Температурные шкалы и термометры - ABCD42.RU

Температурные шкалы и термометры

Температурные шкалы и термометры

Из рассуждений, приведенных выше, становится более или менее понятным, что температура тела связана с движением молекул, их кинетической энергией.

Одним из первых, кто высказал мысль о механической природе тепла, был Галилео Галилей. Он же, примерно в 1597 г., построил термометр.

Основой термометра Галилея являлся стеклянный шар с воздухом, из которого выходила трубка со столбиком воды. При нагревании воздуха внутри шара, столбик воды перемещался по трубке, свидетельствуя об изменении температуры. Подобный термометр нетрудно изготовить и самостоятельно. Но термометр Галилея был открытым и реагировал не только на изменение температуры, но и на изменение атмосферного давления. К тому же, этот термометр не имел шкалы, и его показания нельзя было отобразить числом. Пожалуй, единственное, что мог делать термометр Галилея, так это сравнивать на уровне «больше-меньше» температуры разных тел в одном и том же месте, в одно и то же время.

Несколько позже того, как ученик Галилея Торричелли обнаружил существование атмосферного давления и измерил его величину с помощью столбика ртути, термометры стали делать изолированными от атмосферы. А Флорентийские мастера, которые изготовляли очень красивые термометры, добавили впоследствии к ним шкалу с делениями.

В 1701 г. появилась работа Ньютона, в которой он описал 12-градусную шкалу и четко высказал мысль о необходимости нанесения на шкалу термометра постоянных точек.

Первый современный термометр был изготовлен голландским инструментальным мастером Даниэлем Фаренгейтом. Одна точка его спиртового термометра соответствовала самой низкой температуре зимы в Англии 1709 г. По шкале Фаренгейта температурный интервал между точками таяния льда и кипения воды делится на 180 частей. Точке таяния льда соответствует значение 32 ºF, а точке кипения воды 212 ºF.

Во Франции примерно в 1740 г. Рене Реомюром был построен термометр на точках замерзания воды (0º) и ее кипения (80º). Реомюр при построении своей шкалы основывался на том, что вода при нагревании расширяется между этими двумя точками на 80 тысячных своего объема.

В 1742 г. шведским физиком и астрономом Андре Цельсием была предложена стоградусная шкала, в которой за нуль градусов принималась температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении, а за сто градусов – температура таяния льда. Несколько позже эту шкалу перевернули.

Всеми названными температурными шкалами до сих пор пользуются в разных странах. Зная соотношение между ними, всегда можно сделать соответствующий перевод и представить температуру в знакомой шкале.

Как видно, при построении температурных шкал существует значительный произвол. Однако, основываясь на физическом смысле понятия температуры, можно было бы построить температурную шкалу на несколько иных принципах, нежели описанные выше. Из уравнения, связывающего изменение энергии молекул с температурой, вытекает, что температура не может быть как угодно малой. Это соображение определяет одну опорную точку, которая носит абсолютный характер и, соответственно, может быть названа абсолютным нулем . Вместо определения второй опорной точки можно было бы к абсолютному нулю приставить какую-нибудь из уже имеющихся шкал, например шкалу Цельсия.

Шкала температур, у которой ноль соответствует такому состоянию, с интервалами, равными интервалам в шкале Цельсия, была предложена английским физиком Уильямом Кельвином и называется шкалой Кельвина , а сама температура, измеренная по этой шкале, называется абсолютной температурой. Обозначается и измеряется в кельвинах (К). Например, . Расчеты показывают:

Если уменьшать температуру, начиная от 0 ºС, то с ее изменением на один градус Цельсия, средняя кинетическая энергия молекул газа будет уменьшаться примерно на 1/273 ее значения при нуле градусов Цельсия и станет равной нулю при температуре . Отсюда вытекает соотношение между температурными шкалами Цельсия и Кельвина: .

Основываясь на понятиях абсолютной температуры и шкалы Кельвина, можно вернуться к уравнению, связывающему изменение средней кинетической энергии молекул газа с изменением его температуры. Если и то

Температура

Долгое время в качестве инструмента для измерения температуры человек использовал лишь собственный палец. Думаю, многие из вас и сейчас время от времени измеряют ее, доверяя своим тактильным ощущениям. (Очень холодно, холодно, тепло, горячо, ожог.)

Но на сколько объективны такие измерения? Приведу простой пример. Плюшевый медведь и чугунная гиря, находясь в одной комнате длительное время, имеют одинаковую температуру. Но на ощупь гиря скорее всего покажется нам более холодной.

Чтобы понять, что такое температура, как ее точно измерить, а также помочь всем тем, кто страдает бессонницей, давайте обратимся к скучной теории.

Макроскопические и микроскопические тела.

Мы живем в макромире, и все предметы, которые нас окружают принято называть макроскопическими телами.

Да может быть ваша любимая кружка в масштабах вселенной кажется не такой уж и большой, чтоб носить приставку макро. Но относительно огромного числа атомов и молекул, из которых она состоит, это название вполне заслуженно.

Сами же атомы и молекулы, а также электроны, протоны, нейтроны принято называть микроскопическими телами или микроскопическими частицами.

Совокупности макроскопических тел или иногда отдельные макроскопические тела называют термодинамическими системами.

Так как эти системы состоят из огромного числа подвижных микроскопических частиц, они способны обмениваться веществом и энергией, как внутри самой системы, так и с окружающей средой.

Только представьте какие процессы происходят в Вашей кружке пока она остывает, дожидаясь Вас на кухне.

И здесь интересный момент. Для описания термодинамической системы не обязательно рассматривать поведение каждой отдельной ее молекулы. Это в принципе невозможно.

Состояние термодинамической системы прекрасно характеризуется набором макроскопических параметров, которые описывают систему в целом. Одним из таких параметров и является температура.

Температура и нулевое начало термодинамики

Я говорил в самом начале, что гиря и плюшевый медведь, находясь длительное время в комнате будут иметь примерно одинаковую температуру.

В основе этого утверждения лежит фундаментальный постулат или нулевое начало термодинамики, которое фактически дает определение температуры.

В каком бы состоянии не находились тела в изолированной термодинамической системе, со временем эта система придет в состояние теплового (термодинамического) равновесия, и все части этой системы будут иметь одинаковую температуру.

Конечно, комната не совсем изолированная термодинамическая система. Но в физике главное что? Правильно! Умение пренебрегать.

Пока тела имеют разную температуру между ними может происходить теплообмен. Горячие тела будут остывать, холодные нагреваться. Но как только температура тел сравняется, теплообмен между ними прекратится.

По этому поводу Рудольф Клаузиус в 1865 году выдвинул даже гипотезу о тепловой смерти вселенной. Согласно этой гипотезе вселенная рано или поздно должна прийти к термодинамическому равновесию и умереть.

Но вернемся к температуре. Мы разобрались что фактически температура является величиной, характеризующей способность тел или термодинамических систем вступать в тепловое взаимодействие друг с другом. Давайте теперь подумаем, как можно ее измерять, не прибегая к помощи пальца.

Измерение температуры

Думаю, не для кого не секрет, что прибор для измерения температуры называется термометром. На сегодняшний день их существует большое количество, отличающихся друг от друга формами, размерами, областями применения и конечно принципами работы.

И хотя 2020 год внес свои коррективы и пирометром, позволяющим измерять температуру на расстоянии, уже никого не удивишь. Все же самыми распространёнными термометрами являются жидкостные.

Забавно, но первые термометры появились еще до того, как человек понял, что он ими измеряет. Поэтому сейчас очень трудно сказать кто именно изобрел это устройство. Да, здесь часто называют имя Галилео Галилея. Но его термоскоп даже не имел шкалы, чтоб измерять что либо, поэтому термометром его можно назвать с большой натяжкой.

Но вот то, что жидкостные термометры приобрели современный, знакомый нам с детства вид в этом определенно заслуга Габриэля Фаренгейта.

Термометры Фаренгейта отличались особой точностью. Причем показания любых двух его экземпляров всегда соответствовали друг другу. Не удивительно что они в свое время завоевали большую популярность.

Особенность температуры заключается в том, что мы не можем измерять ее напрямую, а можем лишь судить о ней по изменению других макропараметров. В основе жидкостных термометров лежит тепловое расширение жидкости. То есть о изменении температуры мы судим по изменению ее объема.

В своих первых термометрах, начиная с 1709 года, Фаренгейт использовал подкрашенный спирт. Но позже, в 1714 году, он перешел на тяжелый металл. То есть на ртуть.

Как придумать свою температурную шкалу?

Если нам необходимо измерить температуру. Ну скажем температуру воды в кастрюле. Помещаем термометр в воду. Его температура быстро уравняется с температурой воды. Вспоминаем нулевое начало термодинамики. В свою очередь спирт займет соответствующий этой температуре объем, и столбик термометра укажет нам температуру.

Но хорошо если за окнами 21 век, и мы купили термометр в ближайшем сетевом супермаркете. А если нет? Если на дворе начало 18 века, и термометр мы изготовили сами, буквально на коленке?

Необходимо придумать свою температурную шкалу, что позволит сопоставлять показания термометра с температурами физических явлений, взятыми за эталон.

Измеряем температуру соседского кота и берем ее за ноль. Это будет наша первая реперная точка. За вторую точку можно взять температуру борща, кипящего на плите. Измеряем ее, и принимаем за 100. Теперь столбик термометра от первой до второй точки делим на 100 равных частей (градусов) и наша шкала готова.

Читайте также  Художественная ковка металла

Все очень просто, поэтому не мудрено что к концу 18 века общее количество известных шкал достигало девятнадцати. А если прикинуть что могли существовать и неизвестные, вроде нашей… Благо до сегодняшнего дня дожили не все. Давайте рассмотрим самые живучие.

Шкала Фаренгейта

В своей шкале Фаренгейт использовал не две, а три основные реперные точки. За ноль была принята температура замерзания смеси льда, воды и нашатыря, которая, по одной из версий, соответствовала температуре самого холодного дня зимы 1709 года.

Вторая точка — это температура замерзания воды. Она заняла отметку в 32 градуса.

И третьей точкой, в 100 градусов, должна была стать температура здорового человека. Но толи 300 лет назад люди были более горячие, толи Фаренгейт что-то намерил неправильно.

В общем 100 F это температура не здорового человека, а самого что ни на есть больного. Существует версия, согласно которой за эталон температуры здорового человека, фаренгейт взял температуру своей жены. Но на тот момент она приболела и получилось, то, что получилось.

Давайте воспользуемся формулой для перевода градусов Фаренгейта в привычные нам цельсии, и узнаем какая же температура была у жены ученого.

T(°С) = 5/9 х (t (°F) — 32)

Чтобы определить какой же будет нормальная температура человека по шкале Фаренгейта, воспользуемся обратной формулой:

T(°F) = 9/5 х (t (°C) + 32)

То есть нормальная температура человека соответствует примерно 98 °F.

Шкала Фаренгейта использовалась в англоязычных странах вплоть до 1960 года, пока не была введена международная система единиц (СИ), с ее кельвинами и цельсиями. Как известно США не приняла систему СИ. Так что, если ваша температура 98 градусов, и вы при этом не испытываете никаких беспокойств, то скорее всего вы живете в США. Ну или в Либерии, Белизе, Палау, на Каймановых островах, или на Багамах. В общем в тех уголках нашей планеты, где еще сохранился Фаренгейт. А мы переходим к Цельсию.

Шкала Цельсия

Со шкалой Цельсия тоже не все так просто. Мы привыкли что при нуле градусов тает лед, а при ста кипит вода. Но если бы вы сказали об этом шведскому астроному, геологу и метеорологу Андерсу Цельсию, чье собственно имя и носит эта шкала, то скорее всего он был бы крайне удивлен.

Цельсия смущали отрицательные температуры, поэтому ноль в своей шкале он определил как температуру кипения воды, а сто градусов как температуру плавления льда. То есть современная шкала является перевернутой шкалой Цельсия. Ну а придал ей привычный нам всем вид, соотечественник Цельсия Мартин (Мортен) Штремер. После смерти самого Цельсия.

Так что фактически, то, что называется шкалой Цельсия правильней было бы назвать шкалой Штремера. И вроде как по началу в Швеции она так и называлась, пока Йонс Якоб Берцелиус не назвал ее по ошибке шкалой Цельсия в своем учебнике химии. Учебник издавался не только в Швеции, но и за ее пределами…

Опять же это одна из версий. Существуют и другие. Так по одной из них шкалу перевернул Линей, Шведский ботаник, а по другой сам Цельсий. По совету, опять же, Мартина Штремера.

Абсолютный ноль, и шкала Кельвина.

Шкала фаренгейта, шкала цельсия, да и наша собственная шкала имеют один существенный недостаток. Они относительные. Вода, в зависимости от давления, может кипеть при разных температурах, температура жены тоже вещь не постоянная, как, собственно, и температура кота.

Да, для того чтобы понять, что одеть, пальто или пуховик, термометра со шкалой цельсия за окном будет вполне достаточно. Но для науки все эти заморочки с давлением, зимой 1709 года, и борщом на плите будут вносить определенные неудобства. Необходима абсолютная шкала, которая уже не зависит от всяких глупостей.

Такую шкалу предложил лорд Кельвин он же Томпсон.

Точкой отсчета в этой шкале был взят абсолютный ноль — температура, при которой останавливаются все процессы внутри вещества. То есть атомы и молекулы перестают двигаться.

Понятно, что для такой шкалы не существует отрицательных температур.

Причем за ее основу Кельвин взял уже существующую шкалу Цельсия, просто опустив ее вниз на 273,15 градуса. Все это очень удобно для перехода между шкалами.

Нужно цельсии перевести в кельвины прибавляем 273. Если наоборот кельвины в цельсии отнимаем 273.

Зная, это легко определить абсолютный ноль по шкале Кельвина. От нуля отнимаем 273 и получаем — 273 градуса Цельсия. −273,15° С если быть точнее. Просто часто для расчетов используют округленное до целых значение.

Все. На этом на сегодня остановимся. Для разминки можете перевести в цельсии температуру холодной зимы 1709 года, выразить в кельвинах температуру вашего кота, и конечно определить температуру кипения борща в США. Результаты пишите в комментариях. Всем тепла!

Долгий путь термометров

Продолжение. Начало см. в № 4/2008

Реомюр и Делиль

Французский ученый-универсал – натуралист, биолог и физик, почетный член Петербургской академии наук – Рене Антуан Фершо Реомюр (1683–1757), прославившийся работами в области геометрии, биологии, ботаники, зоологии, металлургии, фарфорового и стекольного производства, автор шеститомного труда «Мемуары по естественной истории насекомых», заинтересовался метеорологией и в 1730 г. сделал свой водно-спиртовой термометр. Он, видимо, не был знаком с работами Фаренгейта и предложил новую шкалу температур. Реперными точками этой 80-градусной шкалы служили температуры таяния льда и кипения воды. Почему деление производилось на 80 интервалов, объясняется так: при нагревании от точки замерзания до точки кипения водно-спиртовой раствор увеличивается в объеме на 80 тысячных своего объема. Возможно, это связано с использованием в качестве рабочего тела 80-градусного спирта.

Термометр Реомюра первоначально имел большие размеры и низкую точность, метод его калибровки оказался неудобным, однако шкала была официально принята в России до 1917 г. Во Франции использование этой шкалы было отменено 1 апреля 1794 г. в связи с переходом на метрическую систему. Градус Реомюра обозначают °R.

Градусы Реомюра упоминаются во многих литературных произведениях классиков русской литературы. Известна даже шутка газеты «Одесский вестник» в начале 1829 г. о знаменитом оперном театре: «Театр будет открыт только тогда, когда сильная стужа не будет превышать 10 градусов Реомюрова Термометра» (т. е. температура станет выше 12,5 °С).

Французский астроном Жозеф Никола Делиль (1688–1768), почетный член Петербургской академии наук, в 1725–1747 гг. работал в России директором астрономической обсерватории, положил начало систематическим астрономическим наблюдениям и точным геодезическим измерениям, руководил составлением географического атласа России. Реперными точками разработанной им шкалы температур были температуры тех же фазовых переходов воды, что у Реомюра, только точка кипения принималась за нуль, а точка замерзания – за 150 °. Правда, сделано это было по предложению члена Петербургской академии наук медика Йозиаса Вайтбрехта (1702–1747). Шкала использовалась в России почти столетие, в градусах Делиля измерял температуру М.В.Ломоносов (1711–1765), поменяв местами значения для высшей и низшей реперных точек.

Цельсий и шведская шкала температур

Когда студент Андерс Цельсий (Цельсиус, 1701–1744) в шведском городе Упсала приступил под руководством профессора астрономии Э.Бурмана к метеорологическим наблюдениям, существовало множество разнообразных температурных шкал. Видимо, это и заставило астронома и физика обратиться к выбору и обоснованию наиболее надежной шкалы. Правда, окончательно это произошло гораздо позже, когда Цельсий стал известным ученым.

Термометр
Линнея

В 1740 г. (по другим данным, в 1741 или 1742 г.) после посещения нескольких европейских обсерваторий он открыл и возглавил шведскую обсерваторию в г. Упсала. Для обсерватории потребовались точные инструменты.

В 1742 г. в статье «Наблюдения двух фиксированных положений на термометре» он описал шкалу, которая делила интервал жидкофазного существования воды на 100 равных градусов. При этом он сначала за нулевую отметку принял точку кипения воды, а за 100 ° – температуру таяния льда. Он не был первым в использовании стоградусной шкалы и, как предполагают, использовал предложение шведского естествоиспытателя, создателя классификаций животного и растительного мира Карла Линнея (1707–1778).

Линней сначала использовал шкалу Фаренгейта и лишь после знакомства с термометром Цельсия перешел на него. Будучи в Голландии, он в ботаническом саду г. Клиффорда в 1737 и 1739 гг. использовал термометры Фаренгейта. На фронтисписе книги Линнея с описанием этого сада изображены путти (маленькие мальчики) с термометром, внешний вид которого не отличается от современного настенного прибора.

Первый термометр Линнея был создан в 1744 г. для наблюдений за растениями в оранжерее ботанического сада г. Упсала. Но он был разбит, и Линней заказал второй, с гордостью продемонстрировав его в декабре 1745 г. университетским коллегам. В статье, опубликованной 16 декабря 1745 г., он отмечал, что от солнечных лучей температура в «калдариуме» (наиболее теплой части оранжереи) часто повышается до 30 °, а в примечании указывал: «Наш термометр показывает 0 (ноль) в точке замерзания воды и 100 ° в точке ее кипения». Среди тех, кому Линней показывал свой термометр, был и профессор М.Стремер.

Читайте также  Проектирование аппарата с мешалкой

В то время термометры были большой редкостью и цена каждого доходила до 30 шведских далеров (что эквивалентно месячному заработку кузнеца или стоимости мушкета). Шведскими инструментами с видоизмененной стоградусной шкалой для измерения температуры были снабжены экспедиции в Северную Америку (1747) и на Шпицберген (1758).

Основная часть термометра,
принадлежавшего лично Цельсию

Шкала, предложенная шведскими учеными, оказалась удачной. Сначала ее называли «новой шкалой Цельсия», затем «шкалой Экстрема» (Дениэл Экстрем – мастер, которому заказывал свой термометр в 1743 г. Линней) и «шкалой Стремера». В 1749 г. секретарь Королевской академии наук Швеции П.Варгентин также называл создателями термометра Цельсия, Стремера и Экстрема. Лишь в 1948 г. с поправкой, что реперной считается тройная точка воды, она была официально названа шкалой Цельсия (хотя понятно, что определенный вклад в ее создание внес Линней, другие шведские ученые и мастера-стеклодувы). Градус Цельсия обозначают °С.

Эта шкала постепенно расширяла сферы применения, хотя в XVIII в. выпускались термометры, имевшие даже по четыре шкалы (в частности, включая ныне полностью забытые шкалы И.Ньютона или керамиста Д.Уэджвуда), а до 1841 г. сохранялось не менее 18 других температурных шкал (в том числе химика Д.Дальтона).

Английский метеоролог Джеймс Сикс (1731–1793) в 1782 г. изготовил первый термометр, фиксирующий наибольшую и наименьшую температуры («максимум-минимум-термометр»). Этот U-образный термометр был заполнен спиртом и ртутью, имел две шкалы и два стальных маркера, перемещаемых жидкостью. Когда температура становилась ниже или выше экстремальной величины (положительной или отрицательной), маркеры оставались на месте. Термометры Сикса оказались весьма удобными и используются в метеорологии и садоводстве до наших дней.

В 1852 г. был изобретен термометр, имеющий над резервуаром ртути сужение и показывающий наибольшую достигнутую температуру. В 1866 г. создан клинический термометр длиной всего
6 дюймов (чуть больше 15 см) и требующий для измерения всего 5 мин. Термометр со шкалой Цельсия быстро вошел в медицинскую практику. В 1868 г. врач Карл Вундерлих опубликовал результаты более одного миллиона измерений тела 25 тысяч пациентов и заключил, что нормальной для человека является температура от 36,3 до 37,5 °С. Для этих измерений еще использовался термометр длиной около 1 фута (примерно 30 см), помещаемый на 20 мин подмышку.

Газовые термометры

Французский механик и физик Гийом (Гильом) Амонтон (1663–1705), который известен своей работой «Заметки и физические опыты по конструированию новых водяных часов, барометров, термометров и гигрометров», в 1702 г. усовершенствовал прибор Галилея. Он сумел обеспечить измерения давления постоянного объема воздуха и положил тем самым начало современным газовым термометрам. В своих исследованиях Амонтон первым обнаружил связь температуры и давления, плотности и давления газа.

Газовый термометр постоянного объема.
Давление в колбе А регулируется уровнем
в резервуаре Б и колене В, а температура
измеряется по шкале у колена Г

В 1780 г. французский физик, талантливый экспериментатор, увлекавшийся атмосферным электричеством и аэростатами, Жак Александр Цезарь Шарль (1746–1823) показал, что при одном и том же повышении температуры все газы расширяются на одну и ту же величину. Это свойство позволило создать температурную шкалу, имеющую всего одну реперную точку.

Интенсивные исследования газовых термометров постоянного давления или постоянного объема предпринял в 1887 г. П.Шаппиус. Основываясь на его результатах, Международный комитет весов и мер принял водородную шкалу.

Температура и тепло

Температура является интенсивной (качественной) величиной. В отличие от нее тепло – экстенсивная (количественная) величина, которую можно складывать и вычитать. Различие между температурой и теплом стало понятным после того, как один из самых выдающихся химиков XIX в., блестящий экспериментатор шотландец Джозеф Блэк (1728–1799) ввел в середине века понятия скрытой теплоты и теплоемкости. Он задумался над экспериментами, проведенными Фаренгейтом, и пришел к новым выводам. Чтобы лед растаял, надо подвести тепло; когда вода замерзает, тепло выделяется. При замерзании переохлажденной жидкости температура поднимается скачком, потому что выделяется скрытая теплота плавления. Чтобы нагреть равные объемы или массы различных жидкостей на один градус, требуется неодинаковое количество тепла, потому что жидкости имеют разную теплоемкость. Блэк, поставивший тепловые свойства в центр своего понимания химии, показал, как можно измерять количество тепла, и должен считаться основоположником калориметрии.

Летом 1783 г. французский астроном, математик, физик-теоретик, почетный член Петербургской академии наук Пьер Симон Лаплас (1749–1827) представил Королевской академии наук доклад о результатах первых тепловых измерений, проведенных совместно с французским химиком, одним из основоположников современной химии Антуаном Лораном Лавуазье (1743–1794). Эти измерения были выполнены с помощью сконструированного ими ледяного калориметра. Позднее Лавуазье и Лаплас пришли к выводу, что количество тепла, необходимое для разложения какого-либо соединения на его составные части, в точности равно количеству тепла, выделяющемуся при образовании того же соединения из составных частей. Химия приобрела новые возможности благодаря возникновению калориметрии (термин ввел Лавуазье в 1789 г.) и термохимии. Тепло из понятия превратилось в измеряемую величину.

Недавние термометры наших лабораторий

Есть термометр, с которым в свое время был знаком каждый студент-химик, а также многие техники и лаборанты многочисленных институтских и заводских лабораторий. Это – так называемый метастатический термометр, изобретенный немецким химиком Эрнстом Отто Бекманом (1853–1923), автором известной в органической химии «перегруппировки Бекмана».

Устройство
термометра Бекмана

Термометр Бекмана имеет небольшую температурную шкалу, отличается высокой точностью относительных измерений и может перестраиваться на различные диапазоны температур. Для перестройки термометр имеет два резервуара со ртутью: нижний и верхний. Путем нехитрой операции переворачивания термометра и нагревания-охлаждения основного (при проведении измерений – нижнего) резервуара можно разрывать столбик ртути, оставляя в основном резервуаре тот или иной объем ртути.

Такой прибор позволяет точно измерять температуру вблизи точек замерзания или кипения и с использованием закона Рауля определять молекулярную массу растворенного вещества.

Французский профессор, работавший в области электрохимии, термохимии и аналитической химии, Франсуа Рауль (1830–1901) разработал метод криоскопии. Закон, названный его именем, гласит: при растворении грамм-молекулы любого вещества в 1000 г растворителя понижение точки замерзания постоянно. Разработано несколько методов ускорения измерений (метод Раста) и повышения их точности (методы Ландсбергера и Котрелла).

В СССР выпускался термометр ТЛ-1 со шкалой на 5 о С и с ценой деления всего 0,01 °С. Точность измерения лучших термометров Бекмана, по некоторым данным, достигала 0,001 °С. Сейчас продаются электронные термометры Бекмана, обладающие такой же точностью, что и обычные серийные приборы.

В отечественной термометрии и калориметрии был популярен высокоточный термометр конструкции Простякова, который изготавливался по индивидуальным заказам.

История изобретения термометра и виды температур

История изобретения термометра благодаря переводам наследия древних ученых сохранилась хорошо.

Так описано, что греческий ученый и врач Гален, сделал первую попытку измерения температуры в 170 году н.э. Он документально описал стандартную температуру кипящей воды и льда.

Измерители нагретости

Концепция измерения температуры является достаточно новой. Термоскоп – по существу, измеритель нагретости без шкалы был предшественником современного термометра. Были несколько изобретателей, работающих на термоскопе в 1593 году, но наиболее известным является Галилео Галилей, итальянский изобретатель, который также улучшил (но не изобрел) термоскоп.

Термоскоп может показать различия в нагретости, что позволяет наблюдателям знать, если что-то становилось теплее или холоднее. Тем не менее, термоскоп не может обеспечить точную температуру в градусах. В 1612 году итальянский изобретатель Санторио добавил свою числовую шкалу на термоскоп и она была использована, чтобы измерять температуру человека. Но по-прежнему не хватало стандартизированной шкалы и точности.

Изобретение термометра принадлежит немецкому физику Габриелю Фаренгейту который совместно с датским астрономом Олаф Кристенсен Рёмером разработал измеритель на основе и с использованием спирта.

В 1724 году они ввели шкалу стандартной температуры, которая носит его имя Фаренгейта, масштаба который был использован для записи изменений нагретости в точной форме. Его шкала разделена на 180 градусов между точками замерзания и кипения воды. 32° F замерзания воды и 212 ° F кипения воды, 0° F была основана на нагретости равной смеси воды, льда и соли. Также за основу этой знаковой системы взята температура человеческого тела. Первоначально, нормальная нагретость человеческого тело была 100° F, но с тех пор была скорректирована до 98,6 ° F. Равная смесь воды, льда и хлорида аммония использована для установки в 0° F.

Фаренгейт демонстрировал термометр на спиртовой основе в 1709 году до открытия ртутного аналога, который оказался более точным.

В 1714 Фаренгейт разработал первый современный термометр – ртутный термометр с более точными измерениями. Известно, что ртуть расширяется или сжимается при повышении физической величины нагретости или падает. Это можно считать первым современным ртутным термометром со стандартизированной шкалой.

История изобретения термометра отмечает, что Габриель Фаренгейт немецкий физик изобрел спиртовой термометр в 1709 году и ртутный термометр в 1714 году.

Виды температурных шкал

В современном мире находят применение определенные виды температурных шкал:

1. Шкала Фаренгейта является одной из трех основных температурных знаковых систем, используемых сегодня с двумя другими Цельсия и Кельвина. Фаренгейт это стандарт, используемый для измерения температуры в Соединенных Штатах, но большая часть остального мира использует Цельсия.

Читайте также  Оценка финансовой устойчивости коммерческого банка

2. Вскоре после открытия Фаренгейта шведский астроном Андерс Цельсий озвучил свою шкалу, которая упоминается как Цельсия. Она делится на 100 градусов, отделяющих точку кипения и замерзания. Оригинальный масштаб установленный Цельсием 0 в качестве точки кипения воды и 100 в качестве точки замерзания, был изменен вскоре после изобретения шкалы и стал: 0° C – замерзания, 100° C – точка кипения.

Термин Цельсия был принят в 1948 году международной конференцией по вопросам мер и весов и масштаб является предпочтительным как датчик температуры для научных приложений, а также в большинстве стран мира кроме Соединенных Штатов.

3. Следующую шкалу изобрел Лорд Кельвин из Шотландии с его датчиком в 1848 году, известная сейчас как шкала Кельвина. Она основывался на идее абсолютной теоретической нагретости, при которой все вещества не имеют тепловой энергии. Там нет отрицательных чисел по шкале Кельвина, 0 K самая низкая температура возможная в природе.

Абсолютный ноль по Кельвину означает минус 273,15 ° С и минус 459,67 F. Шкала Кельвина широко используется в научных приложениях. Единицы по шкале Кельвина имеют тот же размер, как и у шкалы Цельсия, за исключением того, что шкала Кельвина устанавливает самую низкую возможную температуру .

Коэффициенты пересчета видов температур

• Фаренгейта в градусы Цельсия: вычтите 32, а затем умножить на 5, а затем разделить на 9;

• Цельсия в градусы Фаренгейта: умножьте на 9, делим на 5, затем добавить 32;

• Фаренгейта в Кельвина: вычтите 32, умножить на 5, разделить на 9, а затем добавить 273,15;

• Кельвина в градусы Фаренгейта: вычтите 273,15, умножить на 1,8, а затем добавить 32;

• Кельвина в градусы Цельсия: добавить 273;

• Цельсия в Кельвина: вычтите 273.

Термометры используют материалы, которые изменяются в некотором роде, когда они нагреваются или охлаждаются. Самыми распространенные ртутные или спиртовые, где жидкость расширяется, когда нагревается и сжимается при охлаждении, поэтому длина столба жидкости длиннее или короче в зависимости от нагретости. Современные термометры калиброванные по виду температур как по Фаренгейту (используются в США), по Цельсию (во всем мире) и Кельвина (используется в основном учеными).

Учебники

Разделы физики

Журнал «Квант»

Лауреаты премий по физике

Общие

SA. Температура

Состояние термодинамического равновесия

Содержание

  • 1 Состояние термодинамического равновесия
  • 2 Измерение температуры
    • 2.1 Шкала Фаренгейта
    • 2.2 Шкала Реомюра
    • 2.3 Шкала Цельсия
    • 2.4 Шкала Кельвина
    • 2.5 Термометры
      • 2.5.1 См. также
  • 3 Интересные факт
  • 4 См. также

Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества — теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково — градусами.

Опыт показывает, что макросистема, предоставленная самой себе, через некоторый промежуток времени приходит в состояние, в котором каждый ее параметр имеет одинаковое значение во всех точках системы. Такое состояние называется состоянием термодинамического равновесия.

Например, если соединить два сосуда с газами разного давления p1 и p2, то через некоторое время давление во всех точках соединенных сосудов будет одинаковое и равно p3.

Для того, чтобы определить находится система в термодинамическом равновесии или нет, необходимо было ввести параметр, который не встречается в механике. Таким параметром выбрали температуру.

Температура — скалярная физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

Другими словами, по температуре мы определяем состояние равновесия между телами системами: если у тел одинаковая температура и она не меняется в течении времени, то система в равновесии, если температура разная — равновесие нарушено и необходимо некоторое время для его установления.

Измерение температуры

Чтобы измерить температуру какого-либо тела, его необходимо привести в тепловой контакт с термометром.

Термометр — прибор для измерения температуры.

Основной частью термометра является термометрическое тело, приводимое в тепловой контакт с объектом, температуру которого надо измерить. В жидкостных термометрах термометрическим телом служит либо ртуть, либо подкрашенный спирт. В электрических термометрическим телом служит металлическая проволока, а температура определяется по ее электрическому сопротивлению.

  • Термометр не должен иметь большой массы, т.к. массивный термометр изменит температуру того тела, с которым он приведен в тепловой контакт.

Изобретателем термометра принято считать Галилея: в его собственных сочинениях нет описания этого прибора, но его ученики засвидетельствовали, что уже в 1597 г. он устроил нечто вроде термобароскопа (термоскоп).

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». Сначала эти термометры наполняли водой, и они лопались, когда она замерзала. Затем стали применять для этого винный спирт. Обычно на таких термометрах делали 50 делений так, чтобы при таянии снега спирт не опускался ниже 10, а на солнце не поднимался выше 40.

По мере распространения термометров возникла необходимость в создании температурной шкалы, позволяющей приписывать температуре определенные числа. Обычно для построения шкалы выбирают две так называемые реперные точки, которым приписываются произвольные значения температуры, а шкала между ними делится на равные части. Этим устанавливается единица измерения температуры. Выбор реперных точек температурной шкалы и число частей совершенно произволен.

Шкала Фаренгейта

Предложена в 1724 г. Г. Фаренгейтом.

Градус Фаренгейта (1 °F) равен 1/180 части температурного интервала между температурой кипения воды (212 °F) и таяния льда (32 °F).

  • Сам Фаренгейт брал такой промежуток температур: за 0 °F — температуру смеси снега с нашатырём или поваренною солью, за 96 °F —температуру здорового человеческого тела, во рту или под мышкой.

Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением (рис. 1)

t °С = 5/9 (t °F – 32), t °F = 9/5 t °С + 32.

Используется шкала Фаренгейта в Англии и в США.

Шкала Реомюра

Предложена в 1730 году Р. А. Реомюром.

Градус Реомюра (1 °R) равен 1/80 части температурного интервала между температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)

В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

Шкала Цельсия

Предложена в 1742 г. А. Цельсием.

По шкале Цельсия температура обозначается буквой t, измеряется в градусах Цельсия (ºС).

Градус Цельсия (1 °С) равен 1/100 части температурного интервала между температурой тающего льда (0 °С) и кипящей воды (100 °С).

  • Первоначально А. Цельсий ставил 0° при точке кипения, а 100° при точке замерзания. Но такая шкала не пользовалась популярностью, и вскоре, по совету М. Штёрмера, была перевернута.

Эта шкала получила широкое распространение во всем мире.

Шкала Кельвина

В 1848 г. английскому физику Вильяму Томсону (лорд Кельвин) удалось построить так называемую абсолютную температурную шкалу (ее в настоящее время называют термодинамической шкалой температур или шкалой Кельвина), совершенно не зависящую ни от природы термометрического тела, ни от избранного термометрического параметра.

    Можно провести следующий эксперимент. Взять сосуды с разными газами. Определить предварительно их объемы, массы и рассчитать число молекул по формуле (

N = dfrac cdot N_A), затем поместить сосуд в тающий лед. После наступления теплового равновесия определить давление p и рассчитать отношение (

dfrac

). Опыт показывает, что оно одинаково для всех газов Затем эти сосуды помещают в кипящую воду. Опять это отношение для всех газов определенное, но большее, т.е. оно

Т. Введя коэффициент пропорциональности k, можно записать[

dfrac

= k cdot T .] Измерения показали, что давление газа в кипящей воде в 1,3661 раза больше, чем в тающем льде. Учитывая это можно по данной формуле определить, что температура таяния льда T = 273,15 К.

Предельная температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объеме или объем идеального газа стремится к нулю (т.е. газ как бы должен сжаться в «точку») при неизменном давлении, называется абсолютным нулем.

Это самая низкая температура в природе.

Абсолютная температурная шкала — шкала температур, в которой за начало отсчета принят абсолютный нуль. Температура здесь обозначается буквой T, измеряется в кельвинах (К). За единицу измерения в этой шкале принят один градус Цельсия, т.е. изменение на один кельвин (1 К) равно изменению на один градус Цельсия.

T = (t + 273) К или t = (T – 273) ºС,

где T — абсолютная термодинамическая температура (К); t — температура по шкале Цельсия (ºС).

  • Более точно T = (t + 273,15) К или t = (T – 273,15) ºС.

Термометры

Для измерения температуры можно воспользоваться зависимостью любой макроскопической величины (объема, давления, электрического сопротивления и др.) от температуры.

На практике чаще всего используют жидкостные термометры, в которых учитывают изменение объёма жидкости (обычно это спирт или ртуть) при изменении температуры окружающей среды (рис. 2).

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: