Долгое время в качестве инструмента для измерения температуры человек использовал лишь собственный палец. Думаю, многие из вас и сейчас время от времени измеряют ее, доверяя своим тактильным ощущениям. (Очень холодно, холодно, тепло, горячо, ожог.)
Но на сколько объективны такие измерения? Приведу простой пример. Плюшевый медведь и чугунная гиря, находясь в одной комнате длительное время, имеют одинаковую температуру. Но на ощупь гиря скорее всего покажется нам более холодной.
Чтобы понять, что такое температура, как ее точно измерить, а также помочь всем тем, кто страдает бессонницей, давайте обратимся к скучной теории.
Макроскопические и микроскопические тела.
Мы живем в макромире, и все предметы, которые нас окружают принято называть макроскопическими телами.
Да может быть ваша любимая кружка в масштабах вселенной кажется не такой уж и большой, чтоб носить приставку макро. Но относительно огромного числа атомов и молекул, из которых она состоит, это название вполне заслуженно.
Сами же атомы и молекулы, а также электроны, протоны, нейтроны принято называть микроскопическими телами или микроскопическими частицами.
Совокупности макроскопических тел или иногда отдельные макроскопические тела называют термодинамическими системами.
Так как эти системы состоят из огромного числа подвижных микроскопических частиц, они способны обмениваться веществом и энергией, как внутри самой системы, так и с окружающей средой.
Только представьте какие процессы происходят в Вашей кружке пока она остывает, дожидаясь Вас на кухне.
И здесь интересный момент. Для описания термодинамической системы не обязательно рассматривать поведение каждой отдельной ее молекулы. Это в принципе невозможно.
Состояние термодинамической системы прекрасно характеризуется набором макроскопических параметров, которые описывают систему в целом. Одним из таких параметров и является температура.
Температура и нулевое начало термодинамики
Я говорил в самом начале, что гиря и плюшевый медведь, находясь длительное время в комнате будут иметь примерно одинаковую температуру.
В основе этого утверждения лежит фундаментальный постулат или нулевое начало термодинамики, которое фактически дает определение температуры.
В каком бы состоянии не находились тела в изолированной термодинамической системе, со временем эта система придет в состояние теплового (термодинамического) равновесия, и все части этой системы будут иметь одинаковую температуру.
Конечно, комната не совсем изолированная термодинамическая система. Но в физике главное что? Правильно! Умение пренебрегать.
Пока тела имеют разную температуру между ними может происходить теплообмен. Горячие тела будут остывать, холодные нагреваться. Но как только температура тел сравняется, теплообмен между ними прекратится.
По этому поводу Рудольф Клаузиус в 1865 году выдвинул даже гипотезу о тепловой смерти вселенной. Согласно этой гипотезе вселенная рано или поздно должна прийти к термодинамическому равновесию и умереть.
Но вернемся к температуре. Мы разобрались что фактически температура является величиной, характеризующей способность тел или термодинамических систем вступать в тепловое взаимодействие друг с другом. Давайте теперь подумаем, как можно ее измерять, не прибегая к помощи пальца.
Измерение температуры
Думаю, не для кого не секрет, что прибор для измерения температуры называется термометром. На сегодняшний день их существует большое количество, отличающихся друг от друга формами, размерами, областями применения и конечно принципами работы.
И хотя 2020 год внес свои коррективы и пирометром, позволяющим измерять температуру на расстоянии, уже никого не удивишь. Все же самыми распространёнными термометрами являются жидкостные.
Забавно, но первые термометры появились еще до того, как человек понял, что он ими измеряет. Поэтому сейчас очень трудно сказать кто именно изобрел это устройство. Да, здесь часто называют имя Галилео Галилея. Но его термоскоп даже не имел шкалы, чтоб измерять что либо, поэтому термометром его можно назвать с большой натяжкой.
Но вот то, что жидкостные термометры приобрели современный, знакомый нам с детства вид в этом определенно заслуга Габриэля Фаренгейта.
Термометры Фаренгейта отличались особой точностью. Причем показания любых двух его экземпляров всегда соответствовали друг другу. Не удивительно что они в свое время завоевали большую популярность.
Особенность температуры заключается в том, что мы не можем измерять ее напрямую, а можем лишь судить о ней по изменению других макропараметров. В основе жидкостных термометров лежит тепловое расширение жидкости. То есть о изменении температуры мы судим по изменению ее объема.
В своих первых термометрах, начиная с 1709 года, Фаренгейт использовал подкрашенный спирт. Но позже, в 1714 году, он перешел на тяжелый металл. То есть на ртуть.
Как придумать свою температурную шкалу?
Если нам необходимо измерить температуру. Ну скажем температуру воды в кастрюле. Помещаем термометр в воду. Его температура быстро уравняется с температурой воды. Вспоминаем нулевое начало термодинамики. В свою очередь спирт займет соответствующий этой температуре объем, и столбик термометра укажет нам температуру.
Но хорошо если за окнами 21 век, и мы купили термометр в ближайшем сетевом супермаркете. А если нет? Если на дворе начало 18 века, и термометр мы изготовили сами, буквально на коленке?
Необходимо придумать свою температурную шкалу, что позволит сопоставлять показания термометра с температурами физических явлений, взятыми за эталон.
Измеряем температуру соседского кота и берем ее за ноль. Это будет наша первая реперная точка. За вторую точку можно взять температуру борща, кипящего на плите. Измеряем ее, и принимаем за 100. Теперь столбик термометра от первой до второй точки делим на 100 равных частей (градусов) и наша шкала готова.
Все очень просто, поэтому не мудрено что к концу 18 века общее количество известных шкал достигало девятнадцати. А если прикинуть что могли существовать и неизвестные, вроде нашей… Благо до сегодняшнего дня дожили не все. Давайте рассмотрим самые живучие.
Шкала Фаренгейта
В своей шкале Фаренгейт использовал не две, а три основные реперные точки. За ноль была принята температура замерзания смеси льда, воды и нашатыря, которая, по одной из версий, соответствовала температуре самого холодного дня зимы 1709 года.
Вторая точка — это температура замерзания воды. Она заняла отметку в 32 градуса.
И третьей точкой, в 100 градусов, должна была стать температура здорового человека. Но толи 300 лет назад люди были более горячие, толи Фаренгейт что-то намерил неправильно.
В общем 100 F это температура не здорового человека, а самого что ни на есть больного. Существует версия, согласно которой за эталон температуры здорового человека, фаренгейт взял температуру своей жены. Но на тот момент она приболела и получилось, то, что получилось.
Давайте воспользуемся формулой для перевода градусов Фаренгейта в привычные нам цельсии, и узнаем какая же температура была у жены ученого.
T(°С) = 5/9 х (t (°F) — 32)
100 °F =37.8 °С
Чтобы определить какой же будет нормальная температура человека по шкале Фаренгейта, воспользуемся обратной формулой:
T(°F) = 9/5 х (t (°C) + 32)
36.6 °С = 97.88°F
То есть нормальная температура человека соответствует примерно 98 °F.
Шкала Фаренгейта использовалась в англоязычных странах вплоть до 1960 года, пока не была введена международная система единиц (СИ), с ее кельвинами и цельсиями. Как известно США не приняла систему СИ. Так что, если ваша температура 98 градусов, и вы при этом не испытываете никаких беспокойств, то скорее всего вы живете в США. Ну или в Либерии, Белизе, Палау, на Каймановых островах, или на Багамах. В общем в тех уголках нашей планеты, где еще сохранился Фаренгейт. А мы переходим к Цельсию.
Шкала Цельсия
Со шкалой Цельсия тоже не все так просто. Мы привыкли что при нуле градусов тает лед, а при ста кипит вода. Но если бы вы сказали об этом шведскому астроному, геологу и метеорологу Андерсу Цельсию, чье собственно имя и носит эта шкала, то скорее всего он был бы крайне удивлен.
Цельсия смущали отрицательные температуры, поэтому ноль в своей шкале он определил как температуру кипения воды, а сто градусов как температуру плавления льда. То есть современная шкала является перевернутой шкалой Цельсия. Ну а придал ей привычный нам всем вид, соотечественник Цельсия Мартин (Мортен) Штремер. После смерти самого Цельсия.
Так что фактически, то, что называется шкалой Цельсия правильней было бы назвать шкалой Штремера. И вроде как по началу в Швеции она так и называлась, пока Йонс Якоб Берцелиус не назвал ее по ошибке шкалой Цельсия в своем учебнике химии. Учебник издавался не только в Швеции, но и за ее пределами…
Опять же это одна из версий. Существуют и другие. Так по одной из них шкалу перевернул Линей, Шведский ботаник, а по другой сам Цельсий. По совету, опять же, Мартина Штремера.
Абсолютный ноль, и шкала Кельвина.
Шкала фаренгейта, шкала цельсия, да и наша собственная шкала имеют один существенный недостаток. Они относительные. Вода, в зависимости от давления, может кипеть при разных температурах, температура жены тоже вещь не постоянная, как, собственно, и температура кота.
Да, для того чтобы понять, что одеть, пальто или пуховик, термометра со шкалой цельсия за окном будет вполне достаточно. Но для науки все эти заморочки с давлением, зимой 1709 года, и борщом на плите будут вносить определенные неудобства. Необходима абсолютная шкала, которая уже не зависит от всяких глупостей.
Такую шкалу предложил лорд Кельвин он же Томпсон.
Точкой отсчета в этой шкале был взят абсолютный ноль — температура, при которой останавливаются все процессы внутри вещества. То есть атомы и молекулы перестают двигаться.
Понятно, что для такой шкалы не существует отрицательных температур.
Причем за ее основу Кельвин взял уже существующую шкалу Цельсия, просто опустив ее вниз на 273,15 градуса. Все это очень удобно для перехода между шкалами.
Нужно цельсии перевести в кельвины прибавляем 273. Если наоборот кельвины в цельсии отнимаем 273.
Зная, это легко определить абсолютный ноль по шкале Кельвина. От нуля отнимаем 273 и получаем — 273 градуса Цельсия. −273,15° С если быть точнее. Просто часто для расчетов используют округленное до целых значение.
Все. На этом на сегодня остановимся. Для разминки можете перевести в цельсии температуру холодной зимы 1709 года, выразить в кельвинах температуру вашего кота, и конечно определить температуру кипения борща в США. Результаты пишите в комментариях. Всем тепла!
