3. Найти вес тела P = ρgV

4. Определить давление, оказываемое телом на горизонтальную поверхность P = , где F=P

Экспериментальная работа № 12

Тема: «Исследование зависимости показаний термометра от внешних условий».

Цель: исследуйте зависимость показаний термометра в зависимости от внешних условий: падают ли на термометр солнечные лучи или он находится в тени, на какой подложке лежит термометр, какого цвета экран закрывает термометр от солнечных лучей.

Задачи:

Воспитательные: воспитание аккуратности, умения работать в коллективе ;

Оборудование: настольная лампа, термометр, листы белой и черной бумаги.

Какова температура воздуха в комнате и на улице интересует людей каждый день. Термометр для измерения температуры воздуха есть практически в каждом доме, но далеко не всякий человек умеет правильно им пользоваться. Во-первых, многие не понимают самой задачи измерения температуры воздуха. Это непонимание особенно обнаруживается в жаркие летние дни. Когда метеорологи сообщают, что температура воздуха в тени достигала 32°С, то многие люди "уточняют" примерно так: "А на солнце столбик термометра уходил за отметку 50°С!" Имеют ли смысл такие уточнения? Для ответа на этот вопрос выполните следующее экспериментальное исследование и сделайте свои выводы.

Ход работы:

Опыт 1. Измерьте температуру воздуха "на солнце" и "в тени". В качестве "Солнца" используйте настольную лампу.

Первый раз расположите термометр на расстоянии 15-20 см от лампы на столе, второй раз, не изменяя расположения лампы относительно термометра, создайте "тень" листом бумаги, расположив его вблизи лампы. Запишите показания термометров.

Опыт 2. Выполните измерения температуры "на солнце" при условиях использования сначала темной, затем светлой подложки под термометром. Для этого первый раз положите термометр на лист белой бумаги, второй раз на лист черной бумаги. Запишите показания термометров.

Опыт 3. Выполните измерения «в тени», закрыв свет от лампы листом белой бумаги, положенным прямо на термометр. Запишите показания термометра. Повторите опыт, заменив белую бумагу черной бумагой.

Обдумайте результаты выполненных опытов и сделайте выводы, где и как нужно укрепить за окном термометр для измерения температуры воздуха на улице?

Серия опытов при правильном выполнении дает следующие результаты.

Опыт 1 показывает, что показания термометра “на солнце” заметно выше его показаний “в тени”. Этот факт должен получить следующее объяснение. При отсутствии солнечного освещения температуры воздуха и стола одинаковы. В результате теплообмена со столом и воздухом термометр приходит в тепловое равновесие с ними и показывает температуру воздуха.

Когда "солнце" не закрыто листом бумаги, под действием поглощаемого излучения “солнца” температура стола повышается, а прозрачный воздух этим излучением почти не нагревается. Термометр с одной стороны осуществляет теплообмен с поверхностью стола, а с другой стороны - с воздухом. В результате его температура оказывается выше температуры воздуха, но ниже температуры поверхности стола. Каков же тогда смысл показаний термометра “на солнце”?

Упорный любитель измерений температуры воздуха “на солнце” может на это возразить, что его не интересует температура воздуха “в тени”, когда сам он находится “на солнце”. Пусть это будет не температура воздуха, просто показания термометра “на солнце”, но именно они его и интересуют. В этом случае ему пригодятся результаты опыта 2.

Опыт 2 показывает, что на белой хорошо отражающей свет бумаге, показания термометра значительно меньше, чем на черной, хорошо поглощающей световое излучение и сильнее нагревающейся. Следовательно, на вопрос о показаниях термометра “на солнце” нет однозначного ответа. Результат будет сильно зависеть от цвета подложки под термометром, цвета и структуры поверхности баллона термометра, наличия или отсутствия ветра.

Температура воздуха на улице при измерениях вдали от нагретых солнечным излучением предметов и при исключении прямого воздействия излучения на термометр одинакова “на солнце“ и “в тени”, это просто температура воздуха. Но измерять ее следует действительно только “в тени”.

Но создание "тени" для термометра в солнечный день тоже не простая задача. В этом убеждают результаты опыта 3. Они показывают, что при близком расположении экрана от термометра нагревание экрана солнечным излучением будет приводить к существенным ошибкам при измерении температуры воздуха в солнечный день. Завышение температуры будет особенно большим при темной окраске экрана, так как такой экран поглощает почти всю энергию падающего на него солнечного излучения, и значительно меньшей при белой окраске экрана, так как такой экран отражает почти всю энергию падающего на него солнечного излучения.

После выполнения такого экспериментального исследования нужно обсудить практически важный вопрос: как же на практике нужно измерять температуру воздуха на улице? Ответ на этот вопрос может быть примерно таким. Если в квартире есть окно, выходящее на север, то именно за этим окном и нужно укрепить уличный термометр. Если же такого окна в квартире нет, термометр должен быть помещен возможно дальше от нагреваемых солнцем стен, напротив слабо нагреваемых оконных стекол. Баллон термометра должен быть защищен от нагревания солнечным излучением. Результаты опыта 3 показывают, что при попытке защиты термометра от солнечного излучения экран сам нагревается и нагревает термометр. Так как белый экран нагревается меньше, защитный экран должен быть светлым, располагать его следует в достаточном удалении от термометра.

Аналогичное можно быть исследовать зависимость показаний комнатного термометра от места его расположения. Результатом выполнения домашнего задания должно быть установление того факта, что показания комнатного термометра зависят от места его расположения в комнате. Если нас интересует температура воздуха в комнате, то нужно исключить влияние на него нагретых тел и солнечного излучения. На термометр не должен падать прямой солнечный свет, нельзя располагать термометр вблизи нагревательных и осветительных приборов. Не следует вешать термометр на внешнюю стену комнаты, которая летом имеет повышенную, а зимой пониженную температуру относительно температуры воздуха в комнате.

Экспериментальная работа № 13

Тема: «Определение процентного содержания снега в воде».

Цель: Определить процентное содержание снега в воде.

Задачи:

Образовательные: формирование умения сочетать знания и практических навыков;

Развивающие: развитие логическое мышление, познавательного интереса.

Оборудование: калориметр, термометр, мензурка, сосуд с комнатной водой, смесь снега с водой, калориметрическое тело.

Первый вариант

Ход работы:

1.В калориметр со смесью наливают столько воды, чтобы весь снег растаял. Температура получившейся воды была равна t=0.

2.Запишем уравнение теплового баланса для этого случая:

m1 =сm3(t2-t1), где с - удельная теплоемкость воды, - удельная теплота плавления льда, m1 – масса снега, m2-масса воды в снеге, m3-масса влитой воды, t-температура влитой воды.

Отсюда =

Искомое процентное отношение =;

3.Величину m1 + m2 можно определить, перелив всю воду из калориметра в измерительный цилиндр и измерив полную массу воды m. Так как m= m1 + m2 + m3, то

m1 + m2 = m - m3. Следовательно,

=

Второй вариант

Оборудование: калориметр, термометр, весы и разновес, стакан с теплой водой, комок мокрого снега, калориметрическое тело.

Ход работы:

1.Взвесим пустой калориметр, а затем калориметр с комком мокрого снега. По разности определим массу комка мокрого снега (m).

В комке содержится *х граммов воды и *(100 - х) граммов снега, где х-процентное содержание воды в комке.

Температура мокрого снега 0.

2.Теперь добавляем в калориметр с комком мокрого снега столько теплой воды (mв), чтобы весь снег растаял, предварительно замерив температуру теплой воды (to).

3.Взвешиваем калориметр с водой и растаявшим снегом и по разности весов определим массу долитой теплой воды(mв).

4.Замеряем термометром конечную температуру (toсм.).

5.Запишем уравнение теплового баланса:

cmв t = *(100 - х) + с(m+ mв) toсм.,

Где с - удельная теплоемкость воды-4200Дж/кг, - удельная теплота плавления снега

3,3 *105 Дж/кг.

6.Из полученного уравнения выражаем

X=100 -

Экспериментальная работа № 14

Тема: «Определение теплоты плавления льда».

Цель: определить теплоту плавления льда.

Задачи:

Образовательные: формирование умения сочетать знания и практических навыков;

Воспитательные: воспитание аккуратности, умения работать в коллективе;

Развивающие: развитие логическое мышление, познавательного интереса.

Оборудование: тер­мометр, вода, лед, мерный ци­линдр.

Ход работы:

1.В пустой сосуд положите кусок льда и налейте в него из измерительного цилиндра столько воды, чтобы весь лед растаял.

2.В этом случае уравнение теп­лового баланса запишется прос­то:

Ст1 (t1 - t2) = т2

где т2 - масса льда, тх - мас­са налитой воды, tx - началь­ная температура воды, t2 - конечная температура воды, рав­ная О °С, К - удельная тепло­та плавления льда. Из приве­денного уравнения находим:

3.Массу льда можно определить, слив полученную воду в изме­рительный цилиндр и измерив общую массу воды и льда:

М = + т2 = ρаодь, Vобщ.

Так как т2 = М - m1, то

Экспериментальная работа № 15

Цель : используя предложенное оборудование и таблицу зависимости давления насыщенного пара от температуры, определить абсолютную и относительную влажность воздуха в комнате.

Задачи:

Образовательные: формирование умения сочетать знания и практических навыков;

Воспитательные: воспитание аккуратности, умения работать в коллективе;

Развивающие: развитие логическое мышление, познавательного интереса.

Оборудование : стакан, термометр, лед, вода.

Ход работы:

1.Абсолютную влажность воздуха проще всего определить по точке росы. Для измерения точки росы нужно сначала измерить температуру t1воздуха. Затем взять обычный стеклянный стакан, налить в него немного воды при комнатной температуре и поместить в воду термометр.

2.В другом сосуде нужно приготовить смесь воды со льдом и из этого сосуда добавлять понемногу холодную воду в стакан с водой и термометром до тех пор, пока на стенках стакана не появится роса. Смотреть нужно на стенку стакана напротив уровня воды в стакане. При достижении точки росы стенка стакана ниже уровня воды становится матовой из-за множества мелких капелек росы, сконденсировавшихся на стекле. В этот момент нужно снять показания t2 термометра.

3.По значению температуры t2 - точке росы - можно определить по таблице плотность ρ насыщенного пара при температуре t2. Это будет абсолютная влажность атмосферного воздуха. Затем можно найти по таблице значение плотности r0 насыщенного пара при температуре t1. По найденным значениям плотности r насыщенного пара при температуре t2 и плотности ρ0 насыщенного пара при комнатной температуре t1 определяется относительная влажность воздуха j.

Погрешности средств измерений

	Средства измерения	Предел измерения	Цена деления	Инструментальная погрешность
	Линейка ученическая
	Линейка чертёжная
	Линейка инструментальная
	Линейка демонстрационная
	Лента измерительная
	Мензурка
	Весы учебные
	Комплект гирь Г-4-211.10
	Гири лабораторные
	Штангенциркуль школьный
	Микрометр
	Динамометр учебный
	Секундомер электронный KARSER			±0,01 с (0,2 с с учётом субъективной погрешности).
	Барометр-анероид	780 мм. рт. ст.	1 мм. рт. ст.	±3 мм. рт. ст.
	Термометр лабораторный
	Манометр открытый демонстрационный

Плотность жидкостей, металлов и сплавов, твёрдых веществ и материалов.

ρ, кг/м3

Сейчас для нас потребуются только снег, чашка, термометр и немного терпения. Принесём с мороза чашку снега, поставим её в тёплое, но не горячее место, погрузим в снег термометр и будем наблюдать за температурой. Сначала столбик ртути сравнительно быстро поползёт вверх. Снег при этом остаётся ещё сухим. Достигнув нуля, столбик ртути остановится. С этого момента снег начинает таять. На дне чашки появляется вода, а термометр по-прежнему показывает нуль. Непрерывно перемешивая снег, нетрудно убедиться, что, пока весь он не растает, ртуть не сдвинется с места.

Чем же вызвана остановка температуры и как раз на то время, когда снег превращается в воду? Поступающее к чашке тепло целиком расходуется на разрушение кристалликов-снежинок. И как только последний кристаллик разрушится, температура воды начнёт повышаться.

То же самое явление можно наблюдать и при плавлении любых других кристаллических веществ. Все они требуют некоторого количества теплоты для перехода из твёрдого состояния в жидкое. Это количество, вполне определённое для каждого вещества, называют теплотой плавления.

Величина теплоты плавления для разных веществ различна. И вот именно здесь, когда мы начинаем сравнивать удельные теплоты плавления для различных веществ, вода снова выделяется среди них. Как и удельная теплоёмкость, удельная теплота плавления льда намного превосходит теплоту плавления любого другого вещества.

Чтобы расплавить один грамм бензола, нужно 30 калорий, теплота плавления олова равна 13 калориям, свинца - около 6 калорий, цинка - 28, меди - 42 калории. А чтобы превратить при нуле градусов лёд в воду, необходимо 80 калорий! Такого количества теплоты достаточно для повышения температуры одного грамма жидкой воды от 20 градусов до кипения. Только у одного металла, алюминия, удельная теплота плавления превосходит теплоту плавления льда.

Итак, вода при нуле градусов отличается от льда при той же температуре тем, что каждый грамм воды содержит в себе теплоты на 80 калорий больше, чем грамм льда.

Теперь, зная, как высока теплота плавления льда, мы видим, что нам нет никаких оснований жаловаться иногда, что лёд тает "слишком быстро". Имей лёд такую же теплоту плавления, как большинство других тел, он таял бы в несколько раз быстрее.

В жизни нашей планеты таяние снега и льда имеет совершенно исключительное по своей важности значение. Нужно помнить, что только ледниковый покров занимает более трёх процентов всей земной поверхности или 11 процентов всей суши. В районе южного полюса лежит огромный материк Антарктика, превышающий по размерам Европу и Австралию, вместе взятые, покрытый сплошным слоем льда. На миллионах квадратных километров суши царит вечная мерзлота. Только ледники и вечная мерзлота составляют пятую часть суши. К этому надо прибавить ещё поверхность, занесённую в зимнее время снегом. И тогда можно сказать, что от одной четверти до одной трети суши всегда покрыто льдом и снегом. Несколько месяцев в году эта площадь превышает половину всей суши.

Ясно, что огромные массы застывшей воды не могут не отражаться на климате Земли. Какое колоссальное количество солнечного тепла расходуется только на то, чтобы расплавить весной один снежный покров! Ведь в среднем он достигает около 60 сантиметров толщины, а на каждый грамм надо затратить 80 калорий. Но солнце - такой мощный источник энергии, что в наших широтах оно справляется с этой работой иногда в несколько дней. И трудно представить, какое половодье ждало бы нас, если бы лёд имел, например, такую теплоту плавления, как свинец. Весь снег мог бы растаять за один день или даже за несколько часов, и тогда разлившиеся до необычайных размеров реки смыли бы с поверхности земли и самый плодородный слой почвы, и растения, принося всему живому на Земле неисчислимые бедствия.

Лёд, плавясь, поглощает огромное количество тепла. Такое же количество тепла отдаёт вода при замерзании. Если бы вода имела небольшую теплоту плавления, то наши реки, озёра и моря, вероятно, застывали бы после первых же заморозков.

Итак, к большой теплоёмкости воды прибавилась ещё одна замечательная особенность - большая теплота плавления.

А знаете ли вы, что...

Шведский учёный А.Цельсий выполнял проверку температурной шкалы? «Я повторял опыты два года, при различной погоде, и всегда находил точно такую же точку на термометре. Я помещал термометр не только в тающий лед, но и в снег, когда он начинал таять. Я помещал также котёл с тающим снегом вместе с термометром в топящуюся печь и всегда находил, что термометр показывал одну и ту же точку, если только снег лежал плотно вокруг шарика термометра». Так А.Цельсий описывал результаты своих опытов в XVIII веке.

Существует очень легкоплавкое металлическое вещество – сплав Вуда? Если из него отлить чайную ложечку, то в стакане с горячим чаем она расплавится и стечет на дно стакана!

На вершине горы Эверест, самой высокой точке Земли, атмосферное давление в три раза меньше нормального? При таком давлении вода кипит при температуре всего 70 °С? В «кипятке» такой температуры даже чай как следует не заваришь.

Снимая с кухонной плиты горячую кастрюльку, нужно пользоваться только сухой тряпкой или варежкой? Если они будут влажными, вы рискуете получить ожог, так как вода проводит теплоту в 25 раз быстрее, чем воздух между волосками ткани.

Если бы уголь или дрова имели такую же хорошую теплопроводность, как и металлы, то поджечь их было бы просто невозможно? Тепло, подводимое к ним (например, от спички), очень быстро передавалось бы в толщу материала и не нагревало бы поджигаемую часть до температуры воспламенения.

По пути к Земле солнечные лучи проходят через космический вакуум огромное расстояние – 150 миллионов километров? И несмотря на это, на каждый квадратный метр земной поверхности падает поток энергии мощностью ≈ 1 кВт. Если бы эта энергия «падала» на чайник, то он закипел бы всего через 10 минут!

Если бы человек мог видеть тепловое излучение, то, попав в тёмную комнату, он увидел бы немало интересного: ярко сияющие трубы и батареи отопления, окружённые светлыми вьющимися струйками тёплого воздуха? Такие же струйки были бы и над музыкальным центром, телевизором.

В XIX веке замороженные продукты считались безнадёжно испорченными? И только трудности снабжения продовольствием, которые стали препятствием для развития больших городов, заставили преодолеть предрассудки. В конце XIX – начале XX века во многих странах были изданы законы, предписывающие строительство специальных сооружений – холодильников.

Тепловые насосы, позволяющие регулировать температуру и влажность воздуха, – кондиционеры – начали применяться уже в начале прошлого века? С 20-х годов XX века их стали устанавливать в многолюдных зданиях и помещениях: театрах, гостиницах, ресторанах.

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

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

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

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

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

Долгий путь термометров

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

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

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

Температура

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

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

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

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

Термоскоп и первые воздушные термометры

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

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

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

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

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

Первые жидкостные термометры

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Печатается с продолжением