Термометрия

Переход от ремесленного производства к мануфактурам был вызван потребностями общества. Кустари-ремесленники не могли обеспечить массовый спрос на некоторые виды товаров. Только с появлением мануфактур появилась возможность снабдить рынок всем необходимым. Однако рынок диктовал свои условия: рост производительности труда не должен отрицательно сказываться на качестве выпускаемой продукции. Чтобы изменение количества не привело к снижению качества необходим был жесткий контроль за всеми технологическими операциями. Так как большинство технологических операций осуществляется в определенном тепловом режиме, возникла необходимость измерять и поддерживать эти условия. Особо остро этот вопрос стоял в металлургии и химической промышленности. Для соблюдения оптимальных тепловых условий необходим был прибор, регистрирующий какую-либо тепловую характеристику.

Изобретение первого прибора, измеряющего "градус теплоты", обычно связывают с именем Галилея. В 1597 г. Галилей изобрел устройство, которое по современным представлениям может быть названо термоскопом. Оно представляло собой шар, полость которого посредством тонкой трубки сообщалась с атмосферой. Конец трубки опускался в жидкость, и в зависимости от температуры воздуха в шаре он, расширяясь или сжимаясь, втягивал или вытеснял столбик жидкости. При этом высота столбика жидкости в трубке была пропорциональна температуре той среды, в которой находился шар.

Изобретение Галилея явилось первым шагом в становлении термометрии. Дело в том, что термоскоп конструкции Галилея не имел шкалы и только качественно характеризовал температуру той среды, с которой соприкасался. Далее, показания термоскопа существенно зависели от давления атмосферного воздуха и не могли служить однозначной характеристикой теплового фактора. Прибор, подобный термоскопу Галилея, был позже изобретен О. Герике, который знал о влиянии атмосферного давления на показания прибора, однако никаких мер по его устранению не предпринял.

Следующим шагом на пути создания термометра было изготовление термоскопа, в котором в качестве термометрического тела использовалась жидкость (рис. 2). Кто здесь был первым, трудно сказать. Некоторые историки науки предпочитают другим голландского естествоиспытателя Яна Баптиста ван Гельмонта (1579 - 1644). Есть также достоверные сведения, что уже в 1641 г. в Италии члены академии пользовались приборами, в которых термометрическим телом был спирт. Более того, в приборах итальянских академиков резервуар и трубка, содержащие спирт, были запаяны, что совершенно исключало влияние атмосферного давления на показания приборов. Роль шкалы в них выполнял ряд бусинок, припаянных вдоль трубки. Однако и этот прибор еще нельзя назвать термометром, так как его шкала была произвольной: постоянными точками служили наибольший зимний холод и наибольшая летняя жара во Флоренции, где располагалась Итальянская Академия.

В 1693 г. английский ученый Э. Галлей (1656 - 1742) указал на постоянство точки кипения воды. Еще раньше члены Итальянской Академии установили постоянство точки ее замерзания. Но использовать в качестве отсчетных точек температуру замерзания и кипения воды, стабильные и легко воспроизводимые точки, первым в 1693 г. догадался итальянский ученый К. Реналь-дини. Прибор Ренальдини можно считать первой действующей моделью современного термометра.

В 1701 г. И. Ньютон опубликовал описание изготовленного им термометра с льняным маслом в качестве термометрического тела. Для градуировки шкалы Ньютон использовал постоянные точки, соответствующие температурам кипения и замерзания воды. Далее в научных журналах все чаще и чаще появляются работы, посвященные усовершенствованию и разработке новых конструкций термометров.

Рис. 2. Термоскоп, в котором в качестве термометрического тела использовалась жидкость

Однако, несмотря на некоторый прогресс в термометрии, ученые не были удовлетворены существующим положением дел. Их неудовлетворенность можно понять: термометры различных конструкций с разными термометрическими телами, помещенные, к примеру, в теплую воду, давали различные показания. Так что необходимо было продолжать научные поиски в этом направлении. Окончательное построение термометрии связано в основном с именами Фаренгейта, Реомюра и Цельсия.

Данцигский (Гданьский) стеклодув и изобретатель Д. Фаренгейт (1686 - 1736) в работе, опубликованной в 1724 г., описал изготовленный им термометр и способ его градуировки. За постоянные точки Фаренгейт принял температуру смеси воды и льда с нашатырем (32°) и температуру человеческого тела (92°). Позже им была установлена и третья реперная точка - температура кипения воды, соответствующая 212° по его шкале.

В 1730 г. французский естествоиспытатель Р. Реомюр (1683 - 1757), занимаясь вопросами конструирования инкубаторов, предложил термометр с постоянной нулевой точкой, соответствующей температуре таяния льда. Один градус его шкалы соответствовал увеличению объема спирта, взятого им в качестве термометрического тела, на 0,001 первоначального объема. Температура кипения воды по его шкале соответствовала 80°.

В 1742 г. в печати появилась работа шведского астронома и физика А. Цельсия (1701 - 1744), в которой был описан ртутный термометр. В этой статье под названием "Наблюдения над двумя постоянными точками термометра" Цельсий приводит способ градуировки, которым он пользовался. "1. Шарик термометра вставляют в тающий снег и точно отмечают точку замерзания воды. 2. Затем отмечается точка кипения воды при высоте барометра в 25 дюймов¹ (нормальное давление. - В. К.). 3. Пространство между этими двумя точками делится на 100 равных частей, или градусов. Если эти деления продолжать еще ниже точки замерзания воды, то термометр готов". Через восемь лет астроном М. Штермер "перевернул" шкалу Цельсия, так как у изобретателя точка кипения воды соответствовала температуре 0°, а точка замерзания - 100°. В таком перевернутом виде термометры со шкалой Цельсия дошли и до наших дней.

¹ (Дюйм ≈ 25,4 мм)

После основополагающих работ Фаренгейта, Реомюра и Цельсия в области термометрии конструкции термометров этих авторов постепенно вытеснили все существующие до них. С изобретением термометра качественные исследования тепловых процессов уступили место количественным. Значение термометра трудно переоценить. Хотя термометрия еще делала только первые шаги, ученые понимали важность этого открытия. Именно создание термометрии наконец-то столкнуло с "мертвой точки" учение о теплоте и способствовало интенсивному изучению тепловых процессов. Развитие термометрии вновь вызвало к жизни вопрос о природе теплоты, вопрос, поставленный еще Платоном и безуспешно развиваемый в течение многих столетий.

Шотландский химик и физик Д. Блэк (1728 - 1799), заинтересовавшийся термометрией, посвятил этой проблеме ряд своих исследований. Он первым ввел понятие удельной теплоемкости, установил существование удельной теплоты плавления и парообразования. Работы Блэка в свою очередь позволили Дж. Уатту внести усовершенствования в паровую машину. Именно с использованием термометра удалось окончательно решить вопрос о природе теплоты. Этот прибор способствовал созданию и становлению паровых машин, знаменующих собой огромный шаг на пути технического прогресса.