Температурные шкалы. Существует несколько градуированных температурных шкал и за точки отсчета в них обычно взяты температуры замерзания и кипения воды. Сейчас самой распространенной в мире является шкала Цельсия. В 1742 шведский астроном Андерс Цельсий предложил 100-градусную шкалу термометра в которой за 0 градусов принимается температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении а за 100 градусов - температура таяния льда. Деление шкалы составляет 1/100 этой разницы. Когда стали использовать термометры оказалось удобнее поменять местами 0 и 100 градусов. Возможно в этом участвовал Карл Линней (он преподавал медицину и естествознание в том же Упсальском университете где Цельсий - астрономию) который еще в 1838 году предложил за 0 температуры принять температуру плавления льда но похоже не додумался до второй реперной точки. К настоящему времени шкала Цельсия несколько изменилась: за 0°C по-прежнему принята температура таяния льда при нормальном давлении которая от давления не очень зависит. Зато температура кипения воды при атмосферном давлении теперь равна 99 975°C что не отражается на точности измерения практически всех термометров кроме специальных прецизионных. Известны также температурные шкалы Фаренгейта Кельвина Реомюра и др. Температурная шкала Фаренгейта (во втором варианте принятом с 1714 г.) имеет три фиксированные точки: 0° соответствовал температуре смеси воды льда и нашатыря 96° – температуре тела здорового человека (под мышкой или во рту). В качестве контрольной температуры для сверки различных термометров было принято значение 32° для точки таяния льда. Шкала Фаренгейта широко распространена в англоязычных странах но ею почти не пользуются в научной литературе. Для перевода температуры по Цельсию (°С) в температуру по Фаренгейту (°F) существует формула °F = (9/5)°C + 32 а для обратного перевода – формула °C = (5/9)(°F-32). Обе шкалы – как Фаренгейта так и Цельсия – весьма неудобны при проведении экспериментов в условиях когда температура опускается ниже точки замерзания воды и выражается отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур в основе которых лежит экстраполяция к так называемому абсолютному нулю – точке в которой должно прекратиться молекулярное движение. Одна из них называется шкалой Ранкина а другая – абсолютной термодинамической шкалой; температуры по ним измеряются в градусах Ранкина (°Rа) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля а точка замерзания воды соответствует 491 7° R и 273 16 K. Число градусов и кельвинов между точками замерзания и кипения воды по шкале Цельсия и абсолютной термодинамической шкале одинаково и равно 100; для шкал Фаренгейта и Ранкина оно тоже одинаково но равно 180. Градусы Цельсия переводятся в кельвины по формуле K = °C + 273 16 а градусы Фаренгейта – в градусы Ранкина по формуле °R = °F + 459 7. в Европе долгое время была распространена шкала Реомюра введённая в 1730 г Рене Антуаном де Реомюром. Она построена не произвольным образом как шкала Фаренгейта а в соответствии с тепловым расширением спирта (в отношении 1000:1080). 1 градус Реомюра равен 1/80 части температурного интервала между точками таяния льда (0°R) и кипения воды (80°R) т. е. 1°R = 1.25°С 1°C = 0.8°R. но в настоящее время вышла из употребления.

А знаете ли вы, что...

Шведский учёный А.Цельсий выполнял проверку температурной шкалы? «Я повторял опыты два года, при различной погоде, и всегда находил точно такую же точку на термометре. Я помещал термометр не только в тающий лед, но и в снег, когда он начинал таять. Я помещал также котёл с тающим снегом вместе с термометром в топящуюся печь и всегда находил, что термометр показывал одну и ту же точку, если только снег лежал плотно вокруг шарика термометра». Так А.Цельсий описывал результаты своих опытов в XVIII веке.

Существует очень легкоплавкое металлическое вещество – сплав Вуда? Если из него отлить чайную ложечку, то в стакане с горячим чаем она расплавится и стечет на дно стакана!

На вершине горы Эверест, самой высокой точке Земли, атмосферное давление в три раза меньше нормального? При таком давлении вода кипит при температуре всего 70 °С? В «кипятке» такой температуры даже чай как следует не заваришь.

Снимая с кухонной плиты горячую кастрюльку, нужно пользоваться только сухой тряпкой или варежкой? Если они будут влажными, вы рискуете получить ожог, так как вода проводит теплоту в 25 раз быстрее, чем воздух между волосками ткани.

Если бы уголь или дрова имели такую же хорошую теплопроводность, как и металлы, то поджечь их было бы просто невозможно? Тепло, подводимое к ним (например, от спички), очень быстро передавалось бы в толщу материала и не нагревало бы поджигаемую часть до температуры воспламенения.

По пути к Земле солнечные лучи проходят через космический вакуум огромное расстояние – 150 миллионов километров? И несмотря на это, на каждый квадратный метр земной поверхности падает поток энергии мощностью ≈ 1 кВт. Если бы эта энергия «падала» на чайник, то он закипел бы всего через 10 минут!

Если бы человек мог видеть тепловое излучение, то, попав в тёмную комнату, он увидел бы немало интересного: ярко сияющие трубы и батареи отопления, окружённые светлыми вьющимися струйками тёплого воздуха? Такие же струйки были бы и над музыкальным центром, телевизором.

В XIX веке замороженные продукты считались безнадёжно испорченными? И только трудности снабжения продовольствием, которые стали препятствием для развития больших городов, заставили преодолеть предрассудки. В конце XIX – начале XX века во многих странах были изданы законы, предписывающие строительство специальных сооружений – холодильников.

Тепловые насосы, позволяющие регулировать температуру и влажность воздуха, – кондиционеры – начали применяться уже в начале прошлого века? С 20-х годов XX века их стали устанавливать в многолюдных зданиях и помещениях: театрах, гостиницах, ресторанах.

Термометр

Термо́метр (греч . θέρμη - тепло; μετρέω - измеряю ) - прибор для измерения температуры воздуха , почвы , воды и так далее . Существует несколько видов термометров : жидкостные ; механические ; электронные ; оптические ; газовые ; инфракрасные .

Изобретателем термометра принято считать Галилея: в его собственных сочинениях нет описания этого прибора, но его ученики, Нелли и Вивиани , засвидетельствовали, что уже в 1597 году он сделал нечто вроде термобароскопа (термоскоп). Галилей изучал в это время работы Герона Александрийского, у которого уже описано подобное приспособление, но не для измерения степеней тепла, а для поднятия воды при помощи нагревания. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной к нему стеклянной трубкой. Шарик слегка нагревали и конец трубки опускали в сосуд с водой. Через некоторое время воздух в шарике охлаждался, его давление уменьшалось и вода под действием атмосферного давления поднималась в трубке вверх на некоторую высоту. В дальнейшем при потеплении давление воздуха в шарике увеличивалось и уровень воды в трубке понижался при охлаждении же вода в ней поднималась. При помощи термоскопа можно было судить только об изменении степени нагретости тела: числовых значений температуры он не показывал, так как не имел шкалы. Кроме того, уровень воды в трубке зависел не только от температуры, но и от атмосферного давления. В 1657 г. термоскоп Галилея был усовершенствован флорентийскими учеными. Они снабдили прибор шкалой из бусин и откачали воздух из резервуара (шарика) и трубки. Это позволило не только качественно, но и количественно сравнивать температуры тел. Впоследствии термоскоп был изменен: его перевернули шариком вниз, а в трубку вместо воды налили бренди и удалили сосуд. Действие этого прибора основывалось на расширении тел, в качестве «постоянных» точек брали температуры наиболее жаркого летнего и наиболее холодного зимнего дня. Все эти термометры были воздушные и состояли из сосуда с трубкой, содержащего воздух, отделённый от атмосферы столбиком воды, они изменяли свои показания и от изменения температуры, и от изменения атмосферного давления.

Термометры с жидкостью описаны в первый раз в 1667 г. «Saggi di naturale esperienze fatte nell’Accademia del Cimento », где о них говорится как о предметах, давно изготовляемых искусными ремесленниками, которых называют «Confia », разогревающими стекло на раздуваемом огне лампы и выделывающими из него удивительные и очень нежные изделия. Сначала эти термометры наполняли водой, но они лопались, когда она замерзала; употреблять для этого винный спирт начали в 1654 году по мысли великого герцога тосканского Фердинанда II. Флорентийские термометры сохранились в нескольких экземплярах до нашего времени в Галилеевском музее, во Флоренции; их приготовление описывается подробно.

Сначала мастер должен был сделать деления на трубке, соображаясь с её относительными размерами и размерами шарика: деления наносились расплавленной эмалью на разогретую на лампе трубку, каждое десятое обозначалось белой точкою, а другие чёрными. Обыкновенно делали 50 делений таким образом, чтобы при таянии снега спирт не опускался ниже 10, а на солнце не поднимался выше 40. Хорошие мастера делали такие термометры настолько удачно, что все они показывали одно и то же значение температуры при одинаковых условиях, однако такого не удавалось достигнуть, если трубку разделяли на 100 или 300 частей, чтобы получить большую точность. Наполняли термометры посредством подогревания шарика и опускания конца трубки в спирт, заканчивали наполнение при помощи стеклянной воронки с тонко оттянутым концом, свободно входившим в довольно широкую трубку. После регулирования количества жидкости, отверстие трубки запечатывали сургучом, называемым «герметическим». Из этого ясно, что эти термометры были большими и могли служить для определения температуры воздуха, но были ещё неудобны для других, более разнообразных опытов, и градусы разных термометров были не сравнимы между собою.

Термометр Галилея

В 1703 г. Амонтон (Guillaume Amontons ) в Париже усовершенствовал воздушный термометр, измеряя не расширение, а увеличение упругости воздуха, приведённого к одному и тому же объёму при разных температурах подливанием ртути в открытое колено; барометрическое давление и его изменения при этом принимались во внимание. Нулём такой шкалы должна была служить «та значительная степень холода», при которой воздух теряет всю свою упругость (то есть современный абсолютный нуль), а второй постоянной точкой - температура кипения воды. Влияние атмосферного давления на температуру кипения ещё не было известно Амонтону , а воздух в его термометре не был освобождён от водяных газов; поэтому из его данных абсолютный нуль получается при −239,5° по шкале Цельсия. Другой воздушный термометр Амонтона , выполненный очень несовершенно, был независим от изменений атмосферного давления: он представлял сифонный барометр, открытое колено которого было продолжено кверху, снизу наполнено крепким раствором поташа, сверху нефтью и оканчивалось запаянным резервуаром с воздухом.

Современную форму термометру придал Фаренгейт и описал свой способ приготовления в 1723 г. Первоначально он тоже наполнял свои трубки спиртом и лишь под конец перешёл к ртути. Нуль своей шкалы он поставил при температуре смеси снега с нашатырём или поваренной солью, при температуре «начала замерзания воды» он показывал 32°, а температура тела здорового человека во рту или под мышкой была эквивалентна 96°. Впоследствии он нашёл, что вода кипит при 212° и эта температура была всегда одна и та же при том же состоянии барометра. Сохранившиеся экземпляры термометров Фаренгейта отличаются тщательностью исполнения.

Ртутный термометр со шкалой Фаренгейта

Окончательно установил обе постоянные точки, тающего льда и кипящей воды, шведский астроном, геолог и метеоролог Андерс Цельсий в 1742 г. Но первоначально он ставил 0° при точке кипения, а 100° при точке замерзания. В своей работе Цельсий «Observations of two persistent degrees on a thermometer » рассказал о своих экспериментах, показывающих, что температура плавления льда (100°) не зависит от давления. Он также определил с удивительной точностью, как температура кипения воды варьировалась в зависимости от атмосферного давления. Он предположил, что отметку 0 (точку кипения воды) можно откалибровать, зная на каком уровне относительно моря находится термометр .

Позже, уже после смерти Цельсия, его современники и соотечественники ботаник Карл Линней и астроном Мортен Штремер использовали эту шкалу в перевёрнутом виде (за 0° стали принимать температуру плавления льда, а за 100° - кипения воды). В таком виде шкала оказалась очень удобной, получила широкое распространение и используется до нашего времени.

Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объёма жидкости, которая залита в термометр (обычно это спирт или ртуть), при изменении температуры окружающей среды. В связи с запретом применения ртути из-за её опасности для здоровья во многих областях деятельности ведется поиск альтернативных наполнений для бытовых термометров. Например, такой заменой может стать сплав галинстан . Также все шире применяются другие типы термометров.

Ртутный медицинский термометр

Механические термометры этого типа действуют по тому же принципу, что и жидкостные, но в качестве датчика обычно используется металлическая спираль или лента из биметалла.

Оконный механический термометр

Существуют и электронные термометры. Принцип работы электронных термометров основан на изменении сопротивления проводника при изменении температуры окружающей среды. Электронные термометры более широкого диапазона основаны на термопарах (контакт между металлами с разной электроотрицательностью создаёт контактную разность потенциалов, зависящую от температуры). Наиболее точными и стабильными во времени являются термометры сопротивления на основе платиновой проволоки или платинового напыления на керамику. Наибольшее распространение получили PT100 (сопротивление при 0 °C - 100Ω) PT1000 (сопротивление при 0 °C - 1000Ω) (IEC751). Зависимость от температуры почти линейна и подчиняется квадратичному закону при положительной температуре и уравнению 4 степени при отрицательных (соответствующие константы весьма малы, и в первом приближении эту зависимость можно считать линейной). Температурный диапазон −200 - +850 °C.

Медицинский электронный термометр

Оптические термометры позволяют регистрировать температуру благодаря изменению уровня светимости, спектра и иных параметров при изменении температуры. Например, инфракрасные измерители температуры тела. Инфракрасный термометр позволяет измерять температуру без непосредственного контакта с человеком. В некоторых странах уже давно имеется тенденция отказа от ртутных термометров в пользу инфракрасных не только в медицинских учреждениях, но и на бытовом уровне.

Инфракрасный термометр

Цельсий и Фаренгейт.

Температуру в России исторически измеряют в градусах Цельсия. Все понимают, что при + 27 о С жарко, а при - 35 о С в школу можно не идти… Если ты померил свою температуру, а на градуснике 36,6 о С, то контрольной не избежать, больным не прикинешься.

А вот в США или Англии нашими градусниками никто пользоваться не умеет, потому что там температуру меряют в градусах Фаренгейта. Почему?

Так бывает, что одна и та же научная проблема независимо друг от друга разрабатывается разными учёными. Так,в восемнадцатом веке над изучением свойств температуры практически одновременно работали несколько ученых, и каждый из них создал свою собственную шкалу, сегодня повсеместно используются только две температурные шкалы - Цельсия и Фаренгейта.

Даниэль Габриэль Фаренгейт - немецкий физик, занимался изготовлением физических инструментов и приборов. Придумал спиртовой и ртутный термометры. Создал свою температурную шкалу.

Андерс Цельсий - шведский астроном и физик. Цельсий первым измерил яркость звезд, установил взаимосвязь между северным сиянием и колебаниями в магнитном поле Земли. Создал свою температурную шкалу.

Чем же отличаются друг от друга эти температурные шкалы?

Когда Фаренгейт задумывал свою температурную шкалу, он хотел, чтобы она была максимально удобной для человека и не имела бы отрицательных значений. Поэтому для нижнего конца шкалы он выбрал самую низкую известную в то время температуру - температуру плавления смеси снега и нашатырного спирта - и обозначил её как 0˚F («ноль» градусов по Фаренгейту).

Цельсий же ввёл 0˚С (по Цельсию) - это температура замерзания воды и таяния льда, а 100˚C - это температура кипения воды.

Градусники «по Фаренгейту» и «по Цельсию» получились очень разные:

Есть разные формулы, по которым можно перевести градусы Цельсия в Фаренгейты и обратно. Но ими обычно никто не пользуется - зачем? Ведь сегодня в любой стране мира можно купить привычный тебе градусник, многие градусники сразу размечены на обе шкалы, да и в Интернете прогнозы погоды публикуют в разных единицах измерения!

А вот из названия этой книги фантаста Рэя Бредбери, весь мир точно знает температуру горения бумаги - 451 о по Фаренгейту.

Вопрос «Что такое шкала температур?» - годится для любого физика - от студента до профессора. Полный ответ на него занял бы целую книгу и мог бы послужить хорошей иллюстрацией изменения взглядов и прогресса физика за последние четыре века.
Температура - это степень нагретости по определенной шкале. Для грубой оценки, без термометра, можно воспользоваться чувствительностью собственной кожи, но наши ощущения тепла и холода ограничены и ненадежны.

Опыт. Чувствительность кожи к теплу и холоду. Этот опыт весьма поучителен. Поставьте три тазика с водой: один с очень горячей, друюй с умеренно теплой, а третий с очень холодной. Опустите минуты на 3 одну руку в горячий, а другую в холодный таз. Затем обе руки опустите в таз с теплой водой. Теперь спросите-ка каждую руку, что она «скажет» вам о температура воды?

Термометр точно говорит нам, насколько вещь горячее или холоднее; с его помощью можно сравнить степень нагретости разных предметов, пользуясь им вновь и вновь, мы можем сопоставить наблюдения, сделанные в разное время. Он снабжен определенной неизменной, воспроизводимой шкалой - характерной принадлежностью любого хорошего прибора. Способ изготовления термометра и сам прибор диктуют нам ту шкалу и систему измерений, которой мы должны пользоваться. Переход от грубых ощущений к прибору со шкалой - не просто усовершенствование нашего всязания. Мы изобретаем и вводим в употребление новое понятие - температуру.
Наше грубое представление о горячем и холодном содержит в зародыше понятие температуры. Исследования показывают, что при нагревании многие из важнейших свойств вещей изменяются, и. для изучения этих изменений нужны термометры. Повсеместное распространение термометров в обиходе отодвинуло на второй план смысл понятия температуры. Мы считаем, что термометр измеряет температуру нашего тела, воздуха или воды в ванне, хотя на самом деле он показывает лишь свою собственную температуру. Мы считаем изменения температуру от 60 до 70° и от 40 до 50° одинаковыми. Однако никаких гарантий того, что они действительно одинаковы, у нас, по-видимому, нет. Нам остается считать их одинаковыми по определению Термометры все же полезны нам как верные слуги. Но действительно ли за их преданным «лицом» - шкалой скрыта Ее Сиятельство Температура.

Простые термометры и шкала Цельсия
Температуру в термометрах показывает расширяющаяся при нагревании капелька жидкости (ртути или окрашенного спирта), помещенная в трубку с делениями. Чтобы шкала одного термометра совпадала с другой, мы берем две точки: таяние льда и кипение воды в стандартных условиях и приписываем им деления 0 и 100, а интервал между ними делим на 100 равных частей. Итак, если по одному термометру температура воды в ванне равна 30°, то любой другой термометр (если он правильно проградулирован) покажет то же самое, даже если у него пувырек и трубка совсем другого размера. В первом термометре ртуть расширяется на 30/100 расширения от точки плавления до точки кипения. Разумно ожидать, что и в других термометрах ртуть будет расширяться в той же степени и они также покажут 30°. Здесь мы полагаемся на Универсальность Природы 2>.
Предположим теперь, что мы взяли другую жидкость, например глицерин. Даст ли это ту же шкалу при прежних точках? Конечно, для согласования со ртутным глицериновый термометр должен иметь 0° при таянии льда и 100° - при кипении воды. Но будут ли показания термометров совпадать при промежуточных температурах? Оказывается нет когда ртутный термометр показывает 50,0° С, глицериновый термометр показывает 47,6° С. По сравнению со ртутным глицериновый термометр на первой половине пути между точкой таяния льда и точкой кипения воды немного отстает. (Можно сделать термометры, которые дадут еще большее расхождение. Например, термометр с парами воды показал бы 12° в точке, где по ртутному 50°!

При этом получается так называемая шкала Цельсия, которая сей-нас широко используется. В США, Англии и некоторых других странах применяется шкала Фаренгейта, на которой точки таяния льда и кипения воды помечаются цифрами 32 и 212. Первоначально шкала Фаренгейта строилась на двух других точках. В качестве нуля бралась температура замораживающей смеси, а числу 96 (число, распадающееся на большое число сомножителей и поэтому удобное в обращении) сопоставлялась нормальная температура человеческого тела. После модификации, когда стандартным точкам были сопоставлены целые числа, температура тела оказалась между 98 и 99. Комнатная температура 68° Р соответствует 20° С. Несмотря на то дто переход от одной шкалы к другой меняет числовое значение единицы температуры, он не затрагивает самой концепции температуры. Последнее международное соглашение ввело еще одно изменение: вместо стандартных точек таяния льда и кипения воды, определяющих шкалу, приняты «абсолютный нуль» и «тройная точка» для воды. Хотя это изменение в определении температуры - фундаментально, в обычную научную работу оно практически не вносит никакой разницы. Для тройной точки число выбрано так, что новая шкала очень хорошо согласуется со старой.
2> Это рассуждение несколько наивно. Стекло ведь тоже расширяется Действует ли расширение стекла на высоту столбика ртути? Что по этой причине, кроме простого расширения ртути, показывает термометр? Допустим, ято два термометра содержат чистую ртуть, но шарики их сделаны из различных сортов стекла с разным расширением. Повлияет ли это на результат?