БОРИС БУРДА: як досить точно виміряти температуру
Згенеровано за допомогою ШІ / bing.com
УВАГА — ПИТАННЯ!
Британські шпигуни, що займалися картографічною зйомкою Тибету, використовували чотки зі 100 намистинками (замість звичних у буддистів 108) для рахування кроків, ховали записники в молитовні млини… А який прилад для визначення висоти над рівнем моря вони приховували всередині своїх патериць?
УВАГА — ПРАВИЛЬНА ВІДПОВІДЬ!
Термометр — за температурою кипіння води легко визначити висоту.
ГАРЯЧЕ — ХОЛОДНО
Нещодавно уявлення археологів про час одного з найважливіших відкриттів людства істотно змінилися. Ще в минулому всі були впевнені, що люди навчилися користуватися вогнем приблизно 400 000 років тому. Але археологи знайшли біля африканського озера Вікторія вогнище, споруджене нашими древніми предками 1 400 000 років тому.
Найімовірніше, першим джерелом вогню для людей справді були блискавки та викликані ними лісові пожежі — як у дитячій книжці Роні-старшого «Боротьба за вогонь». Ще в XIX столітті аборигени Андаманських островів так і жили — берегли вогонь, запалений від блискавки, брали з собою тліючі лучини, а велику ніколи не згасаючу колоду завжди зберігали в селі.
Лише приблизно 50 000 років тому люди навчилися добувати вогонь тертям, а трохи згодом придумали трут і почали висікати іскри, ударяючи одне об одного відповідне каміння — кремінь чи пірит. Полегшало, бо користь від вогню була величезною — відлякати хижаків, зігрітися холодної ночі, а потім люди навіть додумалися готувати на вогні їжу.
Велике багаття гріло сильніше, мале — слабше, сидячим поряд із багаттям було тепліше, ніж тим, хто знаходився на відстані. Та й просто температура повітря відчутно змінювалася: вдень було тепліше, ніж уночі, взимку холодніше, ніж влітку. Навколишнє повітря або нагрітий предмет могли бути більше або менше гарячими чи холодними. Наскільки саме — поки що незрозуміло…
А НАСКІЛЬКИ ГАРЯЧЕ?
Вже в античні часи сформувалися дві гіпотези про те, що таке тепло та холод. Згідно з першою, теплота — особливий вид матерії, невидимий і невагомий, який може перетікати з твердого, рідкого або газоподібного тіла в інше, що знаходиться поруч. Друга ж оголошувала тепло не якоюсь матерією, а деяким особливим станом матерії.
Термометра в античності не винайшли, і це було не дивно — експериментальна фізика ледве жевріла з дуже ганебної причини. Просто вважалося, що праця — заняття рабів, а справжні філософи роблять відкриття лише за допомогою мудрих роздумів. З тієї ж причини плоди цих роздумів не перевіряли — це ж праця!
Творець безлічі разючих пристроїв Герон Олександрійський, який жив на початку нашої ери, винайдену ним цілком працездатну парову турбіну вважав просто забавною іграшкою і називав еоліпіл (Еолів м’яч), щоб, не дай боже, ніхто не подумав, що він винайшов корисну річ, — одразу розжалують із філософів у прості ремісники.
Він же вигадав пристрій, який уперше в світі реагував на зміну температури. Це куля із двома трубками, заповнена водою. Коли повітря у верхній частині кулі, розширюючись від нагрівання, тисне на воду, та капає в нижній ящик. У холодну погоду вода з нижнього ящика витісняється тиском зовнішнього повітря по прямій трубці в кулю.
Але уваги на нього практично ніхто не звернув — навіщо? Навіть придуманий тим же Героном автомат для продажу води (з урахуванням часу дії не газованої, а освяченої) — і той привернув увагу: бізнес-таки! Та й був це не термометр, а термоскоп: показував, чи стає тепліше або холодніше, але не казав, наскільки.
ЗНОВУ ГАЛІЛЕЙ
Нічого іншого не було упродовж століть. Є уривчасті відомості про візантійця Філона, який через 500 років після Герона теж побудував щось подібне, проте немає ні цього приладу, ні відомостей про його роботу, тож іще питання, чи був він, чи ні. До прориву у вирішенні цієї проблеми довелося чекати багатого на наукові відкриття Відродження.
Сам Галілей про це не пише, але його учні говорили, що ще 1597 року він показував їм прилад, який складався зі скляної трубочки з кулькою на кінці. У відкриту шийку трубки було введено крапельку ртуті. При зміні температури повітря всередині кульки ртутна пробка то піднімалася, то опускалася. Учні казали, нібито самі бачили, їй-богу!
Галілей це вигадав чи ні, та ідея явно витала в повітрі. Ідею створення термометра висловив голландець ван Гельмонт, винахідник слова «газ», інший голландець, ван Дреббель, будівельник першого підводного човна, вигадав свій термометр. Може, Галілей не любив голландців? У присвоєнні придуманої голландцями підзорної труби його теж викрили.
Зараз термометр Галілея — популярна гарна іграшка. У скляну посудину завантажують певну кількість поплавців, у кожного з яких дещо інша щільність. Щільність води зі зміною температури міняється, останній з поплавків, що спливли, і буде відповідати правильній температурі. Інше питання: до чого тут Галілей?
РЕПЕРНІ ТОЧКИ
Тоді вже добре знали, що тепліше тіло, стикаючись із холоднішим, остигає — ну і навпаки, звичайно. Тому кількісну характеристику теплоти назвали температурою (у перекладі з латині — належне змішання). Відразу постало питання — чи немає в природі чогось із температурою, що завжди однакова? Порівнюючи з ним, можна було б виміряти.
Першу цікаву ідею про таку речовину подав італійський лікар Санторіо Санторіо (не описка, такі ім’я та прізвище). Він припустив, що температура тіла здорової людини завжди однакова. І навіть вигадав прилад, який порівнював температуру конкретної людини з цим показником, — уже можна було судити, здорова людина чи хвора.
Незмінність цього параметра, щоправда, є дещо сумнівною — більше того, знайшлися дані, що середня температура тіла здорової людини приблизно на 0,4 градуса нижча, ніж у XIX столітті. Хочеться якоїсь стійкішої реперної точки, яка з фізичних причин не змінюється на таку помітну величину з часом. Або взагалі не змінюється.
Ще в середині XVII століття відомий фізик Роберт Бойль (це той, який Бойль — Маріотт, але й сам по собі він цікавий) запропонував чудову та дуже надійну реперну точку — температуру замерзання води. Тонкощів із тим, що ця температура залежить ще й від атмосферного тиску, причому досить суттєво, поки що вирішили не помічати.
А вже 1695 року Карло Ренальдіні з Павії вже спорудив термометр, нижня реперна точка якого відповідала температурі суміші води з льодом, а верхня — температурі окропу. Прекрасне і просте рішення, та ось прижилося воно не одразу. Перешкодив чоловік із вільного міста Данцига, в якому зима 1709 року була страшенно холодною.
ФАРЕНГЕЙТ
Син багатого купця Даніель Габріель Фаренгейт рано втратив батьків і сам для себе вибрав не звичний купецький шлях, а наукову кар’єру. Він навчався в Англії, Німеччині, а потім оселився в Нідерландах, де виготовив свій перший термометр. Він був схожий на звичні нам: висота підйому рідини в запаяній трубці показувала температуру.
А ось з реперними точками він трохи начудив. Зима 1709 року в Данцизі, як уже говорилося, була надзвичайно холодною, і тому Фаренгейт саме найнижчу температуру повітря цієї зими вирішив прийняти за нуль градусів. Він виготовив суміш із снігу, солі та нашатирю, що тане саме при цій температурі — за сучасною шкалою близько -17,78°C.
З верхньою точкою вийшло ще дивовижніше. Як відданий чоловік, він вирішив увічнити свою подругу життя і виміряв її температуру — він вирішив, що це й буде температура у 100 градусів! Але, ймовірніше за все, дружина в цей час була трохи застуджена, і через деякий час шкалу скоригували. Тож звична нам температура +36,6°С — це +98,2°F.
Температура кипіння води за шкалою Фаренгейта виходила рівно 212°F, температура танення льоду — 32°F, тож різниця між ними була рівно 180 градусів. Випадково так сталося, чи є якась закономірність? Напевно, є, але не варто її шукати — якщо в ній стільки ж логіки, скільки у виборі реперних точок, описаних вище, не додумаєтеся.
У будь-якому разі сильна сторона термометрів Фаренгейта була в тому, що їх легко перевірити. Більше того, два виготовлені в різних місцях термометри Фаренгейта можна було взяти і виміряти ними один і той же об’єкт, і цифри вийшли, принаймні, схожі! Тож це вже була не кумедна іграшка, а корисний для науки вимірювальний прилад.
ЦЕЛЬСІЙ (І РЕОМЮР ДО КУПИ)
Були й інші термометри. Незабаром свій варіант запропонував шведський вчений Андерс Цельсій. Він був цікавою людиною і за коротке 44-річне життя встиг багато — від заснування Уппсальської астрономічної обсерваторії до участі в експедиції, яка виміряла довжину градуса меридіана і довела, що Земля не є кулею, а сплющена біля полюсів.
Але головне, що його прославило, — це винахід термометра з дуже простими реперними точками, що легко відтворюються. Однією стала температура так званої потрійної точки води (практично це температура плавлення льоду), а другою — температура кипіння водяної пари. Це вам не Фаренгейт — усе так само, як у нас, правда ж? Загалом, не зовсім…
Справа в тому, що з невідомої причини Цельсій прийняв температуру пари за 0 градусів, а льоду — за 100: те саме, що в нас, але догори ногами! От і була в нього температура здорової людини 63,4°С, а хворої — менша… Тільки через рік після смерті Карл Лінней, творець класифікації тварин і рослин, перевернув шкалу, як зараз заведено.
Раніше за Цельсія, хоч і пізніше за Фаренгейта, запропонував свою температурну шкалу Рене-Антуан Реомюр. Вона мала лише одну реперну точку — температуру плавлення льоду. А градус Реомюра був обраний так, щоб відповідати розширенню спирту (робочої рідини термометра) рівно на 1/1000 його обсягу. Проте тоді 1°R — 0,926°С, а не 1,25, як ми вважаємо…
У чому тут справа? В елементарній плутанині: ремісники, які почали виготовляти термометри Реомюра, знали, що спирт кипить за 80°С, і щоб не займатися складними обчисленнями, вирішили, що вважатимуть температуру кипіння води рівною саме 80°R. Так воно й прижилося, і певний час шкала Реомюра була популярною у Франції.
КЕЛЬВІН ЯК АБСОЛЮТ
Коли стало зрозуміло, що температура тіла є ступенем рухливості його молекул, постало просте питання: якою буде температура, коли всі молекули нерухомі? Вільям Томсон, пізніше лорд Кельвін (до речі, перший британський учений, який потрапив до палати лордів за наукові заслуги), запропонував свою відповідь на це питання, користуючись звичною шкалою Цельсія.
Було обчислено, що абсолютний нуль температури відповідає показнику -273,16°С. Градус Кельвіна (з 1968 року — просто кельвін) був прийнятий рівним градусу Цельсія. Ця шкала використовується у системі СІ. Жодних негативних температур у ній немає і бути не може! Але витіснити з нашого побуту звичну шкалу Цельсія не виходить, та й не потрібно це нікому.
Абсолютного нуля досягти неможливо, проте температуру у 50 пікокельвін (5х10-12 К) вчені університету Гельсінкі досягли і реально заміряли. На те й абсолютний нуль, аби тільки наближатися до нього, але ніколи не досягати його. З найменшою температурою начебто все зрозуміло. А чи є найбільша температура, чи вгорі у неї меж немає?
Виявляється, є така! Макс Планк припустив, що такою була температура Всесвіту в перший момент Великого вибуху. Її вдалося вирахувати — вийшло 1, 416784х1032 К (і не намагайтеся уявити, все одно не вийде!). Реально виміряна температура, отримана у 2010 році на Великому адронному колайдері, — 1013 К: безсумнівно, набагато менше…
Проте нам цікавіша температура у вужчих межах. Раніше її міряли ртутними термометрами, але ртуть є небезпечною і зараз заборонена. Знайшли сплави рідкісних металів, які можуть її замінити, та й спиртові термометри ніхто не скасовував, та все більш поширеними стають термометри опору. Справляємося поки не гірше за Цельсія з Фаренгейтом!
ТЕМПЕРАТУРНІ ТОНКОЩІ
Цельсій витіснив Фаренгейта звідусіль, окрім кількох малих країн та дуже чималих США. Їм так зручніше: якщо підрахувати кількість цвірінькань американського цвіркуна за хвилину і додати 40, вийде температура повітря — за Фаренгейтом, а не за Цельсієм!
Роман Бредбері «451 градус за Фаренгейтом», швидше за все, названо помилково. Це лише температура духовки, в якій запікають рибу, — покладіть до неї папірець: не загориться! Консультант Бредбері явно переплутав — папір спалахує при 451°С! Будемо перейменовувати?
Випустили кофту, на якій уздовж застібки-блискавки зображено праворуч шкалу Цельсія, а ліворуч — Фаренгейта (обидві догори ногами). Навіщо? Подивитися на градусник і розстебнути блискавку до реальної температури.
2003 року винайшли термометр, яким можна вимірювати температуру дистанційно. Але популярним він не став — складно та дорого. Так було до епідемії КОВІДу, коли їх почали виробляти у величезних кількостях: напевно, неодноразово міряли температуру у кожного з вас!
В аптеках Брайтон-Біч для емігрантів із СРСР навмисно продаються градусники зі шкалою Цельсія, а не Фаренгейта. А то вони бачать температуру під 100 градусів і лякаються, ясна річ.