Из истории создания термометров

Само понятие температуры, основанное на интенсивности движения атомов или молекул, подразумевает, что для ее измерения необходимы специальные преобразователи, чтобы мы получили, смогли наблюдать, фиксировать и принимать решения – аналоговые, а сейчас все чаще цифровые термометры, принцип действия которых базируется на том или ином физическом законе.
При бытовом применении, идет ли речь идет про электронный термометр, медицинский, с термопарой, другим выносным датчиком или всем привычный ртутный градусник, мы не задумываемся о том, какая там там “начинка” и как это все работает. Нам важнее, что результат был быстрый и точный.
Зато в средние века самые талантливые и продвинутые ученые, в буквальном смысле ломали голову над методом преобразования понятий "горячо – тепло – холодно" в искомое значение, по которому можно было судить о нагреве твердых предметов, жидкостей и газов.

Как был изобретен первый термометр

История столь древняя, что выявить первопроходца в этом направлении почти невозможно. Можно выстроить только приблизительную хронологию. И судить об изобретателях термометров только по записям, причем не столько самих ученых (не все из них преследовали цель войти в историю), а из их автобиографий и других найденных на сегодняшний момент заметок.
Над разработкой термометров в разное время трудились как минимум десяток ученых. И это только те, кто как говорится, на слуху.

Галилей

Бесспорно он был неординарной и многопрофильной личностью, в том числе известен как астроном, в его честь кстати назван космический аппарат для исследования спутников Юпитера “Галилео”, запущенный НАСА еще во времена существования СССР и проработавший до 2003 года.
Но кроме астрономии, Галилей внес вклад в развитие механики, математики, физики и в частности в направлении термометрии, которое мы рассматриваем.
Ученый экспериментировал над расширением тел при их нагреве. Конечно в середине 90-х годов XVI века ни о какой более-менее приемлемой точности речь не шла. Но важнее все-таки идея. А именно выявление зависимости. Это ключ к любым измерениям. А чтобы выявить зависимость и говоря современными терминами откалибровать прибор, нужна как минимум наблюдательность.

Галилео приписывают создание термоскопа, который представлял собой следующее устройство:

  1. Шар из стекла, с габаритами приблизительно как куриное яйцо, к которому была припаяна стеклянная трубка, заполненная окрашенной жидкостью.
  2. В трубке присутствовал воздух.
  3. Если зажать шар руками, воздух внутри нагревался, расширялся, выталкивал жидкость вниз и столбик опускался.

Фактически можно было сказать, что это готовый термометр. Да, примитивный, но насколько от него ушли градусники ? По сути тоже самое, только сделанное на другом техническом уровне. Так что можно сказать, что они родом из средних веков.
И еще нужно отметить, что ртутные градусники вряд ли доживут до следующего века, поскольку согласно Минаматской конвенции от 2013 года, в Украине (как и в более чем сотне других стран) будет запрещено производить приборы, в которых содержит ртуть. Причина известна – это сильный яд. Впрочем есть масса “заменителей”. Если говорить о жидкостных термометрах, то в качестве наполнителя может быть например спирт (вода не годится – как минимум потому что замерзнет зимой), а вообще по миру победно шествуют цифровые термометры и похоже что именно они займут пьедестал, тем более что электронные компоненты, датчики, дисплеи стали миниатюрными и доступными по цене, что особенно касается изделий из Китая, где трудолюбивые работники штампуют их миллионами.

Усовершенствованный термоскоп Галилея

Мы совсем ничего не сказали про шкалу. А ее и не было. А появилась она только через 100 лет. Цифр там не было, а в качестве меток - делений (это уже ближе к метрологии) присутствовали бусинки. Это уже если не прорыв, но однозначно удобно – хотя бы какие-то ориентиры.
Проблема всех термометров, в которых в качестве расширителя был воздух, состояла в том, что кроме температуры, параметры воздуха зависели и от атмосферного давления, искажая показания. Необходимо было переходить только на жидкость. Про воду мы уже сказали – не годится, поэтому использовали винный спирт, а минимизировать влияние давления удалось итальянцу Эванджелиста Торричелли.

Он модернизировал конструкцию:

  • заполнил термометр ртутью;
  • перевернул его;
  • запаял трубку сверху.

Мы уже говорили про шкалу в виде бусин. Но их количество будет ограниченным и определяется широтой словарного запаса в сфере наших тактильных ощущений: горячо, слишком горячий, очень холодный и т.д.
Нужна настоящая шкала или градуировка термометра. И самое главное – точка отсчета. Это сейчас мы легко оперируем понятиями шкал Цельсия, а например в США Фаренгейта. А есть еще шкала Кельвина…
Использование разных шкал обусловлено историческими особенностями (как например и меры длины), традициями, а шкала Кельвина, поскольку “стартует” от абсолютного нуля, удобна в космосе при измерении температуры так называемого реликтового излучения, которое составляет около 3 К и как считается сохранилось со времени большего взрыва, с этапа зарождения вселенной, около 14 млрд. лет назад.
Но для быта и промышленности (кроме разве что научных криогенных исследований), шкала Кельвина неудобна, поскольку в нашей жизни практически нет температур минус 100-200 градусов.
Начнем с пары популярных шкал.

Фаренгейт

Этот немецкий физик, имя которого стало нарицательным и увековечено в соответствующей шкале, предложил следующее решение, основанное на трех опорных точках:

  1. 0°. Смесь из спирта и воды не замерзает (устойчивое состояние). Имеется в виду, что если на 1 градус ниже, начнется замерзание.
  2. 32°. Не замерзает смесь из воды и льда. Соответствует нашей шкале Цельсия при нуле градусов.
  3. 212°. Температура кипения воды.

Следует отметить, что подавляющее большинство электронных термометров имеют опцию переключения двух указанных шкал, поскольку продаются в разные страны.

Цельсий

Это уже привычно нам. Поскольку действительно сложно понять, почему за нуль нельзя было принять температуру замерзания воды. Но что поделать. У нас к примеру метры, а в других странах футы…
Итак, в шкале Цельсия 2 ключевые точки: 0° - температура замерзания, а 100° - кипения воды. Простые и понятные физические явления.

Следует отметить, что перевод из шкалы Фаренгейта в Цельсия не является линейным. Это видно уже хотя бы по тому факту, что у Цельсия разница температур между замерзанием и кипением равна 100 градусов, а у Фаренгейта 212-32=180 градусов. Точнее каждая из функций линейная, но имеют разную крутизну, поэтому перевод производится не прибавлением/отниманием, а по формуле: (X°F−32)×5/9 = значение по °C.
Кстати со шкалой Фаренгейта связан научно-фантастический роман авторства Рэя Брэдбери “451 градус по Фаренгейту.” И мы уже знаем как например перевести эту цифру в Цельсия: (451−32)×5/9=232,78 градуса.

Кельвин

Мы поставили термометры, отградуированные по этой шкале, на третье место в виду их узкой сферы применения. Основное преимущество шкалы Кельвина – это независимость от жидкостей и изменения их агрегатного состояния. За точку отсчета берется абсолютный ноль -273,15° (по Цельсию).
Со шкалой Кельвина удобно оперировать например при использовании жидкого азота.
Свою шкалу Томпсон (это его имя с рождения, а лордом Кельвином ученый стал после того как королева даровала ему титул пэра) придумал в 1848 году.
А может ли быть температура ниже абсолютного нуля ?
Нет, не может. Поскольку при -273,15° полностью прекращается движение атомов, которое и определяет температуру.