Термометр
История создания термометра начинается много лет назад. Люди всегда хотели иметь приспособление, позволяющее измерять величину нагрева или охлаждения определенного объекта. Такая возможность появилась в 1592 году, когда Галилей сконструировал первый прибор, позволивший определять изменение температуры.
Данное приспособление, состоявшее из стеклянного шарика и припаянной к нему трубки было названо термоскопом. Конец трубки помещали в сосуд с водой, а шарик подвергали нагреву. При прекращении нагрева, давление внутри шарика падало, и вода поднималась по трубке под действием атмосферного давления. При повышении температуры происходил обратный процесс, и уровень воды в трубке понижался. Шкалы у прибора не было, и точные значения температуры по нему установить было невозможно. Впоследствии флорентийские ученые устранили этот недостаток, вследствие чего измерения стали точнее. Так и был создан прототип первого термометра.
Вначале следующего столетия известный флорентийский ученый, ученик Галилея, Эванджелиста Торричелли изобрел спиртовой термометр. Как всем нам хорошо известно, шарик в нем расположен под стеклянной трубкой, а вместо воды используется спирт. Показания этого прибора не зависят от атмосферного давления.
Изобретение первого ртутного термометра Д.Г. Фаренгейтом датируется 1714 годом. За нижнюю точку своей шалы он принял 32 градуса — что отвечало температуре замерзания солевого раствора, а за верхнюю- 2120- температуру кипения воды. Шкала Фаренгейта и в наше время используется в Соединенных Штатах.
В 1730 году ученым из Франции Р.А. Реомюром была предложена шкала, крайними точками в которой являлись температуры кипения и замерзания воды, причем температура замерзания воды принималась за 0 градусов шкалы Реомюра, а температура кипения — за 80 градусов. В настоящее время шкала Реомюра практически не используется.
Спустя 28 лет шведский исследователь А.Цельсий разработал свою шкалу, где за крайние точки, как и в шкале Реомюра, были приняты температура кипения и замерзания воды, однако промежуток между ними делился не на 80, а на 100 градусов, причем изначально градуировка шла сверху вниз, то есть температура кипения воды принималась за ноль, а замерзания воды за сто градусов. Неудобство подобного деления вскоре стало очевидно, и впоследствии Штреммер и Линней поменяли крайние точки шкалы местами, придав ей привычный нам вид.
В середине XIX века британский ученый Вильям Томсон, известный как лорд Кельвин, предложил шкалу температур, нижней точкой которой было -273,15 0С — абсолютный нуль, при этой величине не происходит движения молекул.
Так можно вкратце описать историю создания термометра и температурных шкал. В настоящее время наиболее широко распространены термометры со шкалой Цельсия, в США до сих пор используется шкала Фаренгейта, а в науке наиболее популярна шкала Кельвина.
На сегодняшний день существует множество конструкций термометров, приборов измеряющих температуру, основываясь на различных физических свойствах и широко применяемых в быту, науке и производстве.
История создания термометра
История создания термометра не менее интересна, чем создание паровой машины, радио или атомной бомбы. Ранний период развития градусников при этом, к сожалению, малоизвестен широкой аудитории.
Изобретатели первых термометров
Точно сказать, кто именно изобрел термометр, уже вряд ли возможно. И дело не только в том, что сохранилось мало источников. Причина еще серьезнее: часто под термометрами понимают совсем разные приборы. Не сразу удалось добиться высокого качества и отличного уровня измерений. На 100% достоверно известно только одно: честь изобретения устройства для измерения температуры приписывается как минимум 8 людям.
Среди них, к примеру, английский алхимик и участник многих тайных обществ Роберт Фладд. «Конкурирует» с ним французский гидротехник, разработчик паровых машин, пневматических устройств, а также по совместительству и архитектор Саломон де Каус. Еще надо указать, что история создания термометра запутывается из-за того, что над ним одновременно работали многие специалисты. Одни старались измерять температуру воды, другие — температуру воздуха, а третьи создавали медицинское оборудование.
О различных температурных шкалах
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.
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.
Шкала Кельвина
В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один кельвин равен 1/273.16 расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояния, при котором лёд, вода и водяной пар находятся в равновесии). Для пересчета кельвинов в энергетические единицы служит постоянная Больцмана. Используются также производные единицы: килокельвин, мегакельвин, милликельвин и т.д.
Шкала Цельсия
В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за −273,15 °C. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия — особая точка для метеорологии , поскольку замерзание атмосферной воды существенно всё меняет.
Шкала Фаренгейта
В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. В этой шкале на 100 градусов раздёлен интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела. Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.
В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F — 32), то есть изменение температуры на 1 °F соответствует изменению на 5/9 °С. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724.
Шкала Реомюра
Предложенна в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.
Единица — градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками — температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)
В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.
Градус Реомюра: история появления, связь со шкалой Цельсия и Кельвина
Каждому человеку известно, что температура измеряется в градусах Цельсия. Люди же, которые знакомы с физикой, знают, что международная единица измерения этой величины — кельвин. Историческое развитие понятия температуры и соответствующих приборов для ее определения привело к тому, что в настоящее время мы пользуемся иными метрическими системами, нежели наши предки. В статье рассматриваются вопросы: что представляет собой градус Реомюра, когда его использовали и как он связан с общепринятыми шкалами для измерения температуры.
Рене Антуан Реомюр
Перед тем как рассмотреть шкалу Реомюра для определения температуры окружающих тел, рассмотрим личность ее создателя.
Рене Реомюр родился 28 февраля 1683 года во французском городе Ла-Рошель. Любовь к научным исследованиям окружающего мира он начал проявлять с раннего детства. Рене интересовался физикой, математикой, астрономией, правом, философией, биологией, металлургией, языками и многими другими дисциплинами.
В возрасте 25 лет он становится членом Французской Академии Наук, и ему сразу же начинают поручать выполнение серьезных научных проектов национального масштаба. Являясь членом академии наук, каждый год в течение 50 лет Реомюр публиковал научную работу. Многие его труды по изучению насекомых, а также по исследованию свойств металлов были переведены на английский и немецкий языки. Современники называли его Плинием XVIII века.
Погиб ученый в возрасте 74 лет в результате падения с лошади во время одной из конных прогулок. После себя Реомюр оставил научные рукописи, которые занимали 138 папок.
Открытие новой температурной шкалы
В начале XVIII века в мире не существовало общепринятой шкалы для измерения температуры тел. В 1731 году в результате термодинамических экспериментов Рене Реомюр предложил использовать температурную шкалу, которая стала носить его фамилию. Эта шкала применялась более 100 лет в ведущих странах Европы, в частности, во Франции, в Германии и в России. В конце концов, она была вытеснена шкалой Цельсия, которая широко используется до настоящего времени.
Любопытно отметить, что Реомюр предложил использовать свою шкалу за 11 лет до того, как это сделал Цельсий.
Опыты, которые привели к изобретению шкалы Реомюра
Опыты, которые подвигли ученого к изобретению новой шкалы, являются весьма простыми. Заключаются они в следующем: Реомюр поставил перед собой цель измерить температуру перехода между агрегатными состояниями жизненно важной для человека жидкости — воды, то есть определить, когда она начинает кристаллизоваться с образованием льда, а когда начинает кипеть и переходит в пар. Для этой цели ученый решил использовать спиртовой термометр, который он сконструировал самостоятельно.
Термометр Реомюра представлял собой стеклянную трубку, высотой около 1,5 метра, который в основании расширялся в сосуд диаметром порядка 10 см. Трубка была заполнена смесью этилового спирта и воды и запаяна с обоих концов. В качестве рабочей жидкости была выбрана именно спиртовая смесь потому, что эта алкогольная субстанция имеет в 4 раза больший коэффициент теплового расширения, чем вода. Последний факт означает, что уровень спиртового столба является очень чувствительным к температурным изменениям, поэтому его можно применять для точного измерения рассматриваемой величины.
Положив за 0 градусов уровень спиртового столба в термометре, когда его основание опущено в тающий лед, Реомюр измерил это значение, поместив прибор в кипящую воду. Ученый заметил, что если начальная высота столба спирта равна 1000 единиц, то его конечное значение составляет 1080 единиц. Число 80, как разницу между горячим и холодным уровнями столба в термометре, Реомюр положил в основание своей температурной шкалы.
Восьмидесятеричная шкала
Как было сказано, 0 градусов по шкале Реомюра (°R) соответствуют температуре плавления (таяния) льда, а 80 °R — кипению воды. Это означает, что предложенная французским ученым шкала является восьмидесятеричной, что отличает ее от шкал Цельсия или Кельвина, которые основываются на цифре 100. Последний факт, очевидно, обусловил постепенное вытеснение ее этими шкалами. Наша система счисления является десятеричной, поэтому пользоваться цифрами порядка 10, 100 и так далее гораздо удобнее, чем промежуточными значениями.
Связь со шкалами Цельсия и Кельвина
Как было сказано выше, температура по Реомюру сейчас не используется почти нигде, однако, во время варения сахарного сиропа и при производстве карамели ее иногда применяют. Поэтому следует привести формулы перевода градусов Реомюра в Цельсия и Кельвина. Эти формулы имеют следующий вид:
- C = 1,25*R;
- K = 1,25*R + 273,15.
В представленных выражениях R, C, K — градусы Реомюра, Цельсия и Кельвина, соответственно. Проверить правильность первой формулы достаточно просто: подставим в нее значение 80 °R, при которых кипит вода. Тогда получим: C = 1,25*80 = 100 °C, что точно соответствует температуре кипения этой жидкости при нормальных условиях в привычной для нас шкале.
Также приведем обратные формулы для перевода градусов Цельсия и Кельвина в Реомюра:
- R = 0,8*C;
- R = 0,8*K — 218,52.
Отметим, что ноль градусов по шкале Реомюра совпадает с этим значением температуры по Цельсию.
Пример решения задачи
Как видно из формул предыдущего пункта, перевод между различными шкалами измерения температуры выполнять достаточно просто. Решим простую задачу: «При изготовлении карамели был использован термометр, откалиброванный на градусы Реомюра, который в процессе приготовления сладости показал значение 123 °R. Сколько градусов бы показал термометр, если бы его откалибровать на шкалу Цельсия?»
Воспользуемся формулой перевода градусов Реомюра в Цельсия, получим: C = 1,25*123 = 153,75 °C. Для полноты решения переведем также эти градусы в значение по Кельвину, получим: K = 1,25*123 + 273,15 = 426,9 °К.