Борис Бурда
Журналист, писатель, бард. Обладатель «Бриллиантовой совы» интеллектуальной игры «Что? Где? Когда?»
Liberal Arts
6 мин. на чтение

БОРИС БУРДА: как достаточно точно измерить температуру

БОРИС БУРДА: как достаточно точно измерить температуру
Поделиться материалом
Сгенерировано с помощью ИИ / bing.com

 

ВНИМАНИЕ — ВОПРОС!

 

Британские шпионы, занимающиеся картографической съемкой Тибета, использовали четки со 100 бусинками (вместо положенных у буддистов 108) для счета шагов, прятали записные книжки в молитвенные мельницы… А какой прибор для определения высоты над уровнем моря они скрывали внутри своих посохов?

 

ВНИМАНИЕ — ПРАВИЛЬНЫЙ ОТВЕТ!

 

Термометр — по температуре кипения воды просто определить высоту.

 

ГОРЯЧО — ХОЛОДНО

 

Недавно представления археологов о времени одного из самых важных открытий человечества существенно изменились. Еще в недалеком прошлом все были уверены, что люди научились пользоваться огнем примерно 400 000 лет назад. Но археологи нашли у африканского озера Виктория очаг, сооруженный нашими древними предками 1 400 000 лет назад.

Скорее всего, первым источником огня для людей действительно были молнии и вызванные ими лесные пожары — как в детской книжке Рони-старшего «Борьба за огонь». Еще в XIX веке аборигены Андаманских островов так и жили — берегли огонь, зажженный от молнии, брали с собой тлеющие головни, а большое никогда не тухнущее бревно всегда хранили в деревне.

Только примерно 50 000 лет назад люди научились добывать огонь трением, а чуть позже придумали трут и стали высекать искры, ударяя друг о друга соответствующие камни — кремень или пирит. Стало полегче, потому что польза от огня была огромной — отпугнуть хищников, согреться в холодную ночь, а позже люди даже додумались готовить на огне еду.

Большой костер грел сильнее, малый — слабее, сидящим рядом с костром было теплее, чем находящимся в отдалении. Да и просто температура воздуха ощутимо менялась: днем было теплее, чем ночью, зимой — холоднее, чем летом. Окружающий воздух или нагретый предмет могли быть более или менее горячими или холодными. Насколько именно — пока неясно…

 

Старинное огниво
Старинное огниво / wikipedia.org

 

А НАСКОЛЬКО ГОРЯЧО?

 

Уже в античные времена сформировались две гипотезы о том, что такое тепло и холод. Согласно первой из них, теплота — особый вид материи, невидимый и невесомый, который может перетекать из твердого, жидкого или газообразного тела в другое, находящееся рядом. Вторая же объявляла тепло не какой-либо материей, а неким особым состоянием материи.

Термометра в античности не изобрели, и это было неудивительно — экспериментальная физика влачила жалкое существование по весьма постыдной причине. Просто считалось, что труд — удел рабов, а истинные философы совершают открытия только путем мудрых размышлений. По той же причине плоды этих размышлений не проверяли — это же труд!

Создатель множества поразительных устройств Герон Александрийский, живший в начале нашей эры, изобретенную им вполне работоспособную паровую турбину считал просто забавной игрушкой и называл эолипил (Эолов мяч), чтобы, не дай бог, никто не подумал, что он изобрел полезную вещь, — сразу разжалуют из философов в простые ремесленники.

Он же придумал устройство, которое впервые в мире реагировало на изменение температуры. Это шар с двумя трубками, заполненный водой. Когда воздух в верхней части шара, расширяясь от нагревания, давит на воду, та капает в нижний ящик. В холодную же погоду вода из нижнего ящика вытесняется давлением наружного воздуха по прямой трубке в шар.

Но внимания на него практически никто не обратил — зачем? Даже придуманный тем же Героном автомат для продажи воды (с учетом времени действия не газированной, а освященной) — и тот привлек большее внимание: бизнес все-таки! Да и был это не термометр, а термоскоп: показывал, становится ли теплее или холоднее, но не говорил, насколько.

 

Герон Александри́йский — греческий математик и механик. Его относят к величайшим инженерам за всю историю человечества. Он первым изобрел множество изобретений.  Занимался геометрией, механикой, гидростатикой, оптикой. Герон использовал достижения своих предшественников: Евклида, Архимеда, Стратона из Лампсака
Герон Александри́йский — греческий математик и механик. Его относят к величайшим инженерам за всю историю человечества. Был автором множества изобретений. Занимался геометрией, механикой, гидростатикой, оптикой. Герон использовал достижения своих предшественников: Евклида, Архимеда, Стратона из Лампсака / wellcomecollection.org

 

ОПЯТЬ ГАЛИЛЕЙ

 

Ничего другого не было на протяжении веков. Есть отрывочные сведения о византийце Филоне, который через 500 лет после Герона тоже построил нечто подобное, но нет ни этого прибора, ни сведений о его работе, так что еще вопрос, был он или нет. До прорыва в решении этой проблемы пришлось дожидаться богатого научными открытиями Возрождения.

Сам Галилей об этом не пишет, но его ученики говорили, что еще в 1597 году он показывал им прибор, состоящий из стеклянной трубочки с шариком на конце. В открытое горлышко трубки была введена капелька ртути. При изменении температуры воздуха внутри шарика ртутная «пробка» то поднималась, то опускалась. Ученики говорили, будто сами видели, честное слово!

Галилей это придумал или нет, но идея явно витала в воздухе. Идею создания термометра высказал голландец ван Гельмонт, изобретатель слова «газ», другой голландец, ван Дреббель, строитель первой подводной лодки, придумал свой термометр. Может, Галилей не любил голландцев? В присвоении придуманной голландцами подзорной трубы его тоже уличили…

Сейчас термометр Галилея — популярная красивая игрушка. В стеклянный сосуд загружают определенное количество поплавков, у каждого из которых несколько иная плотность. Плотность воды с изменением температуры меняется, последний из всплывших поплавков и будет соответствовать правильной температуре. Другой вопрос: при чем тут Галилей?..

 

Термоскоп — прибор созданный Галилео Галилем и показывающий изменения температуры. Типичная конструкция представляет собой трубку, в которой жидкость поднимается и опускается при изменении температуры
Термоскоп — прибор, созданный Галилео Галилеем. Типичная конструкция представляет собой трубку, в которой жидкость поднимается и опускается при изменении температуры / museogalileo.it

 

РЕПЕРНЫЕ ТОЧКИ

 

Тогда уже хорошо знали, что более теплое тело, соприкасаясь с более холодным, остывает — ну и наоборот, конечно. Потому количественную характеристику теплоты и назвали температурой (в переводе с латыни — надлежащее смешение). Сразу возник вопрос — нет ли в природе чего-либо с температурой, которая всегда одинакова? Сравнивая с ним, можно было бы измерять.

Первую интересную идею о таком веществе подал итальянский врач Санторио Санторио (не описка, такие имя и фамилия). Он предположил, что температура тела здорового человека всегда одинакова. И даже придумал прибор, который сравнивал температуру конкретного человека с этим показателем, — уже можно было судить, здоров человек или болен.

Неизменность этого параметра, правда, несколько сомнительна — более того, нашлись данные, что средняя температура тела здорового человека примерно на 0,4 градуса ниже, чем в XIX веке. Хочется какой-то более устойчивой реперной точки, которая по физическим причинам не меняется на такую заметную величину со временем. Или вообще не меняется.

Еще в середине XVII века известный физик Роберт Бойль (это который Бойль — Мариотт, но и сам по себе он интересен) предложил прекрасную и очень надежную реперную точку — температуру замерзания воды. Тонкости с тем, что эта температура зависит еще и от атмосферного давления, причем довольно существенно, пока что решили не замечать.

А уже в 1695 году Карло Ренальдини из Павии уже соорудил термометр, нижняя реперная точка которого соответствовала температуре смеси воды со льдом, а верхняя — температуре кипящей воды. Прекрасное и простое решение, да вот прижилось оно не сразу. Помешал человек из вольного города Данцига, в котором зима 1709 года была ужасно холодной.

 

Санторио Санторио — итальянский физиолог, врач и профессор. Он известен как изобретатель ряда медицинских приборов. Его труд De Statica Medicina, написанный в 1614 г., увидел множество публикаций и оказал влияние на многие поколения врачей
Санторио Санторио — итальянский физиолог, врач и профессор. Он известен как изобретатель ряда медицинских приборов. Его труд De Statica Medicina, написанный в 1614 г., увидел множество публикаций и оказал влияние на многие поколения врачей / wikipedia.org

 

Вступая в клуб друзей Huxley, Вы поддерживаете философию, науку и искусство

 

ФАРЕНГЕЙТ

 

Сын богатого купца Даниель Габриель Фаренгейт рано лишился родителей и сам для себя выбрал не привычную купеческую стезю, а научную карьеру. Он учился в Англии, Германии, а потом поселился в Нидерландах, где и изготовил свой первый термометр. Он был похож на привычные нам: высота подъема жидкости в запаянной трубке показывала температуру.

А вот с реперными точками он малость начудил. Зима 1709 года в Данциге, как уже говорилось, была холодней некуда, и поэтому Фаренгейт именно самую низкую температуру воздуха этой зимы решил принять за нуль градусов. Он изготовил смесь из снега, соли и нашатыря, тающую именно при этой температуре — по современной шкале около -17,78°C.

С верхней точкой вышло еще удивительней. Как преданный супруг, он решил увековечить свою подругу жизни и замерил ее температуру — он решил, что это и будет температура в 100 градусов! Но, скорее всего, жена в это время была малость простужена, и через некоторое время шкалу скорректировали. Так что привычная нам температура +36,6°С — это +98,2°F.

Температура кипения воды по шкале Фаренгейта выходила ровно 212°F, температура таяния льда — 32°F, так что разница между ними была ровно 180 градусов. Случайно так вышло, или есть какая-то закономерность? Наверное, есть, но не стоит ее искать — если в ней столько же логики, сколько в выборе реперных точек, описанных выше, нипочем не додумаетесь.

В любом случае сильная сторона термометров Фаренгейта была в том, что их было легко поверять. Более того, два изготовленных в разных местах термометра Фаренгейта можно было взять и измерить ими один и тот же объект, и цифры получились, во всяком случае, похожие! Так что это уже была не забавная игрушка, а полезный для науки измерительный прибор.

 

Даниэль Габриэль Фаренгейт — физик, изобретатель и создатель научных приборов. Он родился в Польше в семье выходцев из Германии, но в возрасте 15 лет переехал в Голландию, где и прожил всю оставшуюся жизнь. Он помог заложить основы эры точной термометрии, создав ртутный термометр в стекле и шкалу Фаренгейта
Даниель Габриель Фаренгейт — физик, изобретатель и создатель научных приборов. Он родился в Польше в семье выходцев из Германии, но в возрасте 15 лет переехал в Голландию, где и прожил всю оставшуюся жизнь. Помог заложить основы эры точной термометрии, создав ртутный термометр в стекле и шкалу Фаренгейта / dkfindout.com

 

ЦЕЛЬСИЙ (И РЕОМЮР ДО КУЧИ)

 

Были и другие термометры. Вскоре свой вариант предложил шведский ученый Андерс Цельсий. Он был интересным человеком и за короткую 44-летнюю жизнь успел много — от основания Уппсальской астрономической обсерватории до участия в экспедиции, измерившей длину градуса меридиана и доказавшей, что Земля — не шар, а сплющена у полюсов.

Но главное, что его прославило, — это изобретение термометра с очень простыми и легко воспроизводимыми реперными точками. Одной из них стала температура так называемой тройной точки воды (практически это температура плавления льда), а второй — температура кипения водяных паров. Это вам не Фаренгейт — все так же, как у нас, да? В общем, не совсем…

Дело в том, что по неведомой причине Цельсий посчитал температуру пара за 0 градусов, а льда — за 100: то же, что у нас, но вверх ногами! Вот и была у него температура здорового человека 63,4°С, а больного — меньше… Только через год после его кончины Карл Линней, создатель классификации животных и растений, перевернул шкалу, как сейчас принято.

Раньше Цельсия, хотя и позже Фаренгейта, предложил свою температурную шкалу Рене-Антуан Реомюр. У нее была только одна реперная точка — температура плавления льда. А градус Реомюра был выбран так, чтобы соответствовать расширению спирта (рабочей жидкости его термометра) ровно на 1/1000 его объема. Но тогда 1°R — 0,926 °С, а не 1,25, как мы считаем…

В чем же тут дело? В элементарной путанице: ремесленники, которые начали изготовлять термометры Реомюра, знали, что спирт кипит при 80°С, и, чтобы не заниматься сложными вычислениями, решили, что будут считать температуру кипения воды равной именно 80°R. Так оно и прижилось, и в определенное время шкала Реомюра была популярна во Франции.

 

Андерс Цельсий — шведский астроном, физик и математик. Был профессором астрономии в Упсальском университете, а в 1741 году основал Упсальскую астрономическую обсерваторию. В 1742 году предложил температурную шкалу Цельсия, которая впоследствии была переименована в шкалу Цельсия в его честь
Андерс Цельсий — шведский астроном, физик и математик. Был профессором астрономии в Уппсальском университете, а в 1741 году основал Уппсальскую астрономическую обсерваторию. В 1742 году предложил температурную шкалу, которая впоследствии была переименована в шкалу Цельсия в его честь / wikipedia.org

 

КЕЛЬВИН КАК АБСОЛЮТ

 

Когда стало ясно, что температура тела есть степень подвижности его молекул, возник простой вопрос: какова будет температура, когда все молекулы неподвижны? Уильям Томпсон, позже лорд Кельвин (кстати, первый британский ученый, попавший в палату лордов за научные заслуги), предложил свой ответ на этот вопрос, пользуясь уже привычной шкалой Цельсия.

Было вычислено, что абсолютный нуль температуры соответствует показателю в -273,16°С. Градус Кельвина (с 1968 года — просто кельвин) был принят равным градусу Цельсия. Эта шкала употребляется в системе СИ. Никаких отрицательных температур в ней нет и быть не может! Но вытеснить из нашего быта привычную шкалу Цельсия не выходит, да и не надо это никому.

Абсолютного нуля достичь невозможно, но температуру в 50 пикокельвин (5х10-12 К) ученые Хельсинского университета достигли и реально замерили. На то и абсолютный нуль, чтобы только приближаться к нему, но никогда его не достигать. С самой маленькой температурой вроде все ясно. А есть ли самая большая температура, или сверху у нее пределов нет?

Оказывается, есть такая! Макс Планк предположил, что такова была температура Вселенной в первый момент Большого взрыва. Ее удалось вычислить — получилось 1, 416784х1032 К (и не пытайтесь представить, все равно не получится!). Реально замеренная температура, полученная в 2010 году на Большом адронном коллайдере, — 1013 К: явно гораздо меньше…

Но нам интересней температура в более узких пределах. Раньше ее мерили ртутными термометрами, но ртуть опасна и теперь  запрещена. Нашли сплавы редких металлов, которые могут ее заменить, да и спиртовые термометры никто не отменял, но все распространеннее становятся термометры сопротивления. Справляемся пока не хуже Цельсия с Фаренгейтом!

 

Уильям Томсон, лорд Кельвин (Келвин) — британский физик, механик и инженер. Известен своими работами в области термодинамики, механики, электродинамики
Уильям Томсон, лорд Кельвин (Келвин) — британский физик, механик и инженер. Известен своими работами в области термодинамики, механики, электродинамики / wikipedia.org

 

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ТОНКОСТИ

 

Цельсий вытеснил Фаренгейта отовсюду, кроме нескольких малых стран и очень немалых США. Им так удобнее: если подсчитать число стрекотаний американского сверчка в минуту и прибавить 40, получится температура воздуха — по Фаренгейту, а не по Цельсию!

Роман Брэдбери «451 градус по Фаренгейту», скорее всего, назван ошибочно. Это лишь температура духовки, в которой запекают рыбу, — положите к ней бумажку: не загорится! Консультант Брэдбери явно перепутал — бумага загорается при 451°С! Будем переименовывать?

Выпустили кофту, на которой вдоль застежки-молнии изображена справа шкала Цельсия, а слева — Фаренгейта (обе вверх ногами). Зачем? Посмотреть на градусник и расстегнуть молнию до реальной температуры…

В 2003 году изобрели термометр, которым можно измерять температуру дистанционно. Но популярным он не стал — сложно и дорого. Так было до эпидемии КОВИД, когда их начали выпускать в огромных количествах: наверное, не раз меряли температуру у каждого из вас!

В аптеках Брайтон-Бич для эмигрантов из СССР специально продаются градусники со шкалой Цельсия, а не Фаренгейта. А то они видят температуру под 100 градусов и пугаются, ясное дело.

 


При копировании материалов размещайте активную ссылку на www.huxley.media
Вступая в клуб друзей Huxley, Вы поддерживаете философию, науку и искусство
Поделиться материалом

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Получайте свежие статьи

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: