Как придумали температуру

0

Из того, что температура – это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (т.е. в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах — градусах.

Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества — теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково — градусами.

Шкала шкале – рознь!

До изобретения такого обыденного и простого для нашей повседневной жизни измерительного прибора, как термометр, о тепловом состоянии люди могли судить только по своим непосредственным ощущениям: тепло или прохладно, горячо или холодно. Первое приспособление, похожее на термометр, описал в своих трудах древнегреческий механик Герон Александрийский. Правда, он предлагал использовать расширение воды при нагревании для подъема тяжестей.
Изучив труды Герона, итальянец Галилео Галилей в 1592 году изобрел первый в мире прибор для наблюдений за изменениями температуры – термоскоп. С этого момента и началась история термодинамики (раздел физики, изучающий свойства температуры).

Устройство представляло собой небольшой стеклянный шарик с припаянной стеклянной трубкой. Шарик нагревали, а конец трубки опускали в воду. Когда шарик охлаждался, давление в нем уменьшалось, и вода в трубке под действием атмосферного давления поднималась на определенную высоту вверх. При потеплении уровень воды в трубке опускался вниз. Недостатком прибора было то, что по нему можно было судить только об относительной степени нагрева или охлаждения тела, так как шкалы у него еще не было.

Позднее флорентийские ученые усовершенствовали термоскоп Галилея, добавив к нему шкалу из бусин и откачав из шарика воздух.

В 17 веке флорентийским ученым Торричелли воздушный термоскоп был преобразован в спиртовой. Прибор был перевернут шариком вниз, сосуд с водой удалили, а в трубку налили спирт. Действие прибора основывалось на расширении спирта при нагревании, – теперь показания не зависели от атмосферного давления. Это был один из первых жидкостных термометров.
На тот момент показания приборов еще не согласовывались друг с другом, поскольку никакой конкретной системы при градуировке шкал не учитывалось. В 1694 году Карло Ренальдини предложил принять в качестве двух крайних точек температуру таяния льда и температуру кипения воды.

В 1714 году Д. Г. Фаренгейт изготовил первый ртутный термометр. На шкале он обозначил три фиксированные точки: нижняя 32 град. F – температура замерзания солевого раствора, 96 град. F – температура тела человека, верхняя 212 град. F – температура кипения воды.

Еще одна шкала была предложена французским ученым Реомюром в 1730 году. Проводя опыты со спиртовым термометром, исследователь пришел к выводу, что шкала может быть построена в соответствии с тепловым расширением спирта. Установив, что применяемый им спирт, смешанный с водой в пропорции 5:1, расширяется в отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды, ученый предложил использовать шкалу от 0 до 80 градусов. Приняв за 0 температуру таяния льда, а за 80 – температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении.

В 1742 году шведский ученый Андрес Цельсий предложил шкалу для ртутного термометра, в которой промежуток между крайними точками был разделен на 100 градусов. При этом сначала температура кипения воды была обозначена как 0 град., а температура таяния льда как 100 градусов. Однако в таком виде шкала оказалась не очень удобной, и позднее астрономом М. Штремером и ботаником К. Линнеем было принято решение поменять крайние точки местами.

М. В. Ломоносовым был предложен жидкостный термометр, имеющий шкалу со 150 делениями от точки плавления льда до точки кипения воды. И. Г. Ламберту принадлежит создание воздушного термометра со шкалой 375 град., где за один градус принималась одна тысячная часть расширения объема воздуха. Были также попытки создать термометр на основе расширения твердых тел. Так в 1747 г. голландец П. Мушенбруг использовал расширение железного бруска для измерения температуры плавления ряда металлов.

К концу 18 века количество различных температурных шкал значительно увеличилось. По данным «Пилометрии» Ламберта, на тот момент их насчитывалось 19.

Температурные шкалы, о которых шла речь выше, отличает то, что точка отсчета для них была выбрана произвольно. В начале 19 века английским ученым лордом Кельвином была предложена абсолютная термодинамическая шкала. Одновременно Кельвин обосновал понятие абсолютного нуля, обозначив им температуру, при которой прекращается тепловое движение молекул. По Цельсию это минус 273,15 град. Сегодня этой шкалой пользуются в научных исследованиях.

Интересно, что в англоязычных странах шкала Фаренгейта была приоритетной в промышленности, медицине и метеорологии вплоть до 1970-х годов. Впоследствии страны Европы перешли на шкалу Цельсия. Но по-прежнему привязанность к градуснику Фаренгейта отмечается в США, особенно это касается прогноза погоды.

Британские же газеты, как правило, указывают температуру воздуха в градусах Цельсия, но при этом приводят таблицу перевода в градусы Фаренгейта. В заголовках новостей британской прессы принято указывать градусы Цельсия для отрицательных температур и Фаренгейта для положительных. В феврале 2006 г. в крупнейшей газете The Times была опубликована статья о психологии восприятия прогнозов погоды, в которой говорилось, что минус 6 град. Цельсия звучит для человека холоднее, чем 21 град. Фаренгейта, а 94 град. Фаренгейта звучит более впечатляюще, чем 34 град. Цельсия.

В настоящее время температуру измеряют с помощью приборов, действие которых основано на различных термометрических свойствах жидкостей, газов и твердых тел. И если в 18 веке был настоящий бум открытий в области систем измерения температуры, то с прошлого века началась новая пора открытий в области способов измерения температуры. Сегодня существует множество устройств, применяемых в промышленности, в быту, в научных исследованиях – термометры расширения и лабораторное оборудование, термоэлектрические и термометры сопротивления, а также пирометрические термометры, позволяющие измерять температуру бесконтактным способом.

В области медицины самым распространенным прибором для измерения температуры тела человека до сих пор является ртутный термометр. Это объясняется просто – он быстрый и точный. Однако ртуть очень опасна для человека, да и само производство ртутников экологически очень вредно для окружающей среды. Поэтому в некоторых странах ртутные термометры уже запрещены.
Какая же замена предлагается для ртутного градусника? Во-первых, конечно, это электронные термометры. Но, как показывает опыт, точных электронных медицинских термометров очень мало. Какой толк измерять температуру тела с погрешностью плюс-минус 2 град. Цельсия?

Все чаще говорят сейчас о не ртутном термометре. Это устройство (внешне полностью аналогично с привычным ртутником), заполнено галинстаном – сплавом галлия, индия и олова, нетоксичен и безопасен для человека. Такой градусник обладает всеми преимуществами ртутного. Единственный минус – высокая стоимость. Кроме того, надо сказать, что точный состав галинстана до сих пор не известен. Производимые промышленностью эвтектики галлия, индия и олова имеют температуру затвердевания плюс 11 град. Цельсия, что значительно выше значения, заявленного для галинстана.

В патенте на изобретение указано, что номинальная композиция сплава соответствует 68-69 процентов галлия, 21-22 проц. индия и 9.5-10.5 проц. олова. Эвтектика может также содержать до 2 процентов висмута и до 2 процентов сурьмы. Сурьма повышает сопротивление окислению, висмут способствует лучшей текучести. Кроме того, в эвтектике допустимо небольшое количество примесей цинка и свинца – менее 0,001 проц. Что еще было добавлено в галинстан – неизвестно. Но в результате точка затвердевания понижена до минус 19 град. Цельсия.

Малоизвестные факты

Сегодня любой школьник знает, что чем горячее объект, тем больше энергии имеют его частицы во время движения. Атомы веществ в горячем твердом состоянии вибрируют быстрее, чем атомы тех же, но охлажденных веществ. Будет ли вещество оставаться в жидком или газообразном состоянии – зависит от того, до какой температуры его нагреть. Однако до 19 столетия ученые полагали, что тепло само по себе является субстанцией – невесомым флюидом, названным теплород. Ученые считали, что этот флюид испарялся из теплого материала, таким образом охлаждая его.

Он может перетекать из горячих объектов в холодные. Многие прогнозы, основанные на этой теории, на самом деле верны. Несмотря на заблуждения по поводу тепла, были сделаны многие действительно правильные выводы и научные открытия. Теория теплорода была окончательно побеждена в конце 19 века.

Некоторые народы, населяющие нашу планету, живут в весьма экстремальных условиях и необычных местах, не совсем удобных для жизни. Например, одни из самых холодных населенных пунктов – поселок Оймякон и город Верхноянск в Якутии, что в России. Температура зимой тут в среднем составляет минус 45 град. Цельсия. Самая высокая среднегодовая температура была замечена в оставленном городе Даллол, Эфиопия. В 1960-х годах тут зафиксировали средний показатель температуры – плюс 34 град. Цельсия. Среди крупных городов самым жарким считается Бангкок, столица Таиланда, где средняя температура составляет в марте-мае также около плюс 34 град. Цельсия.

Узнать температуру на улице можно, воспользовавшись «услугами» сверчков. Помимо музыкальных способностей, у этих насекомых есть еще одна полезная особенность – они помогают измерять температуру окружающего воздуха. Это заметил еще в 1897 году физик Амос Долбер. Так, чтобы определить температуру в градусах Фаренгейта, следует сосчитать количество стрекотаний за 14 секунд и прибавить к полученному числу 40. Чтобы определить температуру воздуха в градусах Цельсия, следует сосчитать количество стрекотаний за 25 секунд, полученное число разделить на 3 и прибавить 4. Метод работает при температуре выше 55 град. Фаренгейта (13 град. Цельсия). При более низких температурах свечки прячутся и не поют.

Знаменитый роман Рэя Брэдбери «451 градус по Фаренгейту» правильнее было бы назвать «451 градус по Цельсию». Суть произведения состоит в том, что в описываемом обществе было запрещено читать книги, поэтому они все подлежали сожжению. На самом деле бумага самовоспламеняется при температуре 450 град. Цельсия. Эквивалент по шкале Фаренгейта составляет около 843 градуса.

Наша Вселенная постепенно охлаждается. Теории об этом появились уже давно, однако только недавние измерения подтвердили, что Вселенная охлаждается примерно на 1 градус каждые 3 млрд. лет. При этом температура на Земле не зависит от космической, и мы знаем, что наша планета последнее время постепенно нагревается.

Самой высокой температурой называют планковскую (названную в честь немецкого ученого-физика Макса Планка) температуру. Именно настолько была разогрета Вселенная в момент Большого взрыва, согласно представлениям современной науки. Эта температура в миллиарды раз больше самой высокой температуры, полученной искусственно человеком, которая составила плюс 4 миллиарда град. Цельсия, что в 250 раз выше температуры ядра Солнца. Невероятный рекорд был поставлен в Естественной лаборатории Брукхэвена в Нью-Йорке в ионном коллайдере RHIC, длина которого – около 4 км.

Согласно стандартной модели, планковская температура на сегодняшний день считается самой высокой из возможных. Если существует что-то еще более горячее, то привычные нам законы физики перестанут работать.

Есть, конечно же, предположения, что температура может подняться еще выше этого уровня, но что произойдет в таком случае, наука объяснить не может. В нашей модели реальности что-либо более горячее существовать не сможет. Может быть, реальность станет другой?

Артур Еремеев
Meteoinfo.ru, Temperatures.ru, Infoniac.ru

Поделиться.

Комментарии закрыты