Термоскоп Галилея и первые термометры

Что показывает жидкостный термометр?    Термоскоп Галилея и первые термометры     В 1592 году Галилео Галилей, которому тогда было 28 лет, получил место  профессора математики в престижном и богатом университете г. Падуя. Однако  круг интересов Галилея отнюдь не ограничивался математикой. Он активно  занимался вопросами астрономии, механики и именно его работы положили  начало развитию физики как науки.     Галилей был блестящим преподавателем и его лекции всегда проходили в  переполненных аудиториях. Заинтересовать студентов Галилею помогал, в  частности, талант изобретателя, позволявший ему создавать прекрасные  наглядные пособия. Одним из таких пособий был термоскоп – прибор,  предназначенный для демонстрации известного ещё древним грекам свойства  воздуха расширяться при нагревании.       Главной частью термоскопа Галилея (см. Рис. 1) был стеклянный шар  размером примерно с куриное яйцо с припаянной к нему и опущенной в  окрашенную жидкость (обычно это было красное вино) тонкой стеклянной  трубкой. Когда воздух в шаре разогревался ладонями профессора, уровень  жидкости в трубке опускался на величину, пропорциональную отношению  объёма шара к площади сечения трубки. В этом и состояла главная суть  изобретения Галилея, использованная затем всеми создателями термометров,  основанных на тепловом расширении – делая трубку достаточно тонкой, можно  получить вполне ощутимое снижение уровня даже при незначительных  изменениях объёма газа. Рис. 1. Термоскоп Галилея     Позднее Галилей существенно упростил конструкцию термоскопа ­ он  использовал трубку настолько малого диаметра, чтобы капиллярные силы могли  удерживать каплю жидкости в подвешенном состоянии, установил эту трубку  над шаром и ввёл в неё сверху каплю подкрашенной воды, перемещение которой  свидетельствовало о расширении воздуха.     Демонстрации термоскопа на лекциях проводились Галилеем в первом  десятилетии XVII века, а уже во втором десятилетии были сделаны попытки  превратить его термоскоп в прибор, измеряющий нагретость воздуха, нанеся на  трубку прибора шкалу – равноудалённые друг от друга метки.  /*Известны публикации на эту тему старшего по возрасту коллеги Галилея по  университету в Падуе профессора медицины Санторио и жившего в Венеции  друга Галилея математика Сагредо*/.     Авторы этих изобретений незаметно для себя дали первое количественное  определение температуры воздуха – они предложили считать мерой  нагретости  объём фиксированной массы воздуха, находящегося  в шаре и в  прилегающей к нему части трубки, а величину объёма измерять положением  уровня жидкости в трубке по шкале в некоторых условных единицах (градусах).     Как мы знаем теперь, такое определение температуры некорректно, т.к. объём  воздуха в шаре прибора зависит не только от степени нагрева, но и от  атмосферного давления, которое может вполне ощутимо меняться как во  времени, так и в зависимости от места измерения. Однако, в начале XVII века,  когда ещё даже не было отчётливого представления об атмосферном давлении,  воздушные термометры Санторио и Сагредо не получили распространения из­за  их громоздкости и неудобства использования, а не по каким­либо теоретическим соображениям.     Жидкостные термометры     Следующий важный шаг был сделан в 1641 году жившим во Флоренции  естествоиспытателем и изобретателем Фернандо Медичи, который был учеником и почитателем Галилея, а также, по случайному стечению обстоятельств,  Великим герцогом Тосканским Фердинандом II.     Медичи взял за основу главную находку Галилея, обеспечивавшую высокую  чувствительность прибора – шар, соединённый с узкой трубкой. Как и в  окончательном варианте термоскопа Галилея, трубка в приборе Медичи была  расположена вертикально, шар подсоединялся к ней снизу, а верхний конец  тубки был открыт в атмосферу. Главное же отличие изобретения Медичи от  прототипа состояло в том, что шар наполнялся не воздухом, а  специальной термометрической жидкостью, изменение объёма которой при  нагреве определялось, как и в термометрах Санторио и Сагредо, с помощью  равномерной шкалы, нанесенной на трубку.     Интервал температур, в котором может работать жидкостный термометр,  ограничен снизу точкой замерзания жидкости, а сверху – точкой кипения при атмосферном давлении. Поскольку главным назначением своего прибора Медичи видел измерение температуры атмосферного воздуха, он выбрал в качестве  термометрической жидкости винный спирт, точка кипения которого (78 °С)  вполне устраивала, а точка замерзания (– 114 °С) была в то время недостижима,  так что он считался незамерзающей жидкостью.      В термометрах, изготовлявшихся в принадлежащих Медичи мастерских, роль  шкалы играли бусинки, припаянные к трубке, или точки, нанесенные на  разогретую трубку расплавленной эмалью. Обычно шкала имела 50 делений,  который выбирались так, что 10 примерно соответствовало таянию снега, а 40 –  максимальному нагреву прибора на солнце.   Рис. 1. Жидкостной термометр Медичи     Заметив, что градуировка шкалы постоянно сбивается из­за испарения  термометрической жидкости, Медичи в 1654 году решил верхний конец трубки  запаять. Так появилась конструкция жидкостного термометра, широко  используемая и в наши дни. Дальнейшие усовершенствования, проведенные во  второй половине XVII и всего XVIII века  касались исключительно способов  построения шкалы и, в частности, выбору двух фиксированных контрольных  точек, температуру которых можно считать постоянной и стабильно  воспроизводимой в различных условиях эксперимента. После нанесения на  шкалу рисок, соответствующих обеим фиксированным точкам, оставалось  только разделить промежуток между ними на заранее обусловленное число  равных частей, называемых градусами.      В дальнейшем различными исследователями был опробован целый ряд  вариантов термометрической жидкости. Так, например, Исаак Ньютон проводил  эксперименты с льняным маслом. Позднее, уже в XVIII веке, когда активно  проводились работы по созданию и использованию паровых машин и понадобилось измерять температуры, превышающие точку кипения воды при  нормальном давлении, в качестве термометрической жидкости стала широко  использоваться ртуть, имеющая самую высокую температуру кипения (357 °С)  среди всех веществ, находящихся в жидком состоянии при нормальных  условиях. При этом точка замерзания ртути (– 39 °С) была достаточно низкой  для использования ртутных термометров в метеорологических исследованиях,  кроме редких случаев экстремально низких температур.     Легко воспроизводимые  фиксированные точки, пригодные как для  спиртового, так и для ртутного термометра, после многочисленных  экспериментов, проведенных в 1708­1724 годах предложил немецкий  изобретатель и естествоиспытатель Даниэль Габриэль Фаренгейт. В качестве  нижней фиксированной точки он взял температуру таяния льда, смешанного с  нашатырём (примерно – 18 °С), в качестве верхней – температуру таяния чистого льда (0 °С), а промежуток между ними разделил на 32 градуса. Значительно  позднее, в 1742 году шведский учёный Андерс Цельсий предложил свою шкалу с  фиксированными точками, соответствующими таянию чистого льда (0 °С) и  кипению воды при нормальном давлении (100 °С). Верхняя из этих точек была  более удобна для ртутных термометров, но совершенно непригодна для  спиртовых.      Почему жидкостный термометр является квазитермометром    Поскольку величиной, непосредственно измеряемой с помощью прибора  Медичи, является выраженный в градусах соответствующей шкалы удельный  объём термометрической жидкости, сделанное в дальнейшем объявление этого  прибора термометром равносильно введению определения понятия градус  теплоты, состоящему из двух частей:          градус теплоты термометрической жидкости равна её удельному  объёму, выраженному в градусах принятой шкалы;          градус теплоты любого тела равна показанию жидкостного  термометра, находящегося с ним в состоянии теплового равновесия.     Первая часть этого определения основана на предположении, что изменение  удельного объёма при нагреве протекает одинаково у всех жидкостей, так что  совпадение показаний термометра в фиксированных точках автоматически  обеспечит совпадение и во всех других точках шкалы. Однако позднее, в 1739  году французский исследователь Реомюр (René Antoine     de Réaumur)  обнаружил, что показания ртутного и спиртового термометров, вообще говоря,  не совпадают, так что ртутный термометр показывает «ртутный градус  теплоты», а спиртовый – «спиртовый градус  теплоты» [Quinn, N.J. Temperature. London ­ San Diego. Academic Press. 1990.­  495 p.]. Более того, если учесть, что удельный объём жидкостей зависит не  только от градуса теплоты (или, в современной терминологии, от температуры),  но и от давления, а давление в полости, занятой термометрической жидкостью,  может при нагреве или охлаждении жидкости меняться в широких  пределах, зависящих от конструктивных параметров прибора, то окажется,      Ferchault что, строго говоря, показания каждого конкретного термометра не  совпадают с показаниями других термометров.    Что же касается второй части определения, то оно предполагает возможность  состояния теплового равновесия между термометрической жидкостью и  объектом измерения. В этом состоянии градус теплоты термометрической  жидкости должен быть одинаков во всём занимаемом ею объёме и совпадать с  градусом теплоты стеклянной оболочки термометра и градусом теплоты  измеряемого объекта во всех точках области, прилегающей к поверхности  термометра. Однако, поскольку такое равновесное состояние в  макроскопических объёмах никогда не достигается, вся вторая часть  определения теряет какой­либо смысл.     Таким образом, жидкостные термометры основаны на некорректном  определении понятия «градус теплоты» и являются квазитермометрами.     Нужно отметить, что для подавляющего большинства имевших место в  дальнейшем практических применений термометра (в метеорологии – для  измерения температуры воздуха, в медицине – для измерения температуры тела  и т.д.) абсолютно безразлично, что на самом деле этот прибор измеряет и каков  физический смысл понятия «градус теплоты» или «температура». Важно только,  чтобы в сходных условиях результаты измерений разными приборами, а  также одним и тем же прибором, но в разное время, совпадали с  приемлемой точностью. Жидкостные термометры этим требованиям  удовлетворяли, что и обусловило их успешное применение на протяжении трёх с  половиной веков, прошедших после изобретения. Мифы физики   Дата последнего обновления:  17.06.10