Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

1.3. Термометрия и тепло

К началу XVII в. в науке о холоде и тепле накопился солидный экспериментальный материал. Сформировались и взгляды на то, что нужно было понять, чтобы двигаться дальше. Однако такое движение оказалось невозможным без того, чтобы ввести какие-то количественные оценки в результаты экспериментов; только тогда их можно было бы осмыслить, опираясь на твердую почву. Это уже хорошо понимали во времена Ф. Бэкона. До этого на протяжении многих веков тепло и холод ассоциировались у людей лишь с повседневными ощущениями.

Первым, насколько известно, кто попытался перейти к 6олее объективным показателям теплового состояния тел, был еще Филон Александрийский (I-II вв. н.э.). В своем сочинении «Механика» он описал прибор для тепловых измерений – термоскоп, состоящий из двух связанных трубкой сферических сосудов. Сосуд 1 частично заполнен водой, а остальное пространство занято воздухом (рис. 1.3). Сосуд 2 полностью заполнен воздухом. Если освещать сосуд 2 солнцем, то воздух из него по трубке переходил в сосуд 1, что можно было наблюдать по пузырькам, выходившим из трубки. Если, напротив, поместить сосуд 2 в тень, то вода поднималась по трубке и частично переливалась в него из сосуда 1. Таким образом, Филон не только заново открыл и показал расширение воздуха при нагревании (это было известно еще египетским жрецам), но и создал прибор, позволяющий судить о повышении или понижении температуры.

Рис. 1.3. Термоскоп Филона Александрийского

Прошло много лет, пока Г. Галилей не повторил опыт Филона (1597 г., Пиза). Прибор, который он демонстрировал на лекциях, показан на рис. 1.4. Принципиально он ничем не отличается от своего прототипа (это иногда служило даже поводом для дис-куссий о приоритете). Также как и прибор Филона, «термоскоп» Галилея не имел шкалы, и его показания носили чисто качественный характер; кроме этого, на них могли отражаться и колебания атмосферного давления (об этом, правда, в то время ничего не было известно, так как работы ученика Галилея – Торичелли по изучению атмосферного давления еще были впереди). Тем не менее, первый шаг в термометрии нового времени был сделан.

Рис. 1.4. Термоскоп Галилея (рисунок XVII в.)

В дальнейшем прибор Галилея был существенно улучшен членами флорентийской «Академии опытов». Они снабдили его шкалой (из бусин одинакового размера, припаянных к трубке) и удалили воздух из резервуара и трубки. Тем самым влияние атмосферного давления исключалось. Хотя они и не присвоили точкам шкалы определенных числовых значений, им удалось установить постоянство точки плавления льда. При любых условиях она соответствовала адн и той же точке шкалы.

Первые попытки зафиксировать определенные реперные точки термометрической шкалы предпринимались несколькими исследователями. Среди них следует отметить Отта фон Герике (1602-1686 гг.) – знаменитого бургомистра Магдебурга, с научными достижениями которого мы еще не раз встретимся. Он четко осознавал необходимость иметь две точки на шкале, чтобы разбить интервал между ними на определенное числа делений (градусов) и продолжить деления, в случае необходимости, и за пределы этих двух точек. Но выбор их, сделанный Герике, хотя и диктовался, по-видимому, патриотическими соображениями, был не очень удачен. Нижняя точка – средняя температура заморозков в Магдебурге, а верхняя – летняя температура в этом же городе. И та и другая точки – очень размытые; но все же у Герике получился уже не термоскоп, а термометр, хотя еще и несовершенный. О. Герике разместил свои термометры на наружной стене собственного дама для пользы горожан Магдебурга.

Самый существенный шаг в развитии термометрии сделал француз Гийом Амонтон (1663-1703 гг.). Он сконструировал воздушный термометр, показанный на рис. 1.5, который уже очень похож на современный газовый. Трубка U-образной формы с полым шариком на одном колене заполнена ртутью, как показано на рисунке. В зависимости от температуры воздуха в шаровом сосуде ртуть занимает та или иное положение.

Рис. 1.5. Термометр Амонтона

Заслуги Амонтона состоят не только в создании более совершенного термометра. Он много сделал для развития учения о тепловых явлениях. Он был первым, кто совершенно ясно высказал убеждение, что термометр измеряет не количество тепла, а степень нагретости тела – температуру. Таким образам, был сделан решающий шаг, позволивший четко разделить понятия «тепло» и «температура». Этим открывалась дорога для самостоятельного изучения физической природы каждого из них. Об том речь пойдет дальше, а пока нужно вернуться к термометрии.

Г. Амонтон, задолго да открытия Гей-Люссаком закона температурного расширения газов, утверждал, что расширение газа происходит одинаково по всей температурной шкале, которая должна быть линейной.

Оставалось сделать завершающий шаг – выбрать надежные неизменные универсальные точки для температурной шкалы. Гюйгенсписал па этому поводу в 1655 г.: «Тогда не надо будет посылать термометр из одного места в другое, чтобы сравнить наблюдаемую степень тепла». Р. Бойль в 1665 г. в труде «Механические начала тепла» уже высказал твердое убеждение, что точки плавления всех тел постоянны; Р. Гук тоже считал постоянными точки плавлении льда и кипения воды.

Тем не менее, И. Ньютон, предложивший свою конструкцию термометра с льняным маслом в качестве термометрического тела (т.е. заменивший газ жидкостью, что до него уже сделали во Флоренции), использовал только одну строго фиксированную точку – температуру таяния льда, которую он принял за 0°С. За вторую точку шкалы он взял температуру человеческого тела, придав ей значение 12°С. Выбор этой, на первый взгляд, странной системы имеет объяснение. Цифра 12 в средневековой медицине имела глубокий смысл. Каждое качество человека, связанное с «соками» организма (например, кровью, желчью) могло быть выражено в большей или меньшей степени. Эти степени оценивались в градусах, максимальное число которых была четыре, а каждый градус делился на три ступени. Таким образам, шкала каждого качества имела 12 ступеней. Вообще, цифра 12 («дюжина»), которая делится на два, три и четыре, была в античности и средневековье очень популярна. Ведь апостолов Христа было тоже 12!

Термометры, по своему устройству ничем уже не отличающиеся от современных, создал впервые Габриэль Фаренгейт (1686-1736 гг.). Он изготовлял ртутные и спиртовые термометры весьма высокого класса; при этом подошел к делу очень основательно. Достаточно сказать, что им был разработан специальный метод очистки ртути, а перед запаиванием термометрической трубки он кипятил жидкость, удаляя таким образам из нее воздух.

Но для термометрической шкалы Фаренгейт, подобно Ньютону, выбрал тот же «полужесткий» вариант, с опорой только на одну строго фиксированную точку – температуру таяния льда; он дал ей значение 32°. Вторая точка – 96° соответствовала температуре тела здорового человека, представление о которой может быть разным. Все дело в том, куда сунуть термометр: если его поместить в рот (как делают в США), то температура будет 98,5°F, а если под мышку, то 98°F. Получилась несколько своеобразная шкала (ее градусы по имени изобретателя обозначаются буквой «F»), на которой 212°F соответствуют температуре кипения воды. Шкала Фаренгейта до сих пар широко используется в англоязычных странах.

В те же 20-е годы занимался разработкой ртутных термометров петербургский академик Ж. Делиль, основатель астрономической обсерватории в здании Кунсткамеры на Васильевском острове. Термометры Делиля были основательными и надежными приборами; ими пользовались в России многие исследователи, в частности Ломоносов и Рихман. Шкала Делиля была расположена между двумя фиксированными точками – температурами кипения воды и таяния льда. Первой соответствовал 0°, второй –150°.

Француз Рене Реомюр (1688-1757 гг.) не одобрял применение ртути в термометрах из-за ее сравнительно низкого коэффициента расширения и предпочитал спирт. Поскольку эта жидкость расширяется между температурами таяния льда и кипения воды в отношении 1000:1080, он предложил шкалу на этом отрезке разделить на 80 частей. Через 12 лет, в 1730 г., Цельсий (1701–1744 гг.) разделил этот же интервал на 100 частей, но принял за 100°С температуру таяния льда, а за 0°С – температуру кипения воды. Таким образом, он сделал такую же «перевернутую», шкалу, как и Делиль, но разделил ее иначе, взяв более удобное число градусов.

Возникает естественный вопрос – почему и Делиль, и Цельсий поставили шкалу «вверх тормашками»? Ведь не может быть, что у них не была каких-то соображений на этот счет! Действительно, и тот и другой заложили в построение шкалы определенную идею: она заключалась в том, чтобы при измерении низких температур избежать отрицательных значений градусов. Чем больше мороз, тем больше термометр показывал градусов холода.

Как будут считать градусы выше точки кипения воды – ученых того времени особенно не волновало, поскольку задачи такого рода еще не возникали. Напротив, температуры, лежащие ниже точки замерзания воды, встречались и в природе зимой, и уже создавались искусственно посредством охлаждающих смесей. Наконец в 1750 г. Штремер все же «перевернул» шкалу Цельсия, и она приняла современный вид. Однако наименование «градус Цельсия» осталось.

Интересно отметить, что знаменитый шведский ботаник Карл Линней, создатель основ классификации растений, тоже занимался совершенствованием температурной шкалы. Он предложил еще раньше Цельсия (в 1738 г.) стоградусную шкалу, где 0°С соответствовал температуре таяния льда, а 100°С – температуре кипения воды. Однако его идея не привлекла внимания физиков, и шкала температур «кувыркалась» еще ряд лет, пока не вернулась в нужное положение. Таким образом, «по совести», шкала Цельсия должна была бы называться «шкалой Линнея».

Следующая страница: Вещественная и корпускулярная теории теплоты