Физических тел и жидкостей с самого начала развития цивилизованного общества. История создания термометров начинается несколько столетий тому назад. Давайте же выясним, что представляли собой первые приборы данного назначения? Кем разработана шкала термометра? Когда был изобретен первый градусник?
Первый термометр
Прародителем современного градусника выступает довольно примитивный прибор, известный как термобароскоп. История создания термометров данной категории возвращает нас в далекий 1597 год. Именно в это время свои опыты, направленные на разработку устройства для жидкости, проводил знаменитый ученый Галилео Галилей.
Первый термометр являлся не более чем конструкцией, представленной тонкой стеклянной трубкой с небольшим шариком, запаянным в средину. В ходе измерений нижнюю часть термобароскопа подвергали нагреву. Затем трубку помещали в воду. Через несколько минут воздух в конструкции охлаждался, что приводило к понижению давления и перемещению шарика.
К сожалению, ученому так и не удалось доработать прибор. Он так и не нашел своего практического применения. Здесь отсутствовала шкала термометра. Поэтому с помощью устройства было невозможно определить точные числовые показатели температуры окружающего пространства либо жидкостей. Единственное, к чему оказался пригоден такой термометр - определение нагрева определенного вещества.
Доработка термобароскопа Галилея
История создания термометров не закончилась на тщетных попытках Галилея придумать практичный прибор. В 1657 году, спустя 60 лет после первых проб и ошибок изобретателя, его работу продолжила группа ученых из Флоренции. Им удалось устранить главные недостатки термобароскопа, в частности, внедрить в прибор шкалу градаций. Более того, флорентийские ученые создали вакуум в запаянной стеклянной трубке, что исключило зависимость получаемых результатов измерений от атмосферного давления.
Позже и этот прибор был доработан. Воду в нем заменили винным спиртом. Таким образом, термобароскоп начал функционировать по принципу расширения жидкости при изменении температурных показателей окружающей среды.
Термометр Санторио
В 1626 году итальянский ученый по фамилии Санторио из города Падуи, занимавший должность профессора местного университета, создал собственную версию термометра. С его помощью стало возможным измерение температуры тела человека. Однако устройство не нашло практического применения, поскольку было чрезвычайно громоздким. Прибор имел настолько внушительные размеры, что для проведения измерений его приходилось выносить во двор.
Что же представлял собой термометр Санторио? Прибор был выполнен в форме шара, соединенного с извилистой, продолговатой трубкой. На поверхности последней содержались деления шкалы. Свободное окончание трубки было заполнено жидким веществом с содержанием красителя. При помещении трубки в нагретое вещество, окрашенная внутренняя среда достигала того или иного значения на шкале.
Изобретение единой шкалы измерений
История создания термометров включает в себя не только попытки разработать эффективную конструкцию градусника, но и работу над созданием объективной измерительной шкалы. Один из самых удачных опытов в данной сфере удался немецкому физику Габриэлю Фаренгейту. Именно он в 1723 году решил заменить спирт в колбе термометров того времени ртутью.
Шкала ученого основывалась на наличии трех точек отсчета:
- первая соответствовала нулевому показателю температуры воды;
- вторая точка на шкале отвечала 32 градусам;
- третья - равнялась температуре кипения воды.
Окончательно усовершенствовал шкалу градусника шведский физик, метеоролог и астроном В 1742 году во время проведения опытов он решил разделить шкалу градусника на 100 равноценных интервалов. Верхний показатель соответствовал температуре таяния льда, а нижний - температуре кипения воды. Используется шкала Цельсия в градусниках по сей день. Однако сегодня ее устанавливают в измерительных приборах в перевернутом виде. Таким образом, верхний показатель в 100 о теперь соответствует температуре кипения воды, а нижний берется за 0 о.
В средине 19 века свою версию измерительной шкалы предложил английский физик Уильям Томсон, который более известен широкой аудитории, как лорд Кельвин. Стартовой точкой для измерений он выбрал температуру, что равнялась -273 о С. Именно этот показатель исключает любые движения в молекулах физических объектов. Впрочем, приборы на основе такой шкалы нашли свое применение лишь в научной среде.
Виды и устройства термометров современного образца
Простейшим является обычный стеклянный градусник, который сегодня имеется в каждом доме. Однако такие приспособления постепенно отходят в прошлое. Поскольку заполнение колбы прибора токсичной ртутью является не слишком безопасным решением для бытового применения.
В настоящее время в качестве альтернативы постепенно начинаются использоваться цифровые приспособления. Последние производят измерение температуры окружающей среды за счет работы встроенного электронного датчика.
Что касается последних изобретений, ими являются и одноразовые термополоски. Однако такие приспособления пока не нашли широкого применения.
В заключение
Вот мы и выяснили, кто придумал термометр, какие виды приборов данной категории доступны пользователям сегодня. Напоследок хотелось бы отметить, что устройства данного назначения имеют особое значение для современного человека. Градусник не только дает возможность быстро определить температуру тела, но также позволяет узнать, насколько тепло или холодно на улице. Термометр, установленный в духовке, способствует соблюдению оптимальной температуры готовки блюд, а аналогичный прибор в холодильнике - контролю над качеством хранения продуктов.
До изобретения такого обыденного и простого для нашей повседневной жизни измерительного прибора как о тепловом состоянии люди могли судить только по своим непосредственным ощущениям: тепло или прохладно, горячо или холодно.
История термодинамики началась, когда в 1592 году создал первый прибор для наблюдений за изменениями температуры, назвав его термоскопом. Термоскоп представлял собой небольшой 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 трубки 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 воздушный термоскоп был преобразован в спиртовой флорентийским ученым Торричелли. 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 ртутный термометр. На шкале он обозначил три фиксированные точки: нижняя, 32 °F — температура замерзания солевого раствора, 96 ° — температура тела человека, верхняя 212 ° F — температура кипения воды. Термометром Фаренгейта пользовались в англоязычных странах вплоть до 70-х годов 20 века, а в США пользуются и до сих пор.
Еще одна шкала была предложена французским ученым Реомюром в 1730 году. Он делал опыты со спиртовым термометром и 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 °, а температура таяния льда как 100 °. 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 °, где за один градус принималась одна тысячная часть расширения объема воздуха. Были также попытки создать термометр на основе расширения твердых тел. Так в 1747 голландец П. Мушенбруг использовал расширение 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 1848 г. английский физик Вильям Томсон (лорд Кельвин) доказал возможность создания абсолютной шкалы температур, нуль которой не зависит от свойств воды или вещества, заполняющего . Точкой отсчета в «шкале Кельвина» послужило значение абсолютного нуля: −273,15° С. При этой температуре прекращается тепловое движение молекул. Следовательно, становится невозможным дальнейшее охлаждение тел.
Такова основная история возникновения термометра и термометрических шкал. На сегодняшний день используются термометры со шкалой Цельсия, Фаренгейта (в США), а также со шкалой Кельвина в научных исследованиях. 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 термометры манометрические, термоэлектрические и термометры сопротивления, а также пирометрические термометры, позволяющие измерять температуру бесконтактным способом.
В переводе с греческого языка означает «измерять тепло». История изобретения термометра берет начало с 1597 года, когда Галилей создал термоскоп – шарик с припаянной трубкой – для определения степени нагретости воды. Этот прибор не имел шкалы, а его показания зависели от атмосферного давления. С развитием науки термометр видоизменялся. Жидкостный термометр впервые был упомянут в 1667 году, а в 1742 году шведский физик Цельсий создал термометр со шкалой, в которой точка 0 соответствовала температуре замерзания воды, а 100 – температуре ее кипения.
Мы часто пользуемся термометром для определения температуры воздуха на улице или температуры тела, однако этим применение термометра вовсе не ограничивается. На сегодняшний день существует множество способов измерить температуру вещества, а современные термометры совершенствуются до сих пор. Опишем наиболее распространенные типы измерителей температуры.
Принцип действия данного типа термометров основан на эффекте расширения жидкости при нагревании. Термометры, у которых в качестве жидкости используется ртуть, часто применяются в медицине для измерения температуры тела. Несмотря на токсичность ртути, ее использование позволяет определять температуру с большей точностью по сравнению с другими жидкостями, так как расширение ртути происходит по линейному закону. В метеорологии используют термометры на спирту. Это связано в первую очередь с тем, что ртуть загустевает при значении 38 °С и не годится для измерения более низких температур. Диапазон жидкостных термометров в среднем составляет от 30 °С до +600 °С, а точность не превышает одну десятую долю градуса.
Газовый термометр
Газовые термометры работают по тому же принципу, что и жидкостные, только в качестве рабочего вещества в них используется инертный газ. Этот тип термометра является аналогом манометра (прибора для измерения давления), шкала которого градуируется в единицах температуры. Основным преимуществом газового термометра является возможность измерения температур около абсолютного нуля (его диапазон составляет от 271 °С до +1000 °С). Предельно достижимая точность измерения составляет 2*10 -3 °С. Получение высокой точности газового термометра является сложной задачей, поэтому такие термометры не используются в лабораторных измерениях, а применяются для первичного определения температуры вещества.
Этот вид термометров работает по аналогии с газовыми и жидкостными. Температура вещества определяется в зависимости от расширения металлической спирали или ленты из биметалла. Механический термометр отличается высокой надежностью и простотой в использовании. Как самостоятельные приборы такие термометры широкого распространения не получили и в настоящее время используются в основном в качестве устройств для сигнализации и регулирования температуры в системах автоматизации.
Электрический термометр (термометр сопротивления)
В основу работы электрического термометра заложена зависимость сопротивления проводника от температуры. Сопротивление металлов линейно увеличивается с ростом температуры, поэтому именно металлы и используются для создания этого типа термометров. Полупроводники по сравнению с металлами дают большую точность измерений, однако термометры на их основе практически не выпускаются из-за сложностей, связанных с градуировкой шкалы. Диапазон термометров сопротивления напрямую зависит от рабочего металла: например, для меди он составляет от -50 °С до +180 °С, а для платины – от -200 °С до +750 °С. Электрические термометры устанавливают в качестве датчиков температуры на производстве, в лабораториях, на экспериментальных стендах. Они часто комплектуются совместно с другими измерительными устройствами
Также называют термопарным. Термопара представляет из себя контакт двух разных проводников, измеряющих температуру на основе эффекта Зеебека, открытого в 1822 году. Этот эффект состоит в появлении разницы потенциалов на контакте между двумя проводниками при наличии между ними градиента температур. Таким образом, через контакт при изменении температуры начинает проходить электрический ток. Преимуществом термопарных термометров является простота исполнения, широкий диапазон измерений, возможность заземления спая. Однако есть и недостатки: термопара подвержена коррозии и другим химическим процессам со временем. Максимальной точностью обладают термопары с электродами из благородных металлов и их сплавов – платиновые, платинородиевые, палладиевые, золотые. Верхняя граница измерения температуры с помощью термопары составляет 2500 °С, нижняя – около -100 °С. Точность измерения термопарного датчика может достигать 0,01 °С. Термометр на основе термопар незаменим в системах управления и контроля на производстве, а также при измерении температуры жидких, твердых, сыпучих и пористых веществ.
Волоконно-оптический термометр
С развитием технологий изготовления оптоволокна, возникли новые возможности его использования. Датчики на основе оптоволокна проявляют высокую чувствительность к различным изменениям во внешней среде. Малейшее колебание температуры, давления или натяжения волокна приводят к изменениям распространения в нем света. Оптоволоконные датчики температуры часто применяются для обеспечения безопасности на производстве, для пожарного оповещения, контроля герметичности емкостей с огнеопасными и токсичными веществами, обнаружения утечек и т. п. Диапазон таких датчиков не превышает +400 °С, а максимальная точность составляет 0,1 °С.
Инфракрасный термометр (пирометр)
В отличие от всех предыдущих типов термометров, является бесконтактным прибором. Более подробно прочитать про пирометры и его характеристики можно в отдельной на нашем сайте. Технический пирометр способен измерять температуру в диапазоне от 100 °С до 3000 °С, с точностью до нескольких градусов. Инфракрасные термометры удобны не только в условиях производства. Все чаще они применяются для измерения температуры тела. Это связано со многими преимуществами пирометров по сравнению с ртутными аналогами: безопасность использования, высокая точность, минимальное время на измерение температуры.
В завершение отметим, что сейчас сложно представить себе жизнь без этого универсального и незаменимого прибора. Простые термометры можно встретить в быту: они используются для поддержания температуры в утюге, стиральной машине, холодильнике, измерения температуры окружающего воздуха. Более сложные датчики устанавливают в инкубаторах, теплицах, сушильных камерах, на производстве.
Выбор термометра или датчика температуры зависит от сферы его использования, диапазона измерения, точности показаний, габаритных размеров. А в остальном – все зависит от вашей фантазии.
Оригинал взят у biboroda в История создания термометра: как придумали первый градусник?
29 марта 1561 родился итальянский врач Санторио — один из изобретателей первого ртутного термометра, аппарата, который был новшеством для того времени и без которого и сегодня не обходится ни один человек.
Санторио был не только врачом, но и анатомом, и физиологом. Он работал в Польше, Венгрии и Хорватии, активно изучал процесс дыхания, «невидимые испарения» с поверхности кожи, проводил исследования в области обмена веществ человека. Опыты Санторио проводил на себе и, изучая особенности человеческого организма, создал множество измерительных приборов — прибор для измерения силы пульсации артерий, весы для наблюдения за изменениями массы человека и — первый ртутный термометр.
Три изобретателя
Сказать сегодня, кто же именно создал термометр — довольно сложно. Изобретение термометра приписывают сразу многим учёным — Галилею, Санторио, лорду Бэкону, Роберту Фладду, Скарпи, Корнелию Дреббелю, Порте и Саломону де Каус. Это обусловлено тем, что многие учёные одновременно работали над созданием аппарата, который бы помог измерить температуру воздуха, почвы, воды, человека.
В собственных сочинениях Галилея нет описания этого прибора, но его ученики засвидетельствовали, что в 1597 году он создал термоскоп — аппарат для поднятия воды при помощи нагревания. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной к нему стеклянной трубкой. Разница между термоскопом и современным термометром в том, что в изобретении Галилея вместо ртути расширялся воздух. Также по нему можно было судить только об относительной степени нагрева или охлаждения тела, так как шкалы у него ещё не было.
Санторио из Падуанского университета создал своё устройство, при помощи которого можно было измерять температуру человеческого тела, но прибор являлся столь громоздким, что его устанавливали во дворе дома. Изобретение Санторио имело форму шара и продолговатую извилистую трубку, на которой были нарисованы деления, свободный конец трубки заполняли подкрашенной жидкостью. Его изобретение датировано 1626 годом.
В 1657 году флорентийские учёные усовершенствовали термоскоп Галилео, в частности снабдив прибор шкалой из бусин.
Позже учёные пытались усовершенствовать прибор, но все термометры были воздушные, и их показания зависели не только от изменения температуры тела, но и от атмосферного давления.
Первые термометры с жидкостью были описаны в 1667 году, но они лопались, если вода замерзала, поэтому для их создания начали использовать винный спирт. Изобретение термометра, данные которого не обусловливались бы перепадами атмосферного давления, произошло благодаря экспериментам физика Эванджелиста Торричелли, ученика Галилея. В результате термометр наполнили ртутью, перевернули, добавили в шар подкрашенный спирт и запаяли верхний конец трубки.
Единая шкала и ртуть
Долгое время учёные не могли найти исходные точки, расстояние между которыми можно было бы разделить равномерно.
Как исходные данные для шкалы предлагались точки оттаивания льда и растопленного сливочного масла, температура кипения воды и некие абстрактные понятия вроде «значительная степень холода».
Термометр современной формы, наиболее пригодной для бытового применения, с точной шкалой измерения создал немецкий физик Габриэль Фаренгейт. Он описал свой способ создания термометра в 1723 году. Изначально Фаренгейт создал два спиртовых термометра, но потом физик принял решение применить в термометре ртуть. Шкала Фаренгейта базировалась на трёх установленных точках:
первая точка равнялась нулю градусов — это температура состава воды, льда и нашатыря;
вторая, обозначенная как 32 градуса, — это температура смеси воды и льда;
третья — температура кипения воды, равнялась 212 градусам.
Позже шкала была названа в честь своего создателя.
Справка
Сегодня самой распространенной является шкала Цельсия, шкалой Фаренгейта по сей день пользуются в США и Англии, а шкала Кельвина используется в научных исследованиях.
Но окончательно установил обе постоянные точки — тающего льда и кипящей воды — шведский астроном, геолог и метеоролог Андерс Цельсий в 1742 году. Он поделил расстояние между точками на 100 интервалов, цифрой 100 была отмечена точка таяния льда, а 0 — точка кипения воды.
Сегодня шкала Цельсия используется в перевёрнутом виде, то есть за 0° стали принимать температуру плавления льда, а за 100° — кипения воды.
По одной из версий, шкалу «перевернули» современники и соотечественники, ботаник Карл Линней и астроном Мортен Штремер, уже после смерти Цельсия, но по другой — Цельсий сам перевернул свою шкалу по совету Штремера.
В 1848 году английский физик Вильям Томсон (лорд Кельвин) доказал возможность создания абсолютной шкалы температур, где точкой отсчёта служит значение абсолютного нуля: -273,15 °С — при этой температуре уже невозможно дальнейшее охлаждение тел.
Уже в середине XVIII века термометры стали предметом торговли, и изготавливались они ремесленниками, но в медицину термометры пришли гораздо позже, в середине XIX века.
Современные термометры
Если в XVIII веке был «бум» открытий в области систем измерения температуры, то сегодня всё активнее ведутся работы по созданию способов измерения температуры.
Область применения термометров крайне широка и имеет особое значение для современной жизни человека. Термометр за окном сообщает о температуре на улице, термометр в холодильнике помогает контролировать качество хранения продуктов, термометр в духовке позволяет поддерживать температуру при выпекании, а градусник — измеряет температуру тела и помогает оценить причины плохого самочувствия.
Градусник — самый распространённый вид термометра, и именно его можно найти в каждом доме. Однако ртутные градусники, бывшие когда-то ярким открытием учёных, сегодня постепенно уходят в прошлое как небезопасные. Ртутные градусники содержат 2 грамма ртути и обладают самой высокой точностью определения температуры, но нужно не только правильно с ними обращаться, но и знать, что делать, если градусник вдруг разобьётся.
На замену ртутным градусникам приходят электронные или цифровые термометры, которые работают на основе встроенного металлического датчика. Также есть специальные термополоски и инфракрасные градусники.
Что такое теплота? Градусы и температура
Что такое теплота - знают все. Известно, что частицы в газах, жидкостях и твёрдых телах находятся в непрерывном движении и это движение воспринимается как тепло. Энергия движения частиц, усредненная по их огромному числу, определяет температуру.
Теория тепла возникла не сразу. Очень долго не могли понять ни что такое тепло, ни какая разница между температурой и теплом. Многие физики связывали тепло с движением молекул. Так, в частности, думал Ломоносов. Но превратить общие рассуждения в строгую науку было не легко.
История о том, как научились измерять температуру, интересна и необычна. Термометры были придуманы за много лет до того, как люди поняли, что именно они измеряют.
Температура связанна с весьма не определёнными понятиями теплоты и холода, которые располагались в создании человека где-то рядом с запахом, вкусом. Человек с незапамятных времён знал, что когда два тела плотно соприкасаются, то между ними устанавливается тепловое равновесие. Рука, опущенная в воду, оказывается нагретой (или охлаждённой) до той же степени, что и вода. Всюду в природе существуют потоки тепла. В этом естествоиспытатели давно видели проявление великих законов природы.
Античные учёные и схоласты средневековья сопоставляли с теплом и холодом свойство притяжения и отталкивания. Древние врачи были первыми, кому понадобилась сравнительная и притом довольная точная шкала теплоты тела. Они очень давно заметили, что здоровье человека как-то связано с теплотой его тела и что лекарства способны изменить это качество. Лекарствам приписывалось охлаждающее или согревающее действие и степень этого действия определялась градусами. Лекарства смешивались между собой, и смеси имели разные градусы. «Смесь» по-латыни - «температура» (temperature).
История создания и развития термометра
Галилей
Никто из современников Галилея не мог сравниваться с ним в умении увидеть великие законы в простых явлениях. Он был одним из первых, кто писал о механической природе тепла.
Галилей опубликовал книгу названую им «EL saggiatore» (весы для взвешивания золота), в которой он очень подробно излагает свои взгляды на природу физических явлений. В ней он говорит, в частности, о нагревании твёрдых тел при трении и приводит другие докозательства механической природы тепла. Однако он не знал, что механическим путём можно нагревать не только твёрдые тела, но и жидкости или даже газы. Галилею к тому же мешало и отсутствие численных данных о тепле.
К изучению тепловых явлений Галилей подошел с тех же позиций; прежде всего он занялся тем, как измерить температуру тела. Термометры, которые делал Галилей (около 1597 г.), состояли из стеклянного шара, наполненного воздухом; от нижней части шара отходила трубка, частично заполненная водой, которая заканчивалась в сосуде, также наполненном водой. Высота столбика зависела как от температуры, так и от атмосферного давления, и измерять таким термометром сколько-нибудь точно было невозможно. При Галилее сама идея, что воздух может давить на землю, казалось достаточно дикой. Поэтому термометр Галилея измерял довольно неопределённую величину, но даже такой термометр позволял сравнивать температуру разных тел в одно и тоже время и в одном и том же месте.
Уже тогда с помощью ещё несовершенного термометра врач и анатом Санкториус из Падуанского университета начал измерять температуру человеческого тела. Для этого он сам, не зная про Галилея, построил похожий термометр.
Отто фон Герик
История термометра многим обязана одному из удивительнейших людей 18 века -Отто фон Герике. Он изготовил первый барометр. Похожий на прибор Галилея. Но с очень длинной трубкой. В отличии от прибора Галилея, из барометра Гарике был откачан воздух, так что вода заполняла не только длинную трубку, но и часть шара. Барометр был прикреплён к наружной стене дома, и давление воздуха отмечалось на шкале, на которую указывал пальцем деревянный человек, плававший в стеклянном шаре. Герике первым стал систематически измерять атмосферное давление и попытался обнаружить связь между изменением давления и погодой.
Гарике построил и сравнительно хороший термометр. Он состоял из латунного шара, заполненного воздухом, и изогнутой в форме буквы U трубки со спиртом. На его термометре в середине шкалы стояла точка, около которой указатель останавливался при первых заморозках, - эту точку и выбрал Гарике за начало шкалы. Ясно что такой выбор был наивен, но всё же Гарике сделал первый шаг.
Ньютон
Упомянем ещё и работу Ньютона «О шкале степеней тепла и холода», опубликованную в 1701 г., в которой описана 12-ти градусная шкала. Нуль он поместил там же, где помещаем его сейчас и мы, - в точке замерзания воды, а 12 градусов отвечали температуре здорового человека.
Амонтан построил полностью запаянный термометр, сделав его, наконец, совсем не зависящим от давления атмосферы.
Первый современный термометр был описан в 1724 г. Даниелем Фаренгейтом , стеклодувом из Голландии. Разные термометры Фаренгейта можно было сверять друг с другом, сравнивая их показания в разных «опорных» точках шкалы. Поэтому они прославились своей точностью. Такая шкала до сих пор в ходу в Англии и США.
Современная шкала Цельсия была предложена в 1742 г. Шведскому физику не нравилось отрицательные температуры, и он счёл нужным перевернуть старую шкалу и поместить нуль в точку кипения воды, а 100 градусов - в точку её замерзания. Но «перевёрнутая шкала» не приобрела популярности и была очень скоро «перевёрнута» обратно.
До революции в России была принята шкала Реомюра (точка воды была 0, а точка кипения 80) - термометры Реомюра висели на улицах и во всех домах. Лишь в тридцатых годах они были вытеснены термометрами Цельсия.
Что такое тепло? Тепловое равновесие
К началу 19 века термометр стал совсем обычным прибором. Но о том, что измеряет термометр, единого мнения ещё долго не было.
Научившись измерять температуру, физики не очень продвинулись в понимании того, что же такое тепло. Понятие «тепло» и «температура» разделить было ещё труднее. Когда нагревают тело, температура его повышается. Когда тепло перетекает от одного тела к другому, температура одного тела падает, а другого - повышается.
Понятие «тепловое равновесие» очень часто встречается в теории тепла. Наиболее просто понять, что такое тепловое равновесие в случае одноатомного газа. Если газ в сосуде ведёт себя так, что во всех точках сосуда температура одинаковая, - естественно, что при этом и температура стенок сосуда так же всегда одна и та же, - то газ находится в тепловом равновесии. Это значит, что в таком газе тепло не перетекает из одной части сосуда в другую, в нем не меняется ни давление, ни химический состав и, вообще, с точки зрения классических тепловых явлений в газе «ни чего не происходит».
Тепло течёт всегда так, чтобы температура выравнивалась, чтобы система переходила в состояние теплового равновесия. Переход в состояние теплового равновесия может быть сложным и достаточно долгим процессом.
Температурная шкала. Абсолютная шкала температур
Температурная шкала
Во всех приборах, которые были придуманы в 18 веке, измерение температуры сводилось к измерению длины столбика воды, спирта или ртути. Термометры работали только в ограниченном интервале температур. Наполняющие их вещества замерзали и кипели, и этими термометрами нельзя было измерять очень низкие или очень высокие температуры.
Шкала Цельсия точно устанавливала положение двух точек - 0 и 100 градусов, расстояние между которыми на шкале было разбито на равные части. Но роль каждого деления оставалась неопределённой. Необходимо было ещё понять, что происходит в теле, когда ртуть в термометре поднимается на один градус. Проще всего было бы предположить, что при этом энергия тела увеличивается на одну и ту же величину. Такая величина, отнесённая к единице массы тела, называется удельной теплоёмкостью.
Абсолютная шкала температур
Единица температуры возникла случайно - поставили число 100 в точке кипения воды. Этот акт имел важные последствия: в законе Клапейрона - Клаузиуса появилась новая газовая постоянная R=8,3157 джоуль/градус. Такое число возникло только потому, что величина градуса была введена очень давно и все изменения, происходящие с газами, относили по привычки к довольно случайно выбранной шкале температур. Было бы удобнее сейчас изменить определение градуса и «привязать» его к уравнению идеальных газов. Для этого надо просто уменьшить величину градуса в 8,3157 раза и считать, что температура в такой «идеально-газовой» шкале:
Открытие Лорда Кельвина
Вопросом о смысле температуры заинтересовался Томсон (в последствии лорд Кельвин), который в 1848 г. Обнаружил, что из теоремы Карно можно сделать простой, но очень важный вывод. Кельвин заметил, что если работа цикла Карно зависит только от температур нагревателя и холодильника, то это позволяет установить новую температурную шкалу которая не зависит от свойств рабочего тела.
Цикл Карно, если его можно провести между двумя телами позволяет определить отношение температур этих двух тел. Шкала температур определённая таким образом называется абсолютной шкалой температур. Чтобы сама абсолютная температура имела определённое значение, надо выбрать какое-то число для одной точки новой абсолютной шкалы: одно численное значение температуры должно быть задано произвольно. После этого все остальные значения определяются в принципе с помощью цикла Карно.
К сожалению при всей красоте теоретического построения шкалы Кельвина, практически реализовать цикл Карно очень трудно. Трудно реализовать обратимый цикл, трудно избавиться от потерь.
Реальная шкала температур
В течении многих лет для температурной шкалы выбиралось две точки - температура плавления льда и температура кипения воды - и расстояние между ними делилось на 100 частей, каждая из которой считалась градусом. Такая шкала с двумя опорными точками была принята во всём мире.
Но эта шкала имела, однако, большой недостаток с точки зрения точности измерений. Для неё надо было уметь точно воспроизводить как условия плавления льда, так и условия кипения воды. Проще было обойтись одной опорной точкой, например точкой плавления льда, и измерять температуру по отношению давлений, связанных с отношением температур уравнением состояния.
За единицу опорную эталонную точку выбирается сейчас так называемая тройная точка воды - температура, при которой осуществляют в равновесии все три её фазы: пар - вода - лёд. Переход к такой шкале прошел почти не замеченным. Такая реформа была проведена в 1954 г., и сейчас на вопрос о том, при какой температуре тает лёд при нормальном давлении, надо отвечать «приблизительно при 0».
Международная шкала температур
Шкалу с одной опорной точкой нетрудно согласовать со шкалой Кельвина-Менделеева, основанной на теореме Карно. Термодинамическая шкала не изменяется если все значения температур умножить на одно и тоже число. Выбор опорной точки устраняет эту неоднозначность.
Термодинамической шкалой можно пользоваться только в специальных, хорошо оборудованных лабораториях. В обычных лабораториях пользуются шкалой, которая называется МПТШ68 (международная практическая температурная шкала, принятая в 1968 г.). В этой шкале температура кипения воды равна точно 100 градусов, кроме того есть другие опорные точки, которым так же приписано определённое значение температуры.
Низкие температуры
Интерес к получению низких температур возник не только из практических соображений. Физиков давно интересовал вопрос, можно ли превратить в жидкость газы - такие, как воздух, кислород, водород. Начало это истории относится к 1877г.
В 1877 г. Горный инженер Кайете капли жидкого ацетилена в лабораторном сосуде, в котором неожиданно открылась течь. Резкое понижение давления вызвало образование тумана. Почти в те же дни Пикте из Женевы сообщил о последовательном, каскадном снижении разных газов, завершившемся получением жидкого кислорода при температуре -140 градусов по Цельсию и давление 320 атмосфер.
Надо ещё и упомянуть Дьюарта. Который в 1898 г. получил жидкий водород, снизив температуру примерно до 129 К. Наконец в 1908 г. Камерлинг-Оннес в Голландии получил и жидкий гелий. Температура, которая была им достигнута, только на 1 градус отличалась от абсолютного нуля.
В 1939 г. П.Л.Капица доказал большую эффективность сжижительных машин, в которых газ совершает работу с помощью турбины. Турбодетандеры получили с тех пор большое распространение. Он же предложил и конструкцию эффективной установки для сжиживания гелия.
Список литературы
Эдельман В.С. «Вблизи абсолютного нуля».1-М., 1987.
Детлаф А.А., Яворский Б.Н., «Курс физики». -М., 1989.
Трофимова Т.И. «Курс физики». 1-М., 1990.
Смородинский Я.А. «Температура». - М., 1987.
Текст взят с сайта: www.xreferat.ru
