Історія - градусника
Що таке теплота? Градуси і температура
Що таке теплота - знають усі. Відомо, що частинки в газах, рідинах і твердих тілах перебувають в безперервному русі і цей рух сприймається як тепло. Енергія руху частинок, усереднена по їх величезній кількості, визначає температуру.
Теорія тепла виникла не відразу. Дуже довго не могли зрозуміти ні що таке тепло, ні яка різниця між температурою і теплом. Багато фізиків пов'язували тепло з рухом молекул. Так, зокрема, думав Ломоносов. Але перетворити загальні міркування в строгу науку було не легко.
Історія про те, як навчилися вимірювати температуру, цікава і незвичайна. Термометри були придумані за багато років до того, як люди зрозуміли, що саме вони вимірюють.
Температура пов'язана з вельми не певними поняттями теплоти і холоду, які розташовувалися в створенні людини десь поруч з запахом, смаком. Людина з незапам'ятних часів знав, що коли два тіла щільно стикаються, то між ними встановлюється теплова рівновага. Рука, опущена в воду, виявляється нагрітої (або охолодженої) до тієї ж мірою, що і вода. Усюди в природі існують потоки тепла. У цьому натуралісти давно бачили прояв великих законів природи.
Античні вчені і схоласти середньовіччя зіставляли з теплом і холодом властивість тяжіння і відштовхування. Стародавні лікарі були першими, кому знадобилася порівняльна і притому задоволена точна шкала теплоти тіла. Вони дуже давно помітили, що здоров'я людини якось пов'язано з теплотою його тіла і що ліки здатні змінити це якість. Ліків приписувалося охолоджуючу або зігріваючу дію і ступінь цього впливу визначалася градусами. Ліки змішувалися між собою, і суміші мали різні градуси. «Суміш» по-латині - «температура» (temperature).
Історія створення і розвитку термометра
Ніхто з сучасників Галілея не міг порівнюватися з ним в умінні побачити великі закони в простих явищах. Він був одним з перших, хто писав про механічну природу тепла.
До вивчення теплових явищ Галілей підійшов з тих же позицій; перш за все він зайнявся тим, як виміряти температуру тіла. Термометри, які робив Галілей (близько 1597 г.), складалися з скляної кулі, наповненого повітрям; від нижньої частини кулі відходила трубка, частково заповнена водою, яка закінчувалася в посудині, також наповненому водою. Висота стовпчика залежала як від температури, так і від атмосферного тиску, і вимірювати таким термометром скільки-небудь точно було неможливо. При Галілеї сама ідея, що повітря може тиснути на землю, здавалося досить дикою. Тому термометр Галілея вимірював досить невизначену величину, але навіть такий термометр дозволяв порівнювати температуру різних тіл в одне і теж час і в одному і тому ж місці.
Уже тоді за допомогою ще недосконалого термометра лікар і анатом Санкторіус з Падуанського університету почав вимірювати температуру людського тіла. Для цього він сам, не знаючи про Галілея, побудував схожий термометр.
Історія термометра багато в чому зобов'язана одному з найдивовижніших людей 18 століття -Отто фон Геріке. Він виготовив перший барометр. Схожий на прилад Галілея. Але з дуже довгою трубкою. На відміну від приладу Галілея, з барометра Гарік був відкачано повітря, так що вода заповнювала не тільки довгу трубку, а й частина кулі. Барометр був прикріплений до зовнішньої стіни будинку, і тиск повітря зазначалося на шкалі, на яку вказував пальцем дерев'яний людина, що плавав у скляній кулі. Геріке першим став систематично вимірювати атмосферний тиск і спробував виявити зв'язок між зміною тиску і погодою.
Гарік побудував і порівняно хороший термометр. Він складався з латунного кулі, заповненого повітрям, і зігнутої у формі букви U трубки зі спиртом. На його термометрі в середині шкали стояла точка, біля якої покажчик зупинявся при перших заморозках, - цю точку і вибрав Гарік за початок шкали. Ясно що такий вибір був наївний, але все ж Гарік зробив перший крок.
Амонтан побудував повністю запаяний термометр, зробивши його, нарешті, зовсім не залежних від тиску атмосфери.
Перший сучасний термометр був описаний в 1724 р Даніелем Фаренгейтом. склодувом з Голландії. Різні термометри Фаренгейта можна було звіряти один з одним, порівнюючи їх показання в різних «опорних» точках шкали. Тому вони прославилися своєю точністю. Така шкала досі в ходу в Англії і США.
Сучасна шкала Цельсія була запропонована в 1742 р Шведському фізику не подобалося негативні температури, і він вважав за потрібне перегорнути стару шкалу і помістити нуль в точку кипіння води, а 100 градусів - в точку її замерзання. Але «перевернута шкала» не набула популярності і була дуже скоро «перевернута» назад.
До революції вУкаіни була прийнята шкала Реомюра (точка води була 0, а точка кипіння 80) - термометри Реомюра висіли на вулицях і у всіх будинках. Лише в тридцятих роках вони були витіснені термометрами Цельсія.
Що таке тепло? теплове рівновагу
До початку 19 століття термометр став зовсім звичайним приладом. Але про те, що вимірює термометр, єдиної думки ще довго не було.
Навчившись вимірювати температуру, фізики не дуже просунулися в розумінні того, що ж таке тепло. Поняття «тепло» і «температура» розділити було ще важче. Коли нагрівають тіло, температура його підвищується. Коли тепло перетікає від одного тіла до іншого, температура одного тіла падає, а іншого - підвищується.
Поняття «теплове рівновагу» дуже часто зустрічається в теорії тепла. Найбільш просто зрозуміти, що таке теплове рівновагу в разі одноатомного газу. Якщо газ в посудині поводиться так, що у всіх точках судини температура однакова, - природно, що при цьому і температура стінок посудини так само завжди одна і та ж, - то газ знаходиться в тепловій рівновазі. Це означає, що в такому газі тепло не перетікає з однієї частини посудини в іншу, в ньому не змінюється ні тиск, ні хімічний склад і, взагалі, з точки зору класичних теплових явищ в газі «ні чого не відбувається».
Тепло тече завжди так, щоб температура вирівнювався, щоб система переходила в стан теплової рівноваги. Перехід в стан теплової рівноваги може бути складним і досить довгим процесом.
Температурна шкала. Абсолютна шкала температур
У всіх приладах, які були придумані в 18 столітті, вимір температури зводилося до вимірювання довжини стовпчика води, спирту або ртуті. Термометри працювали тільки в обмеженому інтервалі температур. Здатні наповнити їх речовини замерзали і кипіли, і цими термометрами можна було вимірювати дуже низькі або дуже високі температури.
Шкала Цельсія точно встановлювала положення двох точок - 0 і 100 градусів, відстань між якими на шкалі було розбите на рівні частини. Але роль кожного ділення залишалася невизначеною. Необхідно було ще зрозуміти, що відбувається в тілі, коли ртуть в термометрі піднімається на один градус. Найпростіше було б припустити, що при цьому енергія тіла збільшується на одну і ту ж величину. Така величина, віднесена до одиниці маси тіла, називається питомою теплоємністю.
Абсолютна шкала температур
Одиниця температури виникла випадково - поставили число 100 в точці кипіння води. Цей акт мав важливі наслідки: в законі Клапейрона - Клаузіуса з'явилася нова газова стала R = 8,3157 джоуль / градус. Таке число виникло тільки тому, що величина градуса була введена дуже давно і всі зміни, що відбуваються з газами, відносили по звички до досить випадково обраної шкалою температур. Було б зручніше зараз змінити визначення градуса і «прив'язати» його до рівняння ідеальних газів. Для цього треба просто зменшити величину градуса в 8,3157 рази і вважати, що температура в такий «ідеально-газової» шкалою:
Відкриття Лорда Кельвіна
Питанням про сенс температури зацікавився Томсон (надалі лорд Кельвін), який в 1848 р Виявив, що з теореми Карно можна зробити простий, але дуже важливий висновок. Кельвін зауважив, що якщо робота циклу Карно залежить тільки від температур нагрівача і холодильника, то це дозволяє встановити нову температурну шкалу яка не залежить від властивостей робочого тіла.
Цикл Карно, якщо його можна провести між двома тілами дозволяє визначити ставлення температур цих двох тіл. Шкала температур певна таким чином називається абсолютною шкалою температур. Щоб сама абсолютна температура мала певне значення, треба вибрати якийсь число для однієї точки нової абсолютної шкали: одна чисельне значення температури повинно бути задано довільно. Після цього всі інші значення визначаються в принципі за допомогою циклу Карно.
На жаль при всій красі теоретичного побудови шкали Кельвіна, практично реалізувати цикл Карно дуже важко. Важко реалізувати оборотний цикл, важко позбутися втрат.
Реальна шкала температур
Протягом багатьох років для температурної шкали вибиралося дві точки - температура плавлення льоду і температура кипіння води - і відстань між ними ділилося на 100 частин, кожна з якої вважалася градусом. Така шкала з двома опорними точками була прийнята в усьому світі.
Але ця шкала мала, однак, великий недолік з точки зору точності вимірювань. Для неї треба було вміти точно відтворювати як умови плавлення льоду, так і умови кипіння води. Простіше було обійтися однією опорною точкою, наприклад точкою плавлення льоду, і вимірювати температуру по відношенню тисків, пов'язаних зі ставленням температур рівнянням стану.
За одиницю опорну еталонну точку вибирається зараз так звана потрійна точка води - температура, при якій здійснюють в рівновазі всі три її фази: пар - вода - лід. Перехід до такої шкалою пройшов майже непоміченим. Така реформа була проведена в 1954 р і зараз на питання про те, при якій температурі тане лід при нормальному тиску, треба відповідати «приблизно при 0».
Міжнародна шкала температур
Шкалу з однієї опорною точкою неважко погодити зі шкалою Кельвіна-Менделєєва, заснованої на теоремі Карно. Термодинамічна шкала не змінюється якщо всі значення температур помножити на одне і теж число. Вибір опорної точки усуває цю неоднозначність.
Термодинамічної шкалою можна користуватися тільки в спеціальних, добре обладнаних лабораторіях. У звичайних лабораторіях користуються шкалою, яка називається МПТШ68 (міжнародна практична температурна шкала, прийнята в 1968 р). У цій шкалі температура кипіння води дорівнює точно 100 градусів, крім того є інші опорні точки, яким так само приписано певне значення температури.
Інтерес до отримання низьких температур виник не тільки з практичних міркувань. Фізиків давно цікавило питання, чи можна перетворити в рідину гази - такі, як повітря, кисень, водень. Початок це історії відноситься до 1877р.
У 1877 р Гірський інженер Кайете краплі рідкого ацетилену в лабораторному посуді, в якому несподівано відкрилася текти. Різке зниження тиску викликало утворення туману. Майже в ті ж дні Пикте з Женеви повідомив про послідовне, каскадному зниженні різних газів, що завершився отриманням рідкого кисню при температурі -140 градусів за Цельсієм і тиск 320 атмосфер.
Треба ще й згадати Дьюарт. Який в 1898 році отримав рідкий водень, знизивши температуру приблизно до 129 К. Нарешті в 1908 р Камерлинг-Оннес в Голландії отримав і рідкий гелій. Температура, яка була їм досягнуто, тільки на 1 градус відрізнялася від абсолютного нуля.
У 1939 р П.Л.Капица довів велику ефективність сжіжітельних машин, в яких газ здійснює роботу з допомогою турбіни. Турбодетандери отримали з тих пір велике поширення. Він же запропонував і конструкцію ефективної установки для сжіжіванія гелію.
Едельман В.С. «Поблизу абсолютного нуля» .1-М. 1987.
Детлаф А.А. Яворський Б.М. «Курс фізики». -М. 1989.
Смородинский Я.А. «Температура». - М. 1987.