ДОКЛАД ПО ФИЗИКЕ
НА ТЕМУ:
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ, ТЕРМОМЕТРЫ
И ИХ ИЗОБРЕТАТЕЛИ
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.
После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы. Первая шкала - термодинамическая, которая не зависит от свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно. Единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин (1 К) - одна из основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия. Вторая рекомендованная температурная шкала - международная практическая. Эта шкала имеет 11 реперных точек - температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1 К.
В настоящее время основной реперной точкой, как термодинамической шкалы, так и международной практической шкалы температур является тройная точка воды. Эта точка соответствует строго определенным значениям температуры и давления, при которых вода может одновременно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Причем, если состояние термодинамической системы определяется только значениями температуры и давления, то тройная точка может быть только одна. В системе СИ температура тройной точки воды принята равной 273.16 К при давлении 609 Па.
Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство тела, описывающееся физической величиной, изменение которой является признаком изменения температуры или термометрическим признаком. Это свойство должно быть достаточно легко воспроизводимо, а физическая величина - легко измеряемой. Измерение указанной физической величины позволяет получить набор температурных точек (и соответствующих им значений температуры), промежуточных по отношению к реперным точкам.
Соотношение температурной шкалы Фаренгейта и Цельсия
шкала Фаренгейта шкала Цельсия
Точка кипения 212° 100°
194° 90°
176° 80°
158° 70°
140° 60°
122° 50°
104° 40°
86° 30°
68° 20°
50° 10°
Точка замерзания 32° 0°
14° -10°
0° -17,8°
Температура абсолютного нуля -459,67° -273,15°
При переводе из шкалы Фаренгейта в шкалу Цельсия из исходной цифры вычитают 32 и умножают на 5/9.
При переводе из шкалы Цельсия в шкалу Фаренгейта исходную цифру умножают на 9/5 и прибавляют 32.
Термометры. Решающий вклад в развитие конструкции термометров внёс немец Габриэль Даниэль Фаренгейт. В1709 году он изобрёл спиртовой термометр, а в 1714 – ртутный. Он придал им ту же форму, что применяется и сейчас. Успех его термометров следует искать во введенном им новом методе очищения ртути; кроме того, перед запаиванием он кипятил жидкость в трубке.
Рене Антуан де Реомюр не одобрял применения ртути в термометрах вследствие малого коэффициента расширения ртути. В 1730 г. он предложил применять в термометрах спирт, а. В 1731 году изобрёл водно-спиртовой термометр. И поскольку Реомюр нашел, что применяемый им спирт, смешанный в пропорции 5:1 с водой, расширяется в отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды, то предложил шкалу от 0 до 80°.
Учёные. Андерс Цельсий. Андерс Цельсий (Anders Celsius) родился 27 ноября 1701 года в Швеции. Область его интересов: астрономия, общая физика, геофизика.
Преподавал в Упсальском университете астрономию, основал там астрономическую обсерваторию.
Цельсий первым измерил яркость звезд, установил взаимосвязь между северным сиянием и колебаниями в магнитном поле Земли.
Он принимал участие в Лапландской экспедиции 1736-1737 годов по измерению меридиана. По возвращении из полярных областей Цельсий начал активную работу по организации и строительству астрономической обсерватории в Упсале и в 1740 стал ее директором. Умер Андерс Цельсий 25 марта 1744 года.
В честь него назван минерал цельзиан – разновидность бариевого полевого шпата.
Габриэль Фаренгейт. Даниэль Габриэль Фаренгейт (Daniel Gabriel Fahrenheit) (1686–1736) - немецкий физик. Родился 24 мая 1686 в Данциге (ныне Гданьск, Польша). Изучал физику в Германии, Голландии и Англии. Почти всю жизнь прожил в Голландии, где занимался изготовлением точных метеорологических приборов. В 1709 изготовил спиртовой, в 1714 – ртутный термометр, использовав новый способ очистки ртути. Для ртутного термометра Фаренгейт построил шкалу, имеющую три реперные точки: 0° соответствовал температуре смеси вода – лед – нашатырный спирт, 96° – температуре тела здорового человека, а в качестве контрольной температуры было принято значение 32° для точки таяния льда. Температура кипения чистой воды по шкале Фаренгейта составила 212°. Шкала Фаренгейта применяется во многих англоязычных странах, хотя постепенно уступает место шкале Цельсия. Помимо изготовления термометров, Фаренгейт занимался усовершенствованием барометров и гигрометров. Исследовал также зависимость изменения температуры кипения жидкости от атмосферного давления и содержания в ней солей, обнаружил явление переохлаждения воды, составил таблицы удельных весов тел. Умер Фаренгейт в Гааге 16 сентября 1736.
Рене Реомюр. Рене Антуан де Реомюр (Rene Antoin de Reaumur) родился 28 февраля 1683 года в Ла-Рошель, французский естествоиспытатель, иностранный почетный член Петербургской АН (1737). Труды по регенерации, физиологии, биологии колоний насекомых. Предложил температурную шкалу, названную его именем. Он усовершенствовал некоторые способы приготовления стали, им, одним из первых, были сделаны попытки научного обоснования некоторых процессов литья, написал работу "Искусство превращения железа в сталь". Он пришел к ценному выводу, железо, сталь, чугун, различаются по количеству некоторой примеси и добавляя эту примесь к железу, путем цементации или сплавления с чугуном Реомюр получал сталь. В 1814 году К. Каретен доказал, что этой примесью является углерод.
Реомюр дал способ приготовления матового стекла.
Сегодня память связывает его имя только лишь с изобретением долго использовавшейся температурной шкалы. На самом же деле Рене Антуан Фершант де Реомюр, живший в 1683-1757 годах, главным образом, в Париже, относился к тем учёным, универсальность которых в наше время - время узкой специализации - трудно себе представить. Реомюр был одновременно техником, физиком и естествоиспытателем. Большую известность за пределами Франции он приобрёл как энтомолог. В последние годы своей жизни Реомюр пришёл к идее, что поиски таинственной преобразующей силы следует вести в тех местах, где её проявление наиболее очевидно - при преобразовании пищи в организме, т.е. при её усвоении.
Скончался 17 октября 1757 года в замке Бермовдьер близ Сен-Жюльен-дю-Терру (Майенн).
Уильям Ранкин. Уильям Джон Макуорн Ранкин (Ренкин) (William John M. Rankine) (1820-72) , шотландский инженер и физик, один из создателей технической термодинамики. Предложил теоретический цикл парового двигателя (цикл Ранкина), температурную шкалу (шкала Ранкина), нуль которой совпадает с нулем термодинамической температуры, а по размеру 1 град Р. ( °R) равен 5/9 К (шкала широкого распространения не получила).