Шведский ученый предложивший использовать стоградусную шкалу температур

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.

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.

Источник

Астроном, сумасброд, путешественник: как на самом деле хотел измерять температуру астроном Андерс Цельсий

Градусы Цельсия кажутся привычным показателем для измерения температуры, но широкое распространение термин получил только 60 лет назад. До этого во всем мире, кроме США, температуру обозначали по стоградусной шкале — без упоминания фамилии шведского астронома Андерса Цельсия. Ко дню рождения ученого «Хайтек» рассказывает о его жизни и главном открытии — стоградусном термометре, который сильно отличается от термометра Фаренгейта.

В XVIII веке ученые пытались найти наиболее точный способ измерения температуры окружающего пространства и предложили более 30 различных шкал измерения. Чаще всего это были различные вариации двух основных идей — взять за эталон точку замерзания воды, впервые предложенную в 1665 году голландцем Христианом Гюйгенсом, или температуру тела здорового человека.

В 1724 году двое врачей, Габриэль Фаренгейт и Рене Ферхо де Реомюр, почти одновременно предложили шкалы измерения температуры. Фаренгейт в качестве эталона использовал температуру тела здорового человек, установленную на уровне 96 °F. Реомюр предложил принять точку замерзания воды за 0°, а точку кипения — за 80 °Ré.

Через 20 лет Цельсий пересмотрел идею Реомюра — ученый также использовал в качестве эталонов воду в точках кипения и замерзания. Но в своей шкале Цельсий учел давление воздуха. Он провел многочисленные измерения на разных высотах, чтобы понять, какое влияние давление воздуха оказывает на точку кипения. В результате он увеличил шкалу своего предшественника на 20° и перевернул ее, разместив точку кипения на уровне 0 °C, а замерзания — на 100 °C. Швед оправдал такое решение тем, что ему не хотелось, чтобы зимой температура опускалась ниже нуля. Оставь история шкалу Цельсия без изменений, мы бы радовались положительным зимним температурам. Например, в Москве в день рождения Цельсия, 27 ноября 2018 года, по данным Гидрометцентра России, стоит настоящая «жара» — +103 °C.

Северное сияние, форма Земли и первый стоградусный термометр

Андерс Цельсий родился 27 ноября 1701 года в Уппсале, Швеция, в семье ученых: его отец и дед, Нильс и Магнус, были астрономами, а мать, Гунилла — дочерью астронома Андерса Споле. В то время в эту науку также входили геология и метеорология.

Талант Цельсия проявился в детстве — в 12 лет он решил все задачи в университетском учебнике по высшей математике. Церковный запрет на преподавание теории Коперника и отсутствие астрономических инструментов в Швеции вынудили Цельсия покинуть страну и завершить обучение за границей. Его первой остановкой была новая обсерватория в Берлине, где он помогал Крисфриду Кирчу в наблюдении за планетами Солнечной системы. Затем вместе с учеными из французской академии наук он отправился в экспедицию на север Швеции, целью которой стало определение природы северного сияния. Цельсий первым предположил, что причиной его возникновения является возмущение магнитного поля Земли — он заметил, что направление стрелки компаса искажается при этом явлении на несколько градусов.

Ученый путешествовал по Европе. Он посетил Венецию, Падую, Болонью, Рим, а затем и Париж. Его приезд совпал с пиком дебатов о форме Земли. Исаак Ньютон утверждал, что осевое вращение Земли придает планете выпуклую форму на экваторе и сплющенную на полюсах. В то же время теория вихря Рене Декарта предполагала, что Земля сплющена вокруг экватора и имеет выпуклую форму вдоль полярной оси. Большинство членов Парижской академии наук поддерживали теорию Декарта, но математик Пьер Луи де Мопертюи высказался в поддержку Ньютона.

Для окончательного решения вопроса Мопертюи организовал экспедицию в Лапландию для измерения кривизны Земли. Цельсий, знакомый с математиком, предложил отправиться в шведский Торнио — и получил приглашение принять участие в экспедиции. Ее результаты подтвердили теорию Ньютона, ставшую краеугольным камнем в физике на столетия вперед.

В 1737 году Цельсий получил кафедру в Упсальском университете и начал строительство первой обсерватории в Швеции — до этого для наблюдений за небесными телами астрономам приходилось выезжать в другие страны Европы. Проект был закончен в 1742 году — за два года до смерти ученого от туберкулеза.

Во время работы в Швеции Цельсий также попытался определить величину звезд в созвездии Овна фотометрическими средствами, провел реформу преподавания астрономии в университетах и убедил правительство страны перейти с юлианского на более точный григорианский календарь.

Еще во время обучения в университете Цельсий начал делать метеорологические измерения. Однако получать точные данные о погоде и температуре мешала распространенная на тот момент система измерения, которая содержала множество погрешностей. Ученый стремился создать более надежный инструмент, основанный на двух неизменных показателях — температуре замерзания и кипения воды. Он установил верхнюю точку на 0°, а нижнюю — на 100°, создав, таким образом, первый стоградусный термометр.

В работе «Наблюдения двух фиксированных положений на термометре» ученый рассказал о своих экспериментах, показывающих, что температура таяния льда (0 °C) не зависит от давления. При этом температура кипения воды под действием атмосферного давления варьируется, а откалибровать ее можно, зная, на каком уровне относительно моря находится термометр.

Новая шкала измерения температуры была представлена 25 декабря 1741 года и почти сразу принята научным сообществом. Правда, под названием «стоградус».

Спустя десять лет шкалу Цельсия перевернули: 0° стал точкой замерзания воды, а 100° — точкой кипения. Кто сделал это, неизвестно. Чаще всего эту заслугу приписывают коллеге Цельсия, создателю единой системы классификации животного и растительного мира Карлу Линнею.

Согласно другой версии, это сделал друг и ученого Мартин Стромэр. Есть и те, кто считает, что изобретение стоградусного термометра, начинающегося с 0°, принадлежит французу Жану Пьеру Кристиану. Сторонники этой теории полагают, что Цельсий был первым только в изобретении стоградусной шкалы, а Кристиан создал ее современный вариант.

Цельсий в системе СИ

«Стоградус» был общепринятой системой измерения температуры во всем мире, за исключением США, до 1948 года. От термина отказались из-за путаницы — в Испании и Франции «стоградус» использовался для измерения угла, равного 1/100 от прямого. Градусы Цельсия были определены общепринятым показателем температуры решением Генеральной конференции по методам и мерам, однако новый термин не использовался широко в течение следующих десяти лет. Например, в прогнозах погоды на телеканале Би-Би-Си до 1958 года дикторы говорили «градусы», а не «градусы Цельсия».

Сейчас градус Цельсия — производная величина в Международной системе единиц измерения (СИ), которая равна одному кельвину. Ноль шкалы Цельсия установлен таким образом, что температура тройной точки воды равна 0,01 °C. В итоге шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15 единиц: это значит, что абсолютный ноль по Кельвину равен –273,15 °C.

Температура по Кельвину («термодинамическая температура») отличается от температуры по Цельсию методом измерения. Поэтому основные международные и российские документы, содержащие описание единиц СИ и регламентирующие их использование, называют градус Цельсия не единицей температуры, а единицей температуры Цельсия.

Цельсий и Фаренгейт

Еще больше температура по Цельсию отличается от температуры по Фаренгейту — последнюю шкалу, помимо США, используют жители Багам, Каймановых островов и Либерии.

Габриэль Фаренгейт установил в качестве эталона температуру тела здорового человека, равную 96 °F. Точка плавления льда по шкале немецкого ученого находится на уровне 36 °F, а температура кипения воды составляет 212 °F.

Один градус равен разнице 1/180 разности между точкой кипения воды и точкой плавления льда, а диапазон от 0° до 100 °F по шкале Фаренгейта равен диапазону от минус 17,8° до 37,8 °C по шкале Цельсия. Шкалы пересекаются только в одной точке — при –40 °C системы измерения показывают одинаковую температуру.

Источник

Читайте также:  Температура плавления растительных масел таблица
Поделиться с друзьями
Лечение простудных заболеваний
Adblock
detector