Определение температурной шкалы

Согласно современным общепринятым представлениям, удобно измерять так называемое содержание тепла в теле, определяя температуру тела. Однако связь между этими двумя понятиями не является явной. Если даны два тела, одно из которых маленькое, а другое большое, находящиеся при одинаковой температуре, то можно было бы думать, что большое тело содержит теплоты больше, чем маленькое. Так, два сосуда могут зависимости от их размеров и формы содержать различные количества жидкости, даже если жидкость будет налита в них до одного уровня. Мы сначала определим температурную шкалу, а затем попытаемся найти связь между количеством тепла и температурой.

Все мы интуитивно ощущаем, что такое температура. Рукой можно грубо отличить холодное от горячего; однако мы знаем, что при этом нетрудно и ошибиться. Всем известен опыт, когда одну руку опускают в холодную, а другую — в горячую воду. Если через некоторое время опустить одновременно обе руки в сосуд с теплой водой, то рука, которая до этого была в горячей воде, почувствует холод, рука же, бывшая до этого в холодной воде, ощутит жар. Этот опыт показывает, что наши ощущения, обычно надежные, могут оказаться ошибочными, и поэтому желательно иметь такой способ измерения температуры, который не зависел бы от наших ощущений и от нашего настроения.

Это можно сделать, используя обычный термометр, т. е. стеклянную трубку с колбочкой на конце, частично заполненную ртутью или какой-либо другой жидкостью. Из-за того, что ртуть при нагревании расширяется сильней, чем стекло, столбик ртути поднимается или опускается при погружении термометра в теплое или холодное вещество. Нам всем известно это явление, и мы-знаем, как считывать температуру со шкалы термометра: для-этого надо отметить, до какого уровня поднялся столбик ртути.

Однако соотношение между уровнем ртутного столба и тем, что мы в конце концов определим, как температуру, не совсем ясно. Так, например, если мы сделаем второй термометр из других материалов, причем оба термометра будут фиксировать одинаковые уровни при кипении и замерзании воды, то ниоткуда не следует, что они окажутся на одном уровне при промежуточной температуре, так как нет никакой гарантии, что другие, материалы расширяются так же, как ртуть и стекло (фиг. 356). Спрашивается тогда, какой из этих двух термометров показывает правильную температуру¹⁾? Сейчас-мы пока не в состоянии ответить на этот вопрос. Мы ограничимся довольно грубым определением температуры. Позже, при изучении теплоты, газов и кинетической теории, мы уточним это определение.

1) Довольно трудно добиться одинаковых показаний по всей шкале даже при использовании одинаковых материалов. (Например, цилиндрический канал в стеклянной трубке должен быть однородным.) Фаренгейту первому удалось этого добиться.

Если больные ощущают жар, то это характеризует их самочувствие. Когда врачи поняли это, они попытались при обследовании пациентов как-то измерять их температуру. При этом использовались стеклянные трубки, заполненные до определенного уровня водой, ртутью или подкрашенной жидкостью. Врачи считали, что чем выше подымается жидкость, тем. выше температура. Поскольку на термометрах не было одинаковых шкал, врач сравнивал температуру своего тела с температурой пациента и приходил, конечно, к определенному «научному» заключению о состоянии здоровья больного. Такого рода приборы использовались в метеорологии и других областях, однако, ввиду того что все они давали разные показания (иными словами, жидкости в двух таких приборах, опущенных в один сосуд с водой, могли подняться на различные уровни), было трудно проводить какие-либо сопоставления. Не было даже ясно, например, кипит ли вода всегда при одной и той же «степени теплоты».

Когда Фаренгейт прочитал об открытии Амонтона²⁾, «что вода кипит при фиксированной степени теплоты», он сразу же загорелся идеей самому сделать термометр, «… чтобы собственными глазами увидеть это прекрасное явление природы…» Он понял, «что высота столбика ртути в барометре слегка (хотя и достаточно заметно) изменялась при изменении температуры ртути», и создал термометр, основанный на эффекте расширения ртути в стеклянной трубке; Фаренгейт был первым, кому удалось создать термометры, дававшие одинаковые показания по всей длине шкалы.

В качестве двух фиксированных точек он выбрал уровни, один из которых соответствовал, видимо, температуре тела его жены (если бы мы использовали сейчас тот же термометр, он показал бы 100° Р), а другой, 0° Р, соответствовал, говорят, наинизшему уровню, до которого опустился ртутный столб в одну из зим в Северной Ирландии. (Возможно, Фаренгейт хотел избежать введения отрицательных температур, полагая, что Северная Ирландия в середине зимы является наиболее холодным местом земного шара.) Расстояние между этими двумя точками он разделил на 100 равных частей, каждую из которых он назвал градусом (нынешнее название — 1° по Фаренгейту). С помощью такого термометра, показывавшего 212° и 32° при кипении и замерзании воды, ему удалось установить, что различные жидкости кипят при различных, но «фиксированных степенях теплоты» (табл. 11).

2) Амонтон первым сконструировал термометр, измерявший температуру по давлению воздуха.

Андерс Цельсий (1701—1744) предложил использовать два состояния вещества для определения двух точек на шкале термометра. В качестве нулевой отметки он взял уровень ртути, соответствующий температуре тающего льда, а через 100 обозначил уровень, отвечающий температуре кипящей воды. Разделив этот интервал на 100 равных частей, Цельсий получил стоградусную шкалу, называемую теперь его именем.

Чтобы осуществить переход от шкалы Цельсия к шкале Фаренгейта н обратно, следует учесть, что деления на шкале Фаренгейта идут чаще, чем на шкале Цельсия (5/9 градуса по Цельсию = 1 градусу по Фаренгейту), и что 0° по Цельсию соответствует 32° по Фаренгейту (фиг. 357). Тогда:

Шкала Цельсия не менее произвольна, чем шкала Фаренгейта; однако в научной работе ею пользуются чаще. Позднее, когда мы будем изучать газы и кинетическую теорию, мы определим так называемую абсолютную шкалу температур.

Пример. Многих устраивает комнатная температура 72°F. Чему это соответствует по шкале Цельсия?