История термометра и температурных шкал.

МОДУЛЬ 2.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

 

РАЗДЕЛ 6. ТЕМПЕРАТУРА. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ. ДАТЧИКИ И ПРИБОРЫ

 

18. Т емпература

 

Температура. Определение температуры. Газовая и термодинамическая шкалы температуры. Международная шкала температур ITS-90. Реперные точки.

 

Газовая термометрия

 

Газовая термометрия: термометр Симона. Манометр, заполненный ртутью или маслом. Дифференциальный манометр. Поправки на неидеальность газа. Конденсационный термометр. Термометрия, основанная на эффектах теплового расширения жидкостей и твердых тел.

 

Термометры сопротивления

 

Термометры сопротивления: Электрическое сопротивление чистых металлов Платиновые и медные термометры. Полупроводниковые термометры сопротивления. Угольные термометры.

 

Тема 21. Термоэлектрическая и оптическая термометрия

 

Термоэлектрическая термометрия. Термопары. Основные законы термоэлектричества. Основные типы и области применения термопар. Оптическая термометрия. Пирометры.

Температура. Шкала температур. Реперные точки

 

Введение

Термодинамика, наука о наиболее общих свойствах макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими состояниями.

Физические величины, используемые для описания термодинамических свойств тел или систем тел, а также процессов перераспределения тепловой энергии относятся к области исследований в термодинамике. Все многообразие физических величин, используемых в термодинамике, можно разделить на несколько классов.

К первому из них относится фундаментальная физическая величина - температура, единица которой является основной в Международной системе СИ.

Вторую группу образуют калориметрические величины, к которым относятся теплоты химических, физических и биологических процессов. В том числе, теплоты сгорания, сорбции, десорбции, фазовых переходов, обмена веществ, а также теплоемкость.

Третий класс образует физические величины, характеризующие свойства переноса тепла в вещественных средах. Он включает в себя теплопроводность, температуропроводность, а также некоторые производные величины, включающие в себя теплопроводность, в частности, коэффициент тепловой активности и показатель теплоусвоения.

К четвертой группе относятся физические величины, характеризующие теплоперенос излучением.

Пятая группа включает в себя физические величины, выражающие зависимость свойств тел от температуры. В частности, такой физической величиной является температурный коэффициент линейного расширения.

Наиболее важную роль в науке и промышленности играют следующие физические величины: температура, количество теплоты, удельная теплоемкость, теплопроводность, температурный коэффициент линейного расширения. Разнообразные методы измерений этих величин мы и рассмотрим в ходе данного курса. С некоторыми из них вы познакомитесь и на практике при выполнении лабораторных работ в Институте Физики СО РАН.

 

История термометра и температурных шкал.

 

История о том, как научились измерять температуру, интересна и необычна. Термометры появились задолго до того, как люди поняли, что они измеряют.

Измеряя углы на небе, расстояния на Земле или даже время, люди знали, что они делают. О температуре же этого сказать было нельзя. Температура связана с весьма неопределенным понятием тепла и холода, которые располагались в сознании человека где-то рядом с запахом и вкусом. Но запах и вкус почти не измеряли. Никто не спрашивал и никто не пытался определить, во сколько раз одно блюдо вкуснее другого или на сколько запах сена отличается от запаха роз. Теплые и холодные тела можно было всегда расположить в один ряд и на ощупь установить, какое из двух теплее.

Человек с незапамятных времен знал, что когда два тела плотно соприкасаются, то между ними устанавливается (как мы сейчас говорим) тепловое равновесие. Рука, опущенная в воду, оказывается нагретой (или охлажденной) до той же степени, что и вода. Печь нагревает воздух в комнате. Металлический стержень, нагреваемый с одного конца, нагревается целиком. Всюду в природе существуют потоки тепла. В этом естествоиспытатели давно видели проявление великих законов природы.

О том, что такое потоки тепла, и что такое тепловое равновесие, и что означает степень нагрева тела, были разные мнения. Античные ученые и схоласты средневековья сопоставляли с теплом и холодом свойства притяжения и отталкивания. Такое определение мало что могло объяснить.

Наверное, древние врачи были первыми, кому понадобилась сравнительная и притом довольно 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 (ступенями - по-латыни). Однако холод и тепло не были противоположными качествами: тепло умерялось влажностью, а холод - сухостью. Великий врач древности Гален - он жил во II веке - учил, что лекарства следует классифицировать по градусам: градус тепла, градус холода, градус влажности, градус сухости. Итак, градусов было четыре, и каждый градус еще разбивали на три части. Лекарства смешивались между собой, и смеси имели разные градусы. Смесь по латыни - температура (temperatura). Правда, Гален не дал численную связь между концентрациями смесей и их градусами. Для этого пытались создавать целые теории, но задача об определении градуса смеси по градусам компонент так и осталась нерешенной.

Таким образом, от древних врачей осталась (хоть и плохо определенная) 12-градусная шкала теплового действия лекарства. О неопределенных градусах тепла нагретого тела говорили и до Галена. Здесь обычно ссылаются на Герона Александрийского, который использовал свойство воздуха расширяться при нагревании. Первые шаги в экспериментальном изучении тепловых явлений относятся к концу XVI - началу XVII вв. Они связаны с изобретением и усовершенствованием первого измерительного прибора - термометра.

Именно это изобретение можно рассматривать как начало развития термодинамики, ибо по выражению Бекера „понятие температуры господствует над всем учением о теплоте“. Термометр же был охарактеризован как „могущественный инструмент в титанической борьбе между истиной и заблуждением“.

Истории термометра посвящено огромное число публикаций. Мы же остановимся только на некоторых основных моментах. Настоящая история науки о теплоте началась с Галилея.

Никто из современников Галилея не мог сравниться с ним в умении увидеть великие законы в простых явлениях. Все слышали о том, как много он узнал, размышляя о падении тела на Землю. Но не так хорошо известно, что он был одним из первых (если не первым), кто писал о механической природе тепла.

 

Рис. 18.1. Галилео Галилей и его термоскоп

 

На протяжении почти десятилетия он был узником инквизиции и под давлением папской церкви вынужден был отказаться от своего учения. Множество его драгоценных рукописей было сожжено, значительная часть утеряна. Сохранилось лишь то, что удалось собрать преданным Галилею ученикам. Вот в этих рукописях и были обнаружены сделанные автором рисунки и ссылки на эксперименты, проведенные с помощью термоскопа.

В письме к Фердинандо Чезарини (1604-1646) от 20 сентября 1638, Бенедетто Кастелли (1577-1643) описал использование термоскопа: "Я вспоминаю эксперимент, показанный мне больше чем тридцать пять лет назад нашим мастером Галилео; который, взял стеклянный сосуд размером с небольшое куринное яйцо и с горловиной приблизительно две ладони в длину и столь же тонкой как ячменный стебель, нагрел сосуд в руках и затем, перевернул входное отверстие этого сосуда и погрузил его в вазу, в которой было немного воды, когда он освободил сосуд от теплоты его рук, вода внезапно начала подниматься вверх по горловине и поднялась по отношению к уровню воды в вазе больше чем ладонь. Галилео использовал этот эффект, чтобы изготовить инструмент, для оценки градуса теплоты и холода. "

Термометры (термоскопы), 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 (рис. 18.1). Когда воздух в шаре расширялся или сжимался, уровень воды в стеклянной трубке изменялся, что и служило указанием на температуру, например, руки, прикоснувшейся к шару. Однако высота столбика зависела как от температуры, так и от атмосферного давления, и измерять таким термометром сколько-нибудь точно было невозможно.

О барометре же во времена Галилея ничего не знали. Только ученик Галилея Торричелли смог установить связь между высотой столбика ртути и атмосферным давлением. При Галилее сама идея, что воздух может давить на землю, казалась достаточно дикой. Поэтому термометр Галилея измерял довольно неопределенную величину, но даже такой термометр позволял сравнивать температуру разных тел в одно и то же время и в одном и том же месте.

Таким образом, Галилея можно считать первым ученым, не только высказавшим мысль о том, что изменение температуры тела тесно связано с изменением его физических свойств (в данном случае объема), но и практически реализовавшем ее в форме прибора - термоскопа. Изготовленные собственноручно великим итальянцем термоскопы хранятся в настоящее время в музеях Флоренции и Падуи.

Уже тогда с помощью еще 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. В те времена полагали, что выдыхаемый человеком воздух исходит непосредственно из сердца и несет „жизненную теплоту“. Вот ее-то и пытался измерить Санторио, чтобы постичь, как он считал, одну из главных тайн жизни организма.

Рис. 18.2. Санторио Санторио (латинизир. Санкториус; Sanctorius)

 

Прибор был достаточно громоздким и тоже состоял из шара, но уже заполненного жидкостью, и извилистой трубочки с нанесенными на нее делениями. Температура различных частей тела определялась в течение десяти пульсовых ударов по изменению уровня жидкости в трубке. Человек в это время или дышал в термометр, или брал его в рот, или согревал руками - в зависимости от цели эксперимента. Санкторио был первым врачом, который узнал, что наше тело имеет постоянную нормальную температуру, и оценил отклонение ее от нормы как состояние болезненное.

Первый термометр, показания которого не зависели от перепадов атмосферного давления, был создан в 1641 году при дворе Фердинанда II, который слыл не только покровителем искусств, но и был автором ряда физических приборов. Опыты физика Торичелли с ртутными барометрами дали толчок для модификации термоскопа Галилея: его перевернули, заполнили шар окрашенным спиртом и запаяли верхний свободный конец трубки. Заслуга изобретения спиртового термометра принадлежит герцогу Фердинанду II, правившему в середине ХУII века во Флоренции.

Наряду с государственными делами герцог много времени уделял занятиям естественными науками. В свое время он был учеником Галилея и внес заметный вклад в развитие методов измерения температуры.

В изготовлении различных термоскопов Фердинаид достиг большого мастерства. Один из своих термоскопов Фердинаид прислал немецкому иезуиту Кирхеру, занимавшемуся по совместительству научными исследованиями. Прибор состоял из открытой сверху стеклянной трубки, почти полностью заполненной водой (см. рисунок). В воде находилось несколько крошечных грушевидных сосудиков с оттянутыми вниз горлышками. В каждом сосудике был заключен пузырек воздуха, размер которого был подобран таким образом, чтобы при определенной температуре сосудики плавали в воде внутри трубки. При более высокой температуре воздух в сосудиках расширялся, частично вытесняя воду; в результате этого увеличивалась выталкивающая сила, и сосудики поднимались на поверхность воды. По описанию, сделанному Фердинандом, можно судить, что температура, при которой сосудики висели внутри трубки, была около 15 С. Когда же температура окружающего воздух опускалась ниже 15 С, воздух внутри сосудиков сжимался, количество воды в них увеличивалось, и они опускались на дно.

Одновременно с этим прибором и подробным описанием его работы Фердинаид прислал Кирхеру и другой термоскоп. Он был очень похож на первый и отличался лишь тем, что был полностью заполнен водой и запаян. В этом приборе, однако, наоборот, сосудики опускались при нагревании, а поднимались при охлаждении. Фердинанд предоставил Кирхеру самому решить загадку второго термоскопа. Нам неизвестно, справился ли с этой задачей Кирхер.

Фердинанд построил и термометры самых разнообразных типов и конструкций. Любопытно, что он многое делал для внедрения научных открытий в производство. Один из проектов Фердинанда заключался в широкомасштабном разведении кур. Он построил один из первых инкубаторов, где использовал свой термометр для контроля температуры при искусственном насиживании яиц.

 

Рис. 18.3. Герцог Фердинанд и один из его термометров

Однако уже тогда внедрение достижений науки было делом непростым: из 150 яиц Фердинаид получил лишь трех цыплят. Почему так произошло? Может быть, из-за недостаточной расторопности работника, несерьезно относившегося к показаниям термометра и больше доверявшего своим ощущениям, а может быть, из-за слабых знаний Фердинанда по биологии. Сейчас остается только гадать, отчего закончился крахом этот эксперимент.

С большим успехом Фердинанд использовал термометр для наблюдений за погодой, он проводил важные метеорологические измерения, обобщил материалы наблюдений за температурой в глубоких колодцах и подземельях в различные времена года. Оказалось, что на глубине смена времен года происходит несколько позже, чем на поверхности - нужно время, чтобы земля успела прогреться или, наоборот, охладиться.

Кроме того, при дворе Фердинанда создавались и забавные по своей форме термометры, похожие на маленьких лягушат. Они были выполнены настолько тонко и искусно, что взывали восхищение современников. Эти термометры предназначались для измерения температуры тела человека и легко прикреплялись к коже пластырем. Полость лягушат частично заполнялась жидкостью, на поверхности которой плавали цветные шарики различной плотности. Когда жидкость согревалась, объем ее несколько увеличивался, а плотность соответственно уменьшалась. И тогда некоторые шарики погружались на дно прибора. Температура пациента определялась согласно количеству разноцветных шариков, оставшихся на поверхности: чем их меньше, тем выше была температура испытуемого.

 

Рис. 18.4. Термометры XVII века

 

Описанные выше термометры были приборами весьма несовер-шенными - они не имели шкалы и на их показания существенно влияло изменение атмосферного давления. Превращение термоскопа в термометр произошло позже и связано с исследованиями „Академии опыта“, учрежденной во Флоренции в 1657 г.

Искусство изготовления термометров необычайно развилось в Тоскане, где члены флорентийской академии впервые стали систематически измерять давление, влажность и температуру воздуха. Термометры были запаяны, их заполняли не водой, а спиртом, и ими можно было измерять даже тогда, когда вода замерзала. Флорентийские мастера были очень искусны. Они изготовляли стеклянные термометры, нанося на них деления расплавленной эмалью, так что ими можно было измерять температуру с точностью примерно один градус по современной шкале.

Термометры флорентийских мастеров представляли собой очень красивые приборы, почти произведения искусства. Но, как это бывает, после них искусство изготовления термометров резко упало.

 

Рис. 18. 5. Термоскопы флорентийских мастеров

 

Флорентийские академики называли свою академию Академией опыта. Она была учреждена во Флоренции в 1657 г. Флорентийские академики впервые изготовили термометр, отличающийся от термоскопа тем, что из трубки удалялся воздух и верхний ее конец либо заливался сургучом, либо запаивался. Таким образом, давление атмосферы уже не сказывалось на его показаниях. Кроме того, подкрашенную воду они заменили спиртом. Последнее необходимо было потому, что трубки лопались, когда вода в них замерзала. Но и с такими усовершенствованиями прибор флорентийских академиков не был в полном смысле термометром, так как шкала у него была совершенно произвольна, постоянные точки отсутствовали или же выбирались также произвольно, например, по максимально холодному дню зимой или жаркому летом во Флоренции. Ясно, что такие приборы невозможно было сравнивать между собой. Однако, несмотря на это, с помощью своего прибора флорентийские академики открыли ряд важных явлений, в том числе постоянство точки таяния льда, разницу в расширении стекла и термометрической жидкости, тепловое излучение от раскаленных тел и др. Некоторые успехи, достигнутые в „Академии опыта“ при изучении тепловых явлений, стимулировали попытки ученых устранить основной недостаток термометра - произвольное построение его шкалы. Они хорошо понимали, что, устранив этот недостаток, можно получить прибор, открывавший большие возможности количественного изучения тепловых явлений.

В 1636 г. Каспар Энс опубликовал книгу «Математический чудотворец», в которой была глава "О термометре или Дребблевом инструменте, посредством которого исследуется градус тепла или холода, находящегося в воздухе". Сочинение Энса знаменательно тем, что в нем описана 8-градусная температурная шкала и впервые появилось слово термометр. Что же касается Дребблева инструмента, то речь шла о термометрах, изготовленных современником Галилея Корнелием Дребблем, который занимался изучением расширения нагретых газов.

Что касается термометра Дреббеля, то по свидетельству некоторых авторов, свой прибор он сконструировал независимо от Галилея в 1604 году и описал его в труде „Краткий трактат о природе элементов“. Прибор Дреббеля представлял, по существу, также термоскоп несколько иной конструкции.

 

Рис. 18.6. Термоскоп Дреббеля

 

Следует отметить, что некоторые ученые ставят под сомнение факт существования термоскопа Дреббеля, называя его мифом. Однако вряд ли следует считать мифом изобретение голландского ученого, о котором упоминают все авторы трудов по ранней истории термометрии. О термоскопе Дреббеля писал и ученик Галилея Сагредо в одном из писем к своему великому учителю.

История термометра многим обязана одному из удивительнейших людей XVII века - Отто фон Герике. Герике изучал науки в университетах Лейпцига, Иены, Лейдена. Увлеченно занимался физикой, прикладной математикой, механикой, фортификацией. Путешествовал по Англии и Франции. В 1626 г. вернулся в родной город и попал в пекло Тридцатилетней войны, в которой на разных этапах участвовали австрийцы, шведы, чехи, датчане, французы и немецкие курфюрсты. Воевали "все против всех". Магдебург не раз переходил из рук в руки. Герике умело руководил обороной города, за что был избран его бургомистром. На протяжении 20 лет выполнял дипломатические поручения, успешно отстаивая интересы города. И все же в первую очередь он был ученым - любой досуг посвящал физическим опытам, результаты которых обобщил в сочинении "Новые так называемые магдебургские опыты...", написанном в 1663 г. Прославился же он своим знаменитым публичным экспериментом, когда две упряжки по восемь лошадей каждая не смогли растащить два небольших (диаметром около 40 см) примыкавших одно к другому медных полушария с выкачанным воздухом. Так было доказано наличие воздушного давления. Описание опыта не сходит со страниц учебников физики до сего времени. Для того чтобы откачать воздух из полушарий, Герике построил первый вакуумный насос. Он изготовил также первый барометр, похожий на прибор Галилея, но с очень длинной трубкой. В отличие от прибора Галилея, из барометра Герике был откачан воздух, так что вода заполняла не только длинную трубку, но и часть шара. Барометр был прикреплен к наружной стене дома, и давление воздуха отмечалось на шкале, на которую указывал пальцем деревянный человечек, плававший в стеклянном шаре. Герике первый стал систематически измерять атмосферное давление и попытался обнаружить связь между изменением давления и погодой. Забавно, что Герике называл свою фигурку вечным двигателем.

Не удивительно, что Герике построил и сравнительно хороший термометр (рис. 18.7). Огромный медный шар, покрытый краской небесного цвета и украшенный золотыми звездами, заполнялся воздухом. Прикрепленное к нему снизу одно колено трубки было частично заполнено жидкостью. Другое, более короткое, оставалось открытым, благодаря чему внутрь можно было погрузить поплавок, соединенный системой блоков с позолоченной фигурой ангела в полный человеческий рост. В жаркую погоду нагретый в шаре воздух вытеснял жидкость из трубки, поплавок поднимался, а ангел опускался вниз, указывая своими перстами на соответствующее деление шкалы. Самое нижнее из семи делений показывало - „великая жара“, а самое верхнее - „великий холод“.

 

Рис. 18.7. Термометр Герике

 

Термометр Герике также висел на стене его дома. Герике надо было знать температуру воздуха в каких-то абсолютных единицах для того, чтобы можно было сравнивать температуру воздуха в разных местах. Для этой цели на термометре Герике в середине шкалы стояла точка, около которой указатель останавливался при первых заморозках, - эту точку и выбрал Герике за начало шкалы. Ясно, что такой выбор был наивен, но все же Герике сделал первый шаг.

Единой шкалы градусов, так хорошо знакомой нам сегодня, тогда еще не было. Ученые никак не могли найти те две исходные точки, расстояние между которыми следовало бы поделить на равные части. Предлагали учитывать, например, точки таяния льда и расплавленного сливочного масла, замерзания и свертывания анисового масла, температуры снега и самого жаркого летнего дня. Так О. Герике предложил принять за одну из них среднюю температуру во время первых заморозков. Однако произвольный характер такого выбора был совершенно очевиден.

Понадобилось немало времени, пока пришли к мысли о постоянных точках на шкале температур. На возможность избрать в качестве опорной точки термометра точку кипения воды указал Гюйгенс в 1655 г. Он прямо писал о том, что при таком выборе можно будет сравнивать температуру (наблюдательную степень теплоты, как он ее называл) в разных местах, не перенося один и тот же термометр с места на место.

Упомянем еще и работу Ньютона «О шкале степеней тепла и холода», опубликованную в 1701 г., в которой описана 12-градусная шкала. Нуль он поместил там же, где помещаем его сейчас и мы, - в точке замерзания воды, а 12 отвечали температуре здорового человека. Ньютон, таким образом, уже в очень четкой форме говорил о температурной шкале; по-видимому, и другие физики того времени вплотную подошли к этой идее. Но термометр еще не стал физическим инструментом.

Лишь в 1703 г. Гийом Амонтан, комментируя Ньютона, описал в мемуарах Парижской академии новый термометр. В этом Термометре измерялось не увеличение объема воздуха при нагревании, а изменение его давления, для чего воздух запирался столбиком ртути. В новом термометре Амонтан ввел постоянные точки отсчета - точку кипения воды (он не знал еще, что эта температура зависит от давления) и, как это ни удивительно, выбрал в качестве нуля ту значительную степень холода, при которой воздух теряет всю свою упругость.

Свой абсолютный нуль он выбрал со значительной ошибкой, поместив его по современной шкале примерно на 240. ниже нуля (но все же это было немалое достижение). К концу своей деятельности Амонтан построил и полностью запаянный термометр, сделав его, наконец, совсем не зависящим от давления атмосферы.

 

 

Рис. 18.8. Термометры XVIII века

 

Первый современный термометр был описан в 1724 г. Даниелем Фаренгейтом, стеклодувом из Голландии. Современников удивило, что спиртовые термометры, изготовленные Фаренгейтом, согласовывались между собой. Секрет Фаренгейта был просто в том, что он очень аккуратно наносил деления на шкалу, используя для этого несколько опорных постоянных точек. Самую низкую температуру суровой зимы 1709 г. он имитировал смесью льда, поваренной соли и нашатыря. Вторую точку он получал, погружая термометр в смесь льда и воды. Расстояние между этими двумя точками Фаренгейт разделил на 32 части. Свою шкалу он проверял, измеряя температуру человеческого тела. Новая точка попадала на 98 С. Позднее он ввел еще и четвертую опорную точку – точку кипения воды. Она лежала при 212 С.

Разные термометры Фаренгейта можно было сверять друг с другом, сравнивая их показания в разных ѕопорныхї точках шкалы. Поэтому они прославились своей точностью. Такая шкала до сих пор в ходу в Англии и США.

Во Франции в употребление нашла шкала Реомюра (около 1740 г.), построенная на точках замерзания воды (0 С) и ее кипения (80 С.). Реомюр из своих измерений вывел, что вода расширяется между этими двумя точками на 80 тысячных своего объема). Спирт был вскоре заменен ртутью (Демоком), коэффициент расширения которой меньше изменялся с температурой, чем у спирта.

Современная шкала Цельсия была предложена в 1742 г. Шведскому физику не нравились отрицательные температуры, и он счел нужным перевернуть старую шкалу и поместить нуль в точку кипения воды, а 100. - в точку ее замерзания. Но перевернутая шкала не приобрела популярности и была очень скоро перевернута обратно.

Можно добавить еще несколько слов о термометре со шкалой Делиля. Ртутные термометры петербургского академика Делиля были весьма популярны в России в первой половине XVIII века. Шкала этих термометров была разделена на 150 частей. Термометры были хорошо сделаны, но все же не продержались долго, уступив, место термометрам Реомюра.

До революции в России была принята шкала Реомюра – термометры Реомюра висели на улицах и во всех домах. Лишь в тридцатых годах они были вытеснены термометрами Цельсия. В Англии и США до сих пор распространен термометр Фаренгейта, и, читая английские книги, не следует удивляться, что мясо надо запекать при температуре 350-400 градусов и что температура ребенка 98 градусов не вызывает тревоги у матери.

Работы Амантона и Фаренгейта положили начало двум направлениям развития термометрии.

Первый из них, основанный на развитии газовой термометрии, ведет к созданию термодинамической температурной шкалы, базирующейся на одной единственной фиксированной точке и не зависящий от свойств используемого термометрического вещества. Такая температурная шкала, охватывающая все практически достижимые температуры и не связанная с какими-либо частными свойствами тел, была предложена лордом Кельвином и известна ныне под названием абсолютной термодинамической шкалы температур.

Второй путь, основанный на использовании произвольных фиксированных точек и интерполяционных термометров, ведет к созданию практических температурных шкал.

 

18.3. Что измеряет термометр?

 

Что же показывает термометр? Кажется, что это всем ясно - температуру! А что такое температура? Очень хорошо сказал по этому поводу один физик: „Гораздо легче производить измерения, чем точно знать, что измеряется“. И почти три сотни лет измеряли повсюду температуру, но только совсем недавно, в конце XIX столетия, стало окончательно ясно, что такое температура.

А в самом деле, что же показывает термометр? Стоит еще раз проследить, как возникло понятие „температура“. Когда-то думали: если становится жарко, то это потому, что в теле повышается содержание теплорода. Латинское слово „температура“ означало „смесь“. Под температурой тела понимали смесь из материи тела и теплорода тела. Затем понятие самого теплорода было отброшено как ошибочное, а слово „температура“ осталось.

Добрые две сотни лет в науке сохранялось странное положение: случайно выбранным свойством (расширение) случайно выбранного вещества (ртуть) и шкалой, установленной по случайно выбранным постоянным точкам (плавление льда и кипение воды), измерялась величина (температура), а смысл слова „температура“, строго говоря, никому не был понятен.

Но ведь термометр все-таки что-то показывает? Если от ответа потребовать необходимую строгость и точность, то на такой вопрос придется ответить так: ничего, кроме удлинения в столбике нагретой ртути. Ну а если ртуть заменить другим веществом: газом или каким-либо твердым телом, которое также расширяется при нагревании - что будет тогда? Что будут показывать построенные на иной основе термометры?

Представим себе, что такие термометры мы сделали. Одни из них мы заполнили ртутью, воздухом, другие изготовили целиком из железа, меди, стекла. Точно установим на каждом термометре постоянные точки: в тающем льду 0 С, в кипящей воде 100 С.

Попробуем теперь измерять температуру. Окажется, что, когда воздушный термометр покажет, например, 300 С, другие термометры будут показывать: ртутный 314,1 С, железный 372,6 С, медный 328,8 С, стеклянный 352,9 С

Какая же из этих „температур“ правильна: „воздушная“, „ртутная“, „железная“, „медная“ или „стеклянная“? Ведь каждое из испытанных нами веществ показывает свою собственную температуру. Еще интереснее повел бы себя „водяной“ термометр. В пределах от 0 до 4 С он показывал бы при нагревании понижение температуры. Можно, конечно, попытаться выбрать вместо теплового расширения какое-нибудь другое свойство вещества, изменяющееся при нагревании. Можно, например, построить термометры на основе изменения (при нагревании) давления пара жидкости (например, спирта), изменения электрического сопротивления (например, платины), термоэлектродвижущей силы (термопара). В наше время такие термометры широко применяются в технике.

При условии предварительной калибровки по двум постоянным точкам такие термометры, например, при 200 С будут показывать: спиртовой (по давлению пара) - 1320 С, платиновый (по сопротивлению) - 196 С, спай платины и сплава ее с родием (термопара) - 222 С.

Так какая же из всех этих разных „температур“ настоящая? Как и чем нужно измерять температуру? Прежде чем ответить на эти вопросы, следует уяснить себе самое важное в них - их точное содержание и смысл: „Чем нужно измерять температуру?“ Почему такой „простой“ вопрос вообще может возникать?

В каких единицах мы измеряем длину? В метрах. В чем мы измеряем объемы? Можно измерять в литрах. Литр - это объем, равный одному кубическому дециметру. А чем мы измеряем температуру? Эти вопросы совершенно сходны, но ответы на них принципиально различны. Если мы сольем в бочку несколько ведер холодной воды, то бочка будет заполнена водой. Сумма объемов воды в ведрах будет равна объему бочки. Но сколько бы холодной воды вы ни влили в бочку, горячей воды при этом не получится. Рассуждение это совсем не смешно и не наивно, и факт этот вовсе не очевиден сам собой. Это очень важный закон природы, к которому мы просто привыкли, потому что знаем его из опыта. Из нескольких коротких палок можно составить одну длинную, соединив их между собой встык. Но нельзя сложить температуру раскаленного угля из печи и температуру куска льда. Раскаленный уголь от этого не станет более горячим.

Измерять температуру, подобно тому, как измеряют длину, объем, массу, нельзя потому, что температуры не складываются. Невозможна такая единица температуры, которой можно непосредственно измерять любую температуру, подобно тому, как метром измеряют любую длину. Объем, длина, масса - примеры экстенсивных (количественных) свойств системы. Если железный стержень разделить на несколько частей, температура каждой из них от этого не изменится. Температура – пример интенсивных (качест­венных) свойств системы. Непосредственно установить числовое соотноше­ние между различными температурами невозможно и бессмысленно.

Но ведь измерять температуру необходимо. Так как же ее измерять, если ее нельзя измерить методом, пригодным для измерения экстенсивных величин? Для этого возможен только один путь - использовать объективную связь между температурой и любой экстенсивной величиной: изменением объема, длины, отклонением стрелки гальванометра и т. п.

Поэтому ответ на вопрос: "Какая из перечисленных выше различных "температур" настоящая? может показаться с первого раза странным: все они равноправны. Любое свойство системы, зависящее от температуры, может быть выбрано для ее характеристики и измерения.

Термодинамика сумела указать способ и вещество, которое позволяет осуществить температурные измерения наиболее целесообразно. Это идеаль­ный газ. По его расширению при постоянном давлении или по росту давле­ния при постоянном объеме могут быть проведены наиболее целесообразно измерения температуры. При таком способе измерения бесчисленные выра­жения для любых закономерностей в природе становятся наиболее про­стыми. Но у идеального газа есть один существенный недостаток: такого газа нет в природе.