существу только первые шаги. Конечно, новый подход к изучению тепловых явлений наметился еще в XVII в. Термоскоп Галилея и последовавшие за ним термометры флорентийских академиков, Герике, Ньютона подготовили почву, на которой выросла уже в первой четверти нового столетия термометрия. Термометры Фаренгейта, Делиля, Ломоносова, Реомюра и Цельсия, отличаясь друг от друга конструктивными особенностями, вместе с тем определили тип термометра с двумя постоянными точками, принятый и в настоящее время.

Еще в 1703 г. парижский академик Амонтон (1663-1705) сконструировал газовый термометр, в котором температура определялась с помощью манометрической трубки, присоединенной к газовому резервуару постоянного объема. Интересный в теоретическом отношении прибор, прототип современных водородных термометров, был неудобен для практических целей. Данцигский (Гданьский) стеклодув Фаренгейт (1686-1736) с 1709 г. изготовлял спиртовые термометры с постоянными точками. С 1714 г. он начал изготовлять ртутные термометры. Точку замерзания воды Фаренгейт принимал за 32°, точку кипения воды - за 212°. За нуль Фаренгейт принимал точку замерзания смеси воды, льда и нашатыря или поваренной соли. Точку кипения воды он назвал только в 1724 г. в печатной публикации. Пользовался ли он ею раньше, неизвестно.

Французский зоолог и металлург Реомюр (1683-1757) предложил термометр с постоянной нулевой точкой, за которую он принял температуру замерзания воды. Пользуясь в качестве термометрического тела 80-процентным раствором спирта, а в окончательном варианте ртутью, он принял в качестве второй постоянной точки точку кипения воды, обозначив ее числом 80. Свой термометр Реомюр описывал в статьях, опубликованных в журнале Парижской Академии наук в 1730,1731 гг.

Проверку термометра Реомюра проводил шведский астроном Цельсий (1701-1744), описавший свои опыты в 1742 г. «Эти опыты, -писал он, -я повторял два года, во все зимние месяцы, при различной погоде и разнообразных изменениях состояния барометра и всегда находил точно такую же точку на термометре. Я помещал термометр не только в тающий лед, но также при сильных холодах приносил снег в мою комнату на огонь до тех пор, пока он не начинал таять. Я помещал также котел с тающим снегом вместе с термометром в топящуюся печь и всегда находил, что термометр показывал одну и ту же точку, если только снег лежал плотно вокруг шарика термометра». Тщательно проверив постоянство точки плавления льда, Цельсий исследовал точку кипения воды и установил, что она зависит от давления. В итоге исследований появился новый термометр, известный ныне как термометр Цельсия. Точку плавления льда Цельсий принял за 100, точку кипения воды при давлении 25 дюймов 3 линии ртутного столба-за 0. Известный шведский ботаник Карл Линней (1707-1788) пользовался термометром с переставленными значениями постоянных точек. О означал температуру плавления льда, 100 - температуру кипения воды. Таким образом, современная шкала Цельсия по существу является шкалой Линнея.

В Петербургской Академии наук академик Делиль предложил шкалу, в которой точка плавления льда принималась за 150, а точка кипения воды - за 0. Академик П. С. Паллас в своих экспедициях 1768-1774 гг. по Уралу и Сибири пользовался термометром Дели-ля. М.В.Ломоносов применял в исследованиях сконструированный им термометр со шкалой, обратной делилев-ской.

Термометры использовались прежде всего для метеорологических и геофизических целей. Ломоносов, открывший в атмосфере существование вертикальных течений, изучая зависимость плотности слоев атмосферы от температуры, приводит данные, из которых можно определить коэффициент объемного расширения воздуха, равный, по этим данным, приблизительно ]/367. Ломоносов горячо защищал приоритет петербургского академика Брауна в открытии точки замерзания ртути, который 14 декабря 1759 г. впервые заморозил ртуть с помощью охлаждающих смесей. Это была наинизшая температура, достигнутая к тому времени.

Наивысшие температуры (без количественных оценок) были получены в 1772 г. комиссией Парижской Академии наук под руководством знаменитого химика Лавуазье. Высокие температуры получали с помощью специально изготовленной линзы. Линзу собирали из двух вогнуто-выпуклых чечевиц, пространство между которыми заливали спиртом. В линзу диаметром 120 см заливали около 130 л спирта, ее толщина достигала в центре 16 см. фокусируя солнечные лучи, удалось расплавить цинк, золото, сжечь алмаз. Как в опытах Брауна-Ломоносова, где «холодильником» был зимний воздух, так и в опытах Лавуазье источником высоких температур служила естественная «печка» - Солнце.

Развитие термометрии было первым научным и практическим использованием теплового расширения тел. Естественно, что само явление теплового расширения начало изучаться не только качественно, но и количественно Первые точные измерения теплового расширения твердых тел были выполнены Лавуазье и Лапласом в 1782 г. Их метод долгое время описывался в курсах физики, начиная с курса Био, 1819 г., и кончая курсом физики О. Д.Хвольсона, 1923 г.

Полосу испытуемого тела помещали сначала в тающий лед, а затем в кипящую воду. Были получены данные для стекла различных сортов, стали и железа, а также для разных сортов золота, меди, латуни, серебра, олова, свинца Ученые установили, что в зависимости от способа приготовления металла результаты получаются различными. Полоса из незакаленной стали увеличивается на 0,001079 первоначального значения длины при нагревании на 100°, а из закаленной стали - на 0,001239. Для кованого железа было получено значение 0,001220, для круглого тянутого 0,001235. Эти данные дают представление о точности метода.

Итак, уже в первой половине XVIII столетия были созданы термометры и начались количественные тепловые измерения, доведенные до высокой степени точности в теплофизических опытах Лапласа и Лавуазье. Однако основные количественные понятия теплофизики выкристаллизовались не сразу. В трудах физиков того времени существовала немалая путаница в таких понятиях, как «количество теплоты», «степень теплоты», «градус теплоты». На необходимость различать понятия температуры и количества тепла указал в 1755 г. И.Г.Ламберт (1728-1777). Однако его указание не было оценено современниками, и выработка правильных понятий проходила медленно.

Первые подступы к калориметрии содержатся в трудах петербургских академиков Г. В. Крафта и Г. В.Рихмана (1711-1753). В статье Крафта «Различные опыты с теплом и холодом», представленной Конференции академии в 1744 г. и опубликованной в 1751 г., речь идет о задаче определения температуры смеси двух порций жидкости, взятых при разных температурах. Эта задача в учебниках нередко именовалась «задачей Рихмана», хотя Рихман решал более общую и более сложную задачу, чем Крафт. Крафт для решения задачи дал неверную эмпирическую формулу.

Совсем иной подход к решению задачи мы находим у Рихмана. В статье «Размышления о количестве теплоты, которое должно получаться при смешении жидкостей, имеющих определенные градусы теплоты», опубликованной в 1750 г., Рихман ставит задачу определения температуры смеси нескольких (а не двух, как у Крафта) жидкостей и решает ее, исходя из принципа теплового баланса. «Предположим, - говорит Рихман, - что масса жидкости равна а; теплота, распределенная в этой массе, равна т; другая масса, в которой должна быть распределена та же самая теплота т, что и в массе а, пусть будет равна а+b. Тогда получающаяся теплота

равна am/(a+b). Здесь Рихман под «теплотой» понимает температуру, но сформулированный им принцип, что «одна и та же теплота бывает обратно пропорциональна массам, по которым она распределяется», является чисто калориметрическим. «Таким образом, - пишет далее Рихман, - теплота массы а, равная т, и теплота массы Ъ, равная п, равномерно распределяются по массе а + b, и теплота в этой массе, т. е. в смеси из a и b, должна равняться сумме теплот т + п, распределенных в массе а+b, или равна (ma+nb)/(a+b) . Вот эта формула и фигурировала в учебниках как «формула Рихмана». «Чтобы получить более общую формулу, - продолжает Рихман, - по которой возможно было бы определять градус теплоты при смешении 3, 4, 5 и т. д. масс одной и той же жидкости, имеющих различные градусы теплоты, я назвал эти массы а, b, с, d, e и т. д., а соответствующие теплоты - т, п, о, р, q и т. д. Совершенно аналогичным образом я предположил, что каждая из них распределяется по совокупности всех масс». В результате «теплота после смешивания всех теплых масс равна:

(am + bп + со + dp + eq) и т. д./(a + b + c+d + e) и т. д,

т. е. сумма жидких масс, по которой при смешивании равномерно распределяется теплота отдельных масс, относится к сумме всех произведений каждой массы на ее теплоту так же, как единица к теплоте смеси».

Рихман еще не владел понятием количества теплоты, но написал и логически обосновал совершенно правильную калориметрическую формулу Он без труда обнаружил, что его формула лучше согласуется с опытом, чем формула Крафга. Он правильно установил, что его «теплоты» представляют собой «не действительную теплоту, а избыток теплоты смеси в сравнении с нулем градусов по Фаренгейту». Он совершенно ясно понимал, что: 1. «Теплота смеси распределяется не только по самой ее массе, но и по стенкам сосуда и самому термометру». 2. «Собственная теплота термометра и теплота сосуда распределяются и по смеси, и по стенкам сосуда, в котором находится смесь, и по термометру». 3. «Часть теплоты смеси, в течение того промежутка времени, пока производится опыт, переходит в окружающий воздух...»

Рихман точно сформулировал источники ошибок калориметрических опытов, указал причины расхождения формулы Крафта с опытом, т. е. заложил основы калориметрии, хотя сам еще не подошел к понятию количества теплоты. Дело Рихмана продолжили шведский академик Иоганн Вильке (1732- 1796) и шотландский химик Джозеф Блэк (1728-1799). И тот и другой ученый, опираясь на формулу Рихмана, нашли необходимым ввести в науку новые понятия. Вильке, исследуя в 1772 г. теплоту смеси воды и снега, обнаружил, что часть теплоты исчезает Отсюда он пришел к понятию скрытой теплоты таяния снега и к необходимости введения нового понятия, получившего в дальнейшем название «теплоемкость».

К этому же выводу пришел и Блэк, не опубликовавший своих результатов. Его исследования были напечатаны только в 1803 г., и тогда стало известно, что Блэк первым четко разграничил понятия количества теплоты и температуры, первым ввел термин «теплоемкость». Еще в 1754-1755 гг Блэк открыл не только постоянство точки плавления льда, но и то, что термометр остается при одной и той же температуре, несмотря на приток тепла, до тех пор, пока весь лед не растает. Отсюда Блэк пришел к понятию скрытой теплоты плавления. Позже он установил понятие скрытой теплоты испарения. Таким образом, к 70-М годам XVIII столетия были установлены основные калориметрические понятия. Лишь спустя почти сто лет (в 1852 г.) была введена и единица-количества теплоты, получившая значительно позже название «калория».( Еще Клаузиус говорит просто о единице теплоты и не пользуется термином «калория». )

В 1777 г. Лавуазье и Лаплас, построив ледяной калориметр, определили удельные теплоемкости различных тел. Аристотелевское первичное качество-тепло стало изучаться методом точного эксперимента.

Появились и научные теории теплоты. Одна, наиболее распространенная концепция (ее придерживался и Блэк) - это теория особой тепловой жидкости - теплорода. Другая, ревностным сторонником которой был Ломоносов, рассматривала теплоту как род движения «нечувствительных частиц». Концепция теплорода очень хорошо подходила к описанию калориметрических фактов: формула Рихмана и более поздние формулы, учитывающие скрытые теплоты, прекрасно могли быть объяснены В результате теория теплорода господствовала до середины XIX в., когда открытие закона сохранения энергии заставило физиков вернуться к концепции, успешно разрабатываемой Ломоносовым еще за сто лет до открытия этого закона.

Представление о том, что теплота является формой движения, было очень распространенным в XVII в. ф. Бэкон в «Новом органоне», применяя свой метод к исследованию природы теплоты, приходит к выводу, что «тепло есть движение распространения, затрудненное и происходящее в малых частях». Более конкретно и ясно о теплоте как о движении малых частиц высказывается Декарт. Рассматривая природу огня, он приходит к выводу, что «тело пламени... составлено из мельчайших частиц, очень быстро и бурно движущихся отдельно одна от другой». Далее он указывает, что «только это движение в зависимости от различных производимых им действий называется то теплом, то светом». Переходя к остальным телам, он констатирует, «что маленькие частицы, не прекращающие своего движения, имеются не в одном только огне, но также во всех остальных телах, хотя в последних их действие не столько сильно, а вследствие своей малой величины сами они не могут быть замечены ни одним из наших чувств».

Атомизм господствовал в физических воззрениях ученых и мыслителей XVII в. Гук, Гюйгенс, Ньютон представляли все тела Вселенной состоящими из мельчайших частичек, «нечувствительных», как их кратко называл позднее Ломоносов. Понятие о теплоте как форме движения этих частиц казалось ученым вполне разумным. Но эти представления о теплоте носили качественный характер и возникли на очень скудной фактической основе. В XVIII в. знания о тепловых явлениях сделались более точными и определенными, большие успехи сделала также химия, в которой теория флогистона до открытия кислорода помогала разобраться в процессах горения и окисления. Все это способствовало усвоению новой точки зрения на теплоту как особую субстанцию, и первые успехи калориметрии укрепили позиции сторонников теплорода. Нужно было большое научное мужество, чтобы разрабатывать в этой обстановке кинетическую теорию теплоты.

Кинетическая теория теплоты естественно сочеталась с кинетической теорией материи, и прежде всего воздуха и паров. Газы (слово «газ» было введено Ван Гельмонтом; 1577-1644) по существу еще не были открыты, а пар даже Лавуазье рассматривал как соединение воды и огня. Сам Ломоносов, наблюдая растворение железа в крепкой водке (азотной кислоте), считал

выделяющиеся пузырьки азота воздухом. Таким образом, воздух и пар были почти единственными во времена Ломоносова газами - «упругими жидкостями», по тогдашней терминологии.

Д. Бернулли в своей «Гидродинамике» представлял воздух состоящим из частиц, движущихся «чрезвычайно быстро в различных направлениях», и считал, что эти частицы образуют «упругую жидкость». Бернулли обосновывал своей моделью «упругой жидкости» закон Бойля - Мариотта. Он установил связь между скоростью движения частиц и нагреванием воздуха и объяснил тем самым увеличение упругости воздуха при нагревании. Это была первая в истории физики попытка истолковать поведение газов движением молекул, попытка несомненно блестящая, и Бернулли вошел в историю физики как один из основателей кинетической теории газов.

Спустя шесть лет после выхода «Гидродинамики» Ломоносов представил в Академическое собрание свою работу «Размышления о причине теплоты и холода». Она была опубликована только через шесть лет, в 1750 г., вместе с другой, более поздней работой «Опыт теории упругости воздуха». Таким образом, теория упругости газов Ломоносова неразрывно связана с его теорией теплоты и опирается на последнюю.

Д. Бернулли также уделял большое внимание вопросам теплоты, в частности вопросу зависимости плотности воздуха от температуры. Не ограничиваясь ссылкой на опыты Амонтона, он пытался сам экспериментально определить зависимость упругости воздуха от температуры. «Я нашел, - пишет Бернулли, - что упругость воздуха, который здесь в Петербурге был весьма холодным 25 декабря 1731 г. ст. ст., относится к упругости такого же воздуха, обладающего теплотой, общей с кипящей водой, как 523 к 1000». Это значение у Бернулли явно неверное, так как оно предполагает, что температура холодного воздуха соответствует - 78°С.

Значительно точнее аналогичные расчеты у Ломоносова, о которых упоминалось выше. Зато весьма замечателен окончательный результат Бернулли, что «упругости находятся в отношении, составленном из квадрата скоростей частиц и первой степени плотностей», всецело соответствующей основному уравнению кинетической теории газов в современном изложении.

Бернулли совершенно не касался вопроса о природе теплоты, являющегося центральным в теории Ломоносова. Ломоносов выдвигает гипотезу, что теплота - это форма движения нечувствительных частиц. Он рассматривает возможный характер этих движений: поступательное движение, вращательное и колебательное - и утверждает, что «теплота состоит во внутреннем вращательном движении связанной материи».

Приняв в качестве исходной посылки гипотезу о вращательном движении молекул как причине тепла, Ломоносов выводит отсюда ряд следствий: 1) молекулы (корпускулы) имеют шарообразную форму; 2) «...при более быстром вращении частиц связанной материи теплота должна увеличиваться, а при более медленном - уменьшаться; 3) частицы горячих тел вращаются быстрее, более холодных-медленнее; 4) горячие тела должны охлаждаться при соприкосновении с холодным, так как оно замедляет теплотворное движение частиц; наоборот, холодные тела должны нагреваться вследствие ускорения движения при соприкосновении». Таким образом, наблюдающийся в природе переход теплоты от горячего тела к холодному является подтверждением гипотезы Ломоносова.

Тот факт, что Ломоносов выделил теплопередачу в число главных следствий, очень существен, и некоторые авторы усматривают в этом основании причислить Ломоносова к открывателям второго закона термодинамики. Вряд ли, однако, приведенное положение может рассматриваться как первичная формулировка второго начала, но вся работа в целом, несомненно, является первым наброском термодинамики. Так, Ломоносов объясняет в ней образование теплоты при трении, послужившее экспериментальной основой первого начала в классических опытах Джоуля. Ломоносов далее, касая сь вопроса о переходе теплоты от горячего тела к холодному, ссылается на следующее положение: «Тело А, действуя на тело В, не может придать последнему большую скорость движения, чем какую имеет само». Это положение является конкретным случаем «всеобщего закона сохранения». Исходя из этого положения, он доказывает, что холодное тело В, погруженное в теплую жидкость А, «очевидно, не может воспринять большую степень теплоты, чем какую имеет Л».

Вопрос о тепловом расширении Ломоносов откладывает «до другого раза», до рассмотрения упругости воздуха. Его термодинамическая работа непосредственно примыкает, таким образом, к его более поздней работе об упругости газов. Однако, говоря о намерении отложить рассмотрение теплового расширения «до другого раза», Ломоносов здесь же указывает, что поскольку верхнего предела скорости частиц нет (теория относительности еще не существует!), то нет и верхнего предела температуры. Но «по необходимости должна существовать наибольшая и последняя степень холода, которая должна состоять в полном прекращении вращательного движения частиц». Ломоносов, следовательно, утверждает существование «последней степени холода» - абсолютного нуля.

В заключение Ломоносов критикует теорию теплорода, которую считает рецидивом представления древних об элементарном огне. Разбирая различные явления, как физические, так и химические, связанные с выделением и поглощением тепла, Ломоносов заключает, что «нельзя приписывать теплоту тел сгущению какой-то тонкой, специально для того предназначенной материи, но что теплота состоит во внутреннем вращательном движении связанной материи нагретого тела». Под «связанной» материей Ломоносов понимает материю частиц тел, отличая ее от «протекающей» материи, которая может протекать, «подобно реке», через поры тела.

Вместе с тем Ломоносов включает в свою термодинамическую систему и мировой эфир, далеко опережая не только свое время, но и XIX век. «Тем самым, - продолжает Ломоносов, - мы не только говорим, что такое движение и теплота свойственны и той тончайшей материи эфира, которой заполнены все пространства, не содержащие чувствительных тел, но и утверждаем, что материя эфира может сообщать полученное от солнца теплотворное движение нашей земле и остальным телам мира и их нагревать, являясь той средой, при помощи которой тела, отдаленные друг от друга, сообщают теплоту без посредничества чего-либо ощутимого».

Итак, Ломоносов задолго до Больцмана, Голицына и Вина включил тепловое излучение в термодинамику. Термодинамика Ломоносова-замечательное достижение научной мысли XVIII века, далеко опередившее свое время.

Возникает вопрос: почему же Ломоносов отказался рассматривать как тепловое поступательное движение частиц, а остановился на вращательном движении? Это предположение очень ослабило его работу, и теория Д. Бернулли значительно ближе подошла к позднейшим исследованиям Клаузиуса и Максвелла, чем теория Ломоносова. На этот счет у Ломоносова были весьма глубокие соображения. Ему надо было объяснить такие противоречащие друг другу вещи, как сцепление и упругость, связанность частиц тела и способность тел к расширению. Ломоносов был ярым противником дальнодействующих сил и не мог прибегать к ним при рассмотрении молекулярного строения тел. Он не хотел также сводить объяснение упругости газов к упругим ударам частиц, т. е. объяснять упругость упругостью. Он искал механизм, который позволил бы объяснить и упругость и тепловое расширение наиболее естественным образом. В работе «Опыт теории упругости воздуха» он отвергает гипотезу упругости самих частиц, которые, по Ломоносову, «лишены всякого физического сложения и организованного строения...» и являются атомами. Поэтому свойство упругости проявляют не единичные частицы, не имеющие какой-либо физической сложности и организованного строения, но производит совокупность их. Итак, упругость газа (воздуха), по Ломоносову, является «свойством коллектива атомов». Сами атомы, по Ломоносову, «должны быть телесными и иметь протяжение», форму их он считает «весьма близкой» к шарообразной. Явление возникновения теплоты при трении заставляет его принять гипотезу, что «воздушные атомы шероховаты». Тот факт, что упругость воздуха пропорциональна плотности, заставляет Ломоносова заключить, «что она происходит от какого-то непосредственного взаимодействия его атомов». Но атомы, по Ломоносову, не могут действовать на расстоянии, а действуют только при контакте. Сжимаемость воздуха доказывает наличие в нем пустых промежутков, которые делают невозможным взаимодействие атомов. Отсюда Ломоносов приходит к динамической картине, когда взаимодействие атомов сменяется во времени образованием пустого пространства между ними, а пространственное разделение атомов сменяется контактом. «Итак, очевидно, что отдельные атомы воздуха, в беспорядочном чередовании, сталкиваются с ближайшими через нечувствительные промежутки времени, и когда одни находятся в соприкосновении, иные друг от друга отскакивают и наталкиваются на ближайшие к ним, чтобы снова отскочить; таким образом, непрерывно отталкиваемые друг от друга частыми взаимными толчками, они стремятся рассеяться во все стороны». Ломоносов в этом рассеянии во все стороны и видит упругость. «Сила упругости состоит в стремлении воздуха распространиться во все стороны».

Надо, однако объяснить, почему атомы при взаимодействии отскакивают друг от друга. Причина этому, согласно Ломоносову, тепловое движение: «Взаимодействие атомов воздуха обусловлено только теплотою». А так как теплота состоит во вращательном движении частиц, то для объя снения их отталкивания достаточно рассмотреть, что произойдет, когда соприкасаются две вращающиеся шарообразные шероховатые частицы. Ломоносов показывает, что они оттолкнутся друг от друга, и иллюстрируют это хорошо известным ему с детских Лет примером отскакивания волчков («кубарей»), которые пускают мальчики на льду. Когда такие вращающиеся волчки соприкасаются, они отскакивают друг от друга на значительные расстояния. Таким образом, упругие столкновения атомов, по Ломоносову, обусловлены взаимодействием их вращательных моментов. Вот для чего ему понадобилась гипотеза теплового вращательного движения частиц! Тем самым Ломоносов полностью обосновал модель упругого газа, состоящего из хаотически движущихся и соударяющихся частиц.

Эта модель позволила Ломоносову не только объяснить закон Бойля - Мариотта, но и предсказать отступления от него при больших сжатиях. Объяснение закона и отступлений от него дано Ломоносовым в труде «Прибавление к размышлениям об упругости воздуха», напечатанном в том же томе «Новых Комментариев» Петербургской Академии наук, в котором были напечатаны и две предыдущие работы. В работах Ломоносова встречаются и неверные утверждения, вполне объясняемые уровнем знаний того времени. Но не они определяют значение работ ученого. Нельзя не восхищаться смелостью и глубиной научной мысли Ломоносова, создавшего в младенческую пору науки о теплоте мощную теоретическую концепцию, далеко опередившую эпоху. Современники не пошли по пути Ломоносова, в теории теплоты, как было сказано, воцарился теплород, физическое мышление XVIII столетия требовало различных субстанций: тепловых, световых, электрических, магнитных. Обычно в этом усматривается метафизический характер мышления естествоиспытателей XVIII в., некоторая его реакционность. Но почему же оно стало таким? Думается, что причина этого кроется в прогрессе точного естествознания. В XVIII в. научились измерять теплоту, свет, электричество, магнетизм. Для всех этих агентов были найдены меры, так же как они были найдены давным-давно для обычных масс и объемов. Этот факт сближал невесомые агенты с обычными массами и жидкостями, вынуждал рассматривать их как аналог обычных жидкостей. Концепция «невесомых» была необходимым этапом в развитии физики, она позволила глубже проникнуть в мир тепловых, электрических и магнитных явлений. Она способствовала развитию точного эксперимента, накоплению многочисленных фактов и их первичной интерпретации.

Вопрос «Что такое шкала температур?» - годится для любого физика - от студента до профессора. Полный ответ на него занял бы целую книгу и мог бы послужить хорошей иллюстрацией изменения взглядов и прогресса физика за последние четыре века.
Температура - это степень нагретости по определенной шкале. Для грубой оценки, без термометра, можно воспользоваться чувствительностью собственной кожи, но наши ощущения тепла и холода ограничены и ненадежны.

Опыт. Чувствительность кожи к теплу и холоду. Этот опыт весьма поучителен. Поставьте три тазика с водой: один с очень горячей, друюй с умеренно теплой, а третий с очень холодной. Опустите минуты на 3 одну руку в горячий, а другую в холодный таз. Затем обе руки опустите в таз с теплой водой. Теперь спросите-ка каждую руку, что она «скажет» вам о температура воды?

Термометр точно говорит нам, насколько вещь горячее или холоднее; с его помощью можно сравнить степень нагретости разных предметов, пользуясь им вновь и вновь, мы можем сопоставить наблюдения, сделанные в разное время. Он снабжен определенной неизменной, воспроизводимой шкалой - характерной принадлежностью любого хорошего прибора. Способ изготовления термометра и сам прибор диктуют нам ту шкалу и систему измерений, которой мы должны пользоваться. Переход от грубых ощущений к прибору со шкалой - не просто усовершенствование нашего всязания. Мы изобретаем и вводим в употребление новое понятие - температуру.
Наше грубое представление о горячем и холодном содержит в зародыше понятие температуры. Исследования показывают, что при нагревании многие из важнейших свойств вещей изменяются, и. для изучения этих изменений нужны термометры. Повсеместное распространение термометров в обиходе отодвинуло на второй план смысл понятия температуры. Мы считаем, что термометр измеряет температуру нашего тела, воздуха или воды в ванне, хотя на самом деле он показывает лишь свою собственную температуру. Мы считаем изменения температуру от 60 до 70° и от 40 до 50° одинаковыми. Однако никаких гарантий того, что они действительно одинаковы, у нас, по-видимому, нет. Нам остается считать их одинаковыми по определению Термометры все же полезны нам как верные слуги. Но действительно ли за их преданным «лицом» - шкалой скрыта Ее Сиятельство Температура.

Простые термометры и шкала Цельсия
Температуру в термометрах показывает расширяющаяся при нагревании капелька жидкости (ртути или окрашенного спирта), помещенная в трубку с делениями. Чтобы шкала одного термометра совпадала с другой, мы берем две точки: таяние льда и кипение воды в стандартных условиях и приписываем им деления 0 и 100, а интервал между ними делим на 100 равных частей. Итак, если по одному термометру температура воды в ванне равна 30°, то любой другой термометр (если он правильно проградулирован) покажет то же самое, даже если у него пувырек и трубка совсем другого размера. В первом термометре ртуть расширяется на 30/100 расширения от точки плавления до точки кипения. Разумно ожидать, что и в других термометрах ртуть будет расширяться в той же степени и они также покажут 30°. Здесь мы полагаемся на Универсальность Природы 2>.
Предположим теперь, что мы взяли другую жидкость, например глицерин. Даст ли это ту же шкалу при прежних точках? Конечно, для согласования со ртутным глицериновый термометр должен иметь 0° при таянии льда и 100° - при кипении воды. Но будут ли показания термометров совпадать при промежуточных температурах? Оказывается нет когда ртутный термометр показывает 50,0° С, глицериновый термометр показывает 47,6° С. По сравнению со ртутным глицериновый термометр на первой половине пути между точкой таяния льда и точкой кипения воды немного отстает. (Можно сделать термометры, которые дадут еще большее расхождение. Например, термометр с парами воды показал бы 12° в точке, где по ртутному 50°!

При этом получается так называемая шкала Цельсия, которая сей-нас широко используется. В США, Англии и некоторых других странах применяется шкала Фаренгейта, на которой точки таяния льда и кипения воды помечаются цифрами 32 и 212. Первоначально шкала Фаренгейта строилась на двух других точках. В качестве нуля бралась температура замораживающей смеси, а числу 96 (число, распадающееся на большое число сомножителей и поэтому удобное в обращении) сопоставлялась нормальная температура человеческого тела. После модификации, когда стандартным точкам были сопоставлены целые числа, температура тела оказалась между 98 и 99. Комнатная температура 68° Р соответствует 20° С. Несмотря на то дто переход от одной шкалы к другой меняет числовое значение единицы температуры, он не затрагивает самой концепции температуры. Последнее международное соглашение ввело еще одно изменение: вместо стандартных точек таяния льда и кипения воды, определяющих шкалу, приняты «абсолютный нуль» и «тройная точка» для воды. Хотя это изменение в определении температуры - фундаментально, в обычную научную работу оно практически не вносит никакой разницы. Для тройной точки число выбрано так, что новая шкала очень хорошо согласуется со старой.
2> Это рассуждение несколько наивно. Стекло ведь тоже расширяется Действует ли расширение стекла на высоту столбика ртути? Что по этой причине, кроме простого расширения ртути, показывает термометр? Допустим, ято два термометра содержат чистую ртуть, но шарики их сделаны из различных сортов стекла с разным расширением. Повлияет ли это на результат?

Долгий путь термометров

Распространенные сегодня средства измерения температуры играют важную роль в науке, технике, в повседневной жизни людей, имеют многовековую историю и связаны с именами многих блестящих ученых разных стран, включая российских и работавших в России.

Подробное описание истории создания даже обычного жидкостного термометра может занять целую книгу, включающую рассказы о специалистах различных направлений – физиках и химиках, философах и астрономах, математиках и механиках, зоологах и ботаниках, климатологах и стеклодувах.

Помещаемые ниже заметки не претендуют на полноту изложения этой весьма занимательной истории, но могут быть полезны для знакомства с областью знания и областью техники, имя которым Термометрия.

Температура

Температура – один из важнейших показателей, который применяется в различных отраслях естествознания и техники. В физике и химии ее используют как одну из основных характеристик равновесного состояния изолированной системы, в метеорологии – как главную характеристику климата и погоды, в биологии и медицине – как важнейшую величину, определяющую жизненные функции.

Еще древнегреческий философ Аристотель (384–322 г. до н.э.) относил понятия тепла и холода к числу основополагающих. Наряду с такими качествами, как сухость и влажность, эти понятия характеризовали четыре элемента «первичной материи» – землю, воду, воздух и огонь. Хотя в те времена и несколько столетий после них уже говорили о степени тепла или холода («теплее», «горячее», «холоднее»), количественных мер не существовало.

Примерно 2500 лет назад древнегреческий медик Гиппократ (ок. 460 – ок. 370 г. до н.э.) понял, что повышенная температура человеческого тела является признаком болезни. Возникла проблема определения нормальной температуры.

Одну из первых попыток ввести понятие стандартной температуры предпринял древнеримский врач Гален (129 – ок. 200), который предложил «нейтральной» считать температуру смеси равных объемов кипящей воды и льда, а температуры отдельных компонентов (кипятка и тающего льда) считать соответственно за четыре градуса тепла и за четыре градуса холода. Вероятно, именно Галену мы обязаны введением термина «temper» (выравнивать), от которого произошло слово «температура». Однако измерять температуру стали гораздо позже.

Термоскоп и первые воздушные термометры

История измерения температуры насчитывает всего чуть больше четырех веков. Основываясь на способности воздуха расширяться при нагревании, которое было описано древними византийскими греками еще во II в. до н.э., несколько изобретателей создали термоскоп – простейший прибор со стеклянной трубочкой, заполненной водой. Следует сказать, что греки (первыми из европейцев) познакомились со стеклом еще в V в., в XIII в. появились первые стеклянные венецианские зеркала, к XVII в. стекольное дело в Европе стало довольно развито, и в 1612 г. появилось первое руководство «De arte vitraria» («Об искусстве стеклоделия») флорентийца Антонио Нери (умер в 1614 г.).

Особенно развито было стеклоделие на территории Италии. Поэтому неудивительно, что первые стеклянные приборы появились именно там. Первое описание термоскопа вошло в книгу неаполитанского естествоиспытателя, занимавшегося керамикой, стеклом, искусственными драгоценными камнями и перегонкой, Джованни Баттиста де ла Порта (1535–1615) «Magia Naturalis» («Естественная магия»). Издание вышло в 1558 г.

В 1590-х гг. итальянский физик, механик, математик и астроном Галилео Галилей (1564–1642), по свидетельству его учеников Нелли и Вивиани, построил в Венеции свой стеклянный термобароскоп с использованием смеси воды со спиртом; с помощью этого прибора можно было производить измерения. В некоторых источниках говорится, что в качестве окрашенной жидкости Галилей использовал вино. Рабочим телом служил воздух, а изменения температуры определялись по объему воздуха в приборе. Прибор был неточным, его показания зависели как от температуры, так и от давления, но позволял «сбрасывать» столбик жидкости путем изменения давления воздуха. Описание этого устройства сделал в 1638 г. ученик Галилея Бенадетто Кастелли.

Тесное общение Санторио и Галилея не позволяет определить вклад каждого в их многие технические нововведения. Санторио известен своей монографией «De statica medicina» («О медицине равновесия»), содержащей результаты его экспериментальных исследований и выдержавшей пять изданий. В 1612 г. Санторио в своей работе «Commentaria in artem medicinalem Galeni» («Заметки по медицинскому искусству Галена») впервые описал воздушный термометр. Он же применил термометр для измерения температуры человеческого тела («пациенты зажимают колбу руками, дышат на нее под укрытием, берут ее в рот»), использовал маятник для измерений частоты пульса. Его методика состояла в фиксации скорости падения показаний термометра за время десяти качаний маятника, она зависела от внешних условий и была неточной.

Приборы, подобные термоскопу Галилея, были изготовлены голландским физиком, алхимиком, механиком, гравером и картографом Корнелисом Якобсоном Дреббелом (1572–1633) и английским философом-мистиком и медиком Робертом Флуддом (1574–1637), которые предположительно были знакомы с работами флорентийских ученых. Именно прибор Дреббела был впервые (в 1636 г.) назван «термометром». Он имел вид U-образной трубки с двумя резервуарами. Занимаясь жидкостью для своего термометра, Дреббел открыл способ получения ярких карминовых красок. Флудд, в свою очередь, описал воздушный термометр.

Первые жидкостные термометры

Следующим небольшим, но важным шагом на пути к превращению термоскопа в современный жидкостный термометр стало использование в качестве рабочего тела жидкости и запаянной с одного конца стеклянной трубки. Коэффициенты термического расширения жидкостей меньше, чем газов, но зато объем жидкости не меняется с изменением внешнего давления. Этот шаг был сделан примерно в 1654 г. в мастерских великого герцога тосканского Фердинанда II Медичи (1610–1670).

Тем временем в различных странах Европы начались систематические метеорологические измерения. Каждый ученый в тот период использовал свою температурную шкалу, и дошедшие до нас результаты измерений невозможно ни сравнить между собой, ни связать с современными градусами. Понятие градуса температуры и реперных точек температурной шкалы появилось, видимо, в нескольких странах еще в XVII в. Мастера на глазок наносили 50 делений так, чтобы при температуре таяния снега спиртовой столбик не опускался ниже 10-го, а на солнце не поднимался выше 40-го деления.

Одна из первых попыток калибровки и стандартизации термометров была предпринята в октябре 1663 г. в Лондоне. Члены Королевского общества согласились использовать один из спиртовых термометров, изготовленных физиком, механиком, архитектором и изобретателем Робертом Гуком (1635–1703), в качестве стандартного и сравнивать с ним показания других термометров. Гук вводил в спирт красный пигмент, шкалу делил на 500 частей. Он изобрел также термометр-минима (показывающий самую низкую температуру).

Голландский физик-теоретик, математик, астроном и изобретатель Христиан Гюйгенс (1629–1695) в 1665 г. вместе с Р.Гуком предложил использовать температуры таяния льда и кипения воды для создания шкалы температур. Первые внятные метеорологические рекорды были записаны с использованием шкалы Гука–Гюйгенса.

Первое описание настоящего жидкостного термометра появилось в 1667 г. в издании Академии дель Чименто * «Очерки о естественно-научной деятельности Академии опытов». В Академии проведены и описаны первые эксперименты в области калориметрии. Было показано, что под разрежением вода кипит при более низкой температуре, чем при атмосферном давлении, что при замерзании она расширяется. «Флорентийские термометры» широко использовались в Англии (введены Р.Бойлем) и во Франции (распространились благодаря астроному И.Бульо). Автор известной русской монографии «Понятия и основы термодинамики» (1970) И.Р.Кричевский считает, что именно работы Академии положили начало использованию жидкостных термометров.

Один из членов Академии математик и физик Карло Ренальдини (1615–1698) в сочинении «Philosophia naturalis» («Естественная философия»), изданном в 1694 г., предложил за реперные точки принять температуры таяния льда и кипения воды.

Родившийся в немецком городе Магдебурге инженер-механик, электротехник, астроном, изобретатель воздушного насоса Отто фон Герике (1602–1686), который прославился опытом с магдебургскими полушариями, также занимался термометрами. В 1672 г. он соорудил водно-спиртовой прибор высотой в несколько метров со шкалой, имевшей восемь делений: от «очень холодно» до «очень жарко». Размеры сооружения, надо признать, не продвинули термометрию вперед.

Гигантомания Герике через три столетия нашла последователей в США. Самый большой в мире термометр высотой 40,8 м (134 фута) сооружен в 1991 г. в память о рекордно высокой температуре, достигнутой в Долине смерти в Калифорнии в 1913 г.: + 56,7 °С (134 °F). Трехсторонний термометр находится в небольшом городке Бейкер неподалеку от Невады.

Первые точные термометры, вошедшие в широкий обиход, изготовил немецкий физик Даниель Габриель Фаренгейт (1686–1736). Изобретатель родился на территории нынешней Польши, в Гданьске (тогда Данциг), рано осиротел, начал изучать торговое дело в Амстердаме, но не закончил обучения и, увлекшись физикой, стал посещать лаборатории и мастерские в Германии, Голландии и Англии. С 1717 г. жил в Голландии, где имел стеклодувную мастерскую и занимался изготовлением точных метеорологических приборов – барометров, альтиметров, гигрометров и термометров. В 1709 г. он изготовил спиртовой, а в 1714 г. – ртутный термометр.

Ртуть оказалась весьма удобным рабочим телом, поскольку имела более линейный ход зависимости объема от температуры, чем спирт, нагревалась значительно быстрее спирта и могла использоваться при гораздо более высоких температурах. Фаренгейт разработал новый метод очистки ртути и использовал резервуар для ртути в форме цилиндра, а не шарика. Кроме того, для повышения точности термометров Фаренгейт, владевший стеклодувным мастерством, стал использовать стекло с наименьшим коэффициентом термического расширения. Лишь в области низких температур ртуть (температура замерзания –38,86 °С) уступала спирту (температура замерзания –114,15 °С).

С 1718 г. Фаренгейт в Амстердаме читал лекции по химии, в 1724 г. стал членом Королевского общества, хотя не получил ученой степени и опубликовал всего один сборник исследовательских статей.

Для своих термометров Фаренгейт сначала использовал модифицированную шкалу, принятую датским физиком Олафом Ремером (1644–1710) и предложенную английским математиком, механиком, астрономом и физиком Исааком Ньютоном (1643–1727) в 1701 г.

Первоначальные попытки самого Ньютона разработать температурную шкалу оказались наивными и почти сразу были отброшены. За реперные точки предлагалось брать температуру воздуха зимой и температуру тлеющих углей. Затем Ньютон использовал точку таяния снега и температуру тела здорового человека, в качестве рабочего тела – льняное масло, а шкалу (по образцу 12 месяцев в году и 12 часов в сутках до полудня) разбил на 12 градусов (по другим данным, на 32 градуса). При этом градуировка проводилась путем смешивания определенных количеств кипящей и только что оттаявшей воды. Но и этот способ оказался неприемлемым.

В использовании масла Ньютон не был первым: еще в 1688 г. французский физик Далансе в качестве реперной точки для калибровки спиртовых термометров применял точку плавления коровьего масла. Если бы этот прием сохранился, Россия и Франция имели бы разные температурные шкалы: и распространенное в России топленое масло, и знаменитое вологодское масло отличаются по составу от европейских сортов.

Наблюдательный Ремер заметил, что его маятниковые часы летом идут медленнее, чем зимой, а деления шкал его астрономических инструментов летом больше, чем зимой. Для повышения точности измерений времени и астрономических параметров нужно было проводить эти измерения при одинаковых температурах и, следовательно, иметь точный термометр. Ремер, как и Ньютон, использовал две реперные точки: нормальную температуру тела человека и температуру таяния льда (рабочим телом служило крепленое красное вино или 40%-й раствор спирта, подкрашенный шафраном, в 18-дюймовой трубке). Фаренгейт добавил к ним третью точку, которая отвечала наиболее низкой температуре, достигаемой тогда в смеси вода–лед–нашатырь.

Добившись с помощью своего ртутного термометра значительно более высокой точности измерений, Фаренгейт разделил каждый градус Ремера на четыре и в качестве реперных для своей температурной шкалы принял три точки: температуру солевой смеси воды со льдом (0 °F), температуру тела здорового человека (96 °F) и температуру таяния льда (32 °F), причем последнюю считал контрольной.

Вот как об этом он написал в статье, опубликованной в журнале «Philosophical Transaction » (1724,
т. 33, с. 78): «…положив термометр в смесь аммонийной соли или морской соли, воды и льда, найдем точку на шкале, обозначающую нуль. Вторая точка получается, если используется та же смесь без соли. Обозначим эту точку за 30. Третья точка, обозначаемая как 96, получается, если термометр взят в рот, получая тепло здорового человека».

Существует легенда, что за низшую точку шкалы Фаренгейт принял температуру, до которой охлаждался воздух зимой 1708/09 г. в его родном городе Данциге. Можно также встретить утверждения, что он верил, будто человек погибает от холода при 0 °F и от теплового удара при
100 °F. Наконец, говорили, что он член франкмасонской ложи с ее 32 степенями посвящения, поэтому и принял точку таяния льда равной этому числу.

После ряда проб и ошибок Фаренгейт пришел к весьма удобной температурной шкале. Точка кипения воды оказалась по принятой шкале равной 212 °F, а весь температурный интервал жидкофазного состояния воды – соответствующим 180 °F. Обоснованием этой шкалы служило отсутствие отрицательных значений градуса.

Проведя впоследствии серии точных измерений, Фаренгейт установил, что температура кипения меняется в зависимости от атмосферного давления. Это позволило ему создать гипсотермометр – прибор для измерения атмосферного давления по температуре кипения воды. Ему же принадлежит первенство в открытии явления переохлаждения жидкостей.

Работы Фаренгейта положили начало термометрии, а затем термохимии и термодинамике. Шкала Фаренгейта была принята в качестве официальной во многих странах (в Англии – с 1777 г.), лишь нормальная температура человеческого тела была исправлена на 98,6 о F. Сейчас такая шкала используется только в США и на Ямайке, остальные страны в 1960-х и 1970-х гг. перешли на использование шкалы Цельсия.

В широкую медицинскую практику термометр был введен голландским профессором медицины, ботаники и химии, основателем научной клиники Германом Бургаве (1668–1738), его учеником Герардом ван Свитеном (1700–1772), австрийским врачом Антоном де Хаеном (1704–1776) и независимо от них англичанином Джорджем Мартином.

Основатель Венской школы медицины Хаен установил, что температура здорового человека в течение дня дважды поднимается и опускается. Будучи сторонником теории эволюции, он объяснил это тем, что предки человека – рептилии, жившие у моря, – меняли свою температуру в соответствии с приливом и отливом. Однако его работы были надолго забыты.

Мартин в одной из своих книг писал о том, что его современники спорили, меняется ли температура плавления льда с высотой, и для установления истины перевозили термометр из Англии в Италию.

Не менее удивительно, что измерениями температуры тела человека позже интересовались ученые, прославившиеся в разных областях знания: А.Лавуазье и П.Лаплас, Дж.Дальтон и Г.Дэви, Д.Джоуль и П.Дюлонг, У.Томсон и А.Беккерель, Ж.Фуко и Г.Гельмгольц.

«Много ртути утекло» с тех пор. Почти трехсотлетняя эпоха широкого использования ртутных термометров, похоже, скоро закончится из-за токсичности жидкого металла: в европейских странах, где вопросам безопасности людей уделяется все больше внимания, приняты законы об ограничении и запрещении производства таких термометров.

* Основанная во Флоренции в 1657 г. учениками Галилея под покровительством Фердинанда II Медичи и его брата Леопольдо, Академия дель Чименто просуществовала недолго, но стала прообразом Королевского общества, Парижской академии наук и других европейских академий. Она задумывалась для пропаганды научных знаний и расширения коллективной деятельности по их развитию.

Печатается с продолжением