Что показывает жидкостный термометр?

Термоскоп Галилея и первые термометры

В 1592 году Галилео Галилей, которому тогда было 28 лет, получил место профессора математики в престижном и богатом университете г. Падуя. Однако круг интересов Галилея отнюдь не ограничивался математикой. Он активно занимался вопросами астрономии, механики и именно его работы положили начало развитию физики как науки.

Галилей был блестящим преподавателем и его лекции всегда проходили в переполненных аудиториях. Заинтересовать студентов Галилею помогал, в частности, талант изобретателя, позволявший ему создавать прекрасные наглядные пособия. Одним из таких пособий был термоскоп – прибор, предназначенный для демонстрации известного ещё древним грекам свойства воздуха расширяться при нагревании.

Главной частью термоскопа Галилея (см. Рис. 1) был стеклянный шар размером примерно с куриное яйцо с припаянной к нему и опущенной в окрашенную жидкость (обычно это было красное вино) тонкой стеклянной трубкой. Когда воздух в шаре разогревался ладонями профессора, уровень жидкости в трубке опускался на величину, пропорциональную отношению объёма шара к площади сечения трубки. В этом и состояла главная суть изобретения Галилея, использованная затем всеми создателями термометров, основанных на тепловом расширении – делая трубку достаточно тонкой, можно получить вполне ощутимое снижение уровня даже при незначительных изменениях объёма газа.

Рис. 1. Термоскоп Галилея

Позднее Галилей существенно упростил конструкцию термоскопа - он использовал трубку настолько малого диаметра, чтобы капиллярные силы могли удерживать каплю жидкости в подвешенном состоянии, установил эту трубку над шаром и ввёл в неё сверху каплю подкрашенной воды, перемещение которой свидетельствовало о расширении воздуха.

Демонстрации термоскопа на лекциях проводились Галилеем в первом десятилетии XVII века, а уже во втором десятилетии были сделаны попытки превратить его термоскоп в прибор, измеряющий нагретость воздуха, нанеся на трубку прибора шкалу – равноудалённые друг от друга метки.

/*Известны публикации на эту тему старшего по возрасту коллеги Галилея по университету в Падуе профессора медицины Санторио и жившего в Венеции друга Галилея математика Сагредо*/.

Авторы этих изобретений незаметно для себя дали первое количественное определение температуры воздуха – они предложили считать мерой нагретости объём фиксированной массы воздуха, находящегося в шаре и в прилегающей к нему части трубки, а величину объёма измерять положением уровня жидкости в трубке по шкале в некоторых условных единицах (градусах).

Как мы знаем теперь, такое определение температуры некорректно, т.к. объём воздуха в шаре прибора зависит не только от степени нагрева, но и от атмосферного давления, которое может вполне ощутимо меняться как во времени, так и в зависимости от места измерения. Однако, в начале XVII века, когда ещё даже не было отчётливого представления об атмосферном давлении, воздушные термометры Санторио и Сагредо не получили распространения из-за их громоздкости и неудобства использования, а не по каким-либо теоретическим соображениям.

Жидкостные термометры

Следующий важный шаг был сделан в 1641 году жившим во Флоренции естествоиспытателем и изобретателем Фернандо Медичи, который был учеником и почитателем Галилея, а также, по случайному стечению обстоятельств, Великим герцогом Тосканским Фердинандом II.

Медичи взял за основу главную находку Галилея, обеспечивавшую высокую чувствительность прибора – шар, соединённый с узкой трубкой. Как и в окончательном варианте термоскопа Галилея, трубка в приборе Медичи была расположена вертикально, шар подсоединялся к ней снизу, а верхний конец тубки был открыт в атмосферу. Главное же отличие изобретения Медичи от прототипа состояло в том, что шар наполнялся не воздухом, а специальной термометрической жидкостью, изменение объёма которой при нагреве определялось, как и в термометрах Санторио и Сагредо, с помощью равномерной шкалы, нанесенной на трубку.

Интервал температур, в котором может работать жидкостный термометр, ограничен снизу точкой замерзания жидкости, а сверху – точкой кипения при атмосферном давлении. Поскольку главным назначением своего прибора Медичи видел измерение температуры атмосферного воздуха, он выбрал в качестве термометрической жидкости винный спирт, точка кипения которого (78 °С) вполне устраивала, а точка замерзания (– 114 °С) была в то время недостижима, так что он считался незамерзающей жидкостью.

В термометрах, изготовлявшихся в принадлежащих Медичи мастерских, роль шкалы играли бусинки, припаянные к трубке, или точки, нанесенные на разогретую трубку расплавленной эмалью. Обычно шкала имела 50 делений, который выбирались так, что 10 примерно соответствовало таянию снега, а 40 – максимальному нагреву прибора на солнце.

Рис. 1. Жидкостной термометр Медичи

Заметив, что градуировка шкалы постоянно сбивается из-за испарения термометрической жидкости, Медичи в 1654 году решил верхний конец трубки запаять. Так появилась конструкция жидкостного термометра, широко используемая и в наши дни. Дальнейшие усовершенствования, проведенные во второй половине XVII и всего XVIII века касались исключительно способов построения шкалы и, в частности, выбору двух фиксированных контрольных точек, температуру которых можно считать постоянной и стабильно воспроизводимой в различных условиях эксперимента. После нанесения на шкалу рисок, соответствующих обеим фиксированным точкам, оставалось только разделить промежуток между ними на заранее обусловленное число равных частей, называемых градусами.

В дальнейшем различными исследователями был опробован целый ряд вариантов термометрической жидкости. Так, например, Исаак Ньютон проводил эксперименты с льняным маслом. Позднее, уже в XVIII веке, когда активно проводились работы по созданию и использованию паровых машин и понадобилось измерять температуры, превышающие точку кипения воды при нормальном давлении, в качестве термометрической жидкости стала широко использоваться ртуть, имеющая самую высокую температуру кипения (357 °С) среди всех веществ, находящихся в жидком состоянии при нормальных условиях. При этом точка замерзания ртути (– 39 °С) была достаточно низкой для использования ртутных термометров в метеорологических исследованиях, кроме редких случаев экстремально низких температур.

Легко воспроизводимые фиксированные точки, пригодные как для спиртового, так и для ртутного термометра, после многочисленных экспериментов, проведенных в 1708-1724 годах предложил немецкий изобретатель и естествоиспытатель Даниэль Габриэль Фаренгейт. В качестве нижней фиксированной точки он взял температуру таяния льда, смешанного с нашатырём (примерно – 18 °С), в качестве верхней – температуру таяния чистого льда (0 °С), а промежуток между ними разделил на 32 градуса. Значительно позднее, в 1742 году шведский учёный Андерс Цельсий предложил свою шкалу с фиксированными точками, соответствующими таянию чистого льда (0 °С) и кипению воды при нормальном давлении (100 °С). Верхняя из этих точек была более удобна для ртутных термометров, но совершенно непригодна для спиртовых.

Почему жидкостный термометр является квазитермометром

Поскольку величиной, непосредственно измеряемой с помощью прибора Медичи, является выраженный в градусах соответствующей шкалы удельный объём термометрической жидкости, сделанное в дальнейшем объявление этого прибора термометром равносильно введению определения понятия градус теплоты, состоящему из двух частей:

· градус теплоты термометрической жидкости равна её удельному объёму, выраженному в градусах принятой шкалы;

· градус теплоты любого тела равна показанию жидкостного термометра, находящегося с ним в состоянии теплового равновесия.

Первая часть этого определения основана на предположении, что изменение удельного объёма при нагреве протекает одинаково у всех жидкостей, так что совпадение показаний термометра в фиксированных точках автоматически обеспечит совпадение и во всех других точках шкалы. Однако позднее, в 1739 году французский исследователь Реомюр (René Antoine Ferchault de Réaumur) обнаружил, что показания ртутного и спиртового термометров, вообще говоря, не совпадают, так что ртутный термометр показывает «ртутный градус теплоты», а спиртовый – «спиртовый градус теплоты» [Quinn, N.J. Temperature. London - San Diego. Academic Press. 1990.- 495 p.]. Более того, если учесть, что удельный объём жидкостей зависит не только от градуса теплоты (или, в современной терминологии, от температуры), но и от давления, а давление в полости, занятой термометрической жидкостью, может при нагреве или охлаждении жидкости меняться в широких пределах, зависящих от конструктивных параметров прибора, то окажется, что, строго говоря, показания каждого конкретного термометра не совпадают с показаниями других термометров.

Что же касается второй части определения, то оно предполагает возможность состояния теплового равновесия между термометрической жидкостью и объектом измерения. В этом состоянии градус теплоты термометрической жидкости должен быть одинаков во всём занимаемом ею объёме и совпадать с градусом теплоты стеклянной оболочки термометра и градусом теплоты измеряемого объекта во всех точках области, прилегающей к поверхности термометра. Однако, поскольку такое равновесное состояние в макроскопических объёмах никогда не достигается, вся вторая часть определения теряет какой-либо смысл.

Таким образом, жидкостные термометры основаны на некорректном определении понятия «градус теплоты» и являются квазитермометрами.

Нужно отметить, что для подавляющего большинства имевших место в дальнейшем практических применений термометра (в метеорологии – для измерения температуры воздуха, в медицине – для измерения температуры тела и т.д.) абсолютно безразлично, что на самом деле этот прибор измеряет и каков физический смысл понятия «градус теплоты» или «температура». Важно только, чтобы в сходных условиях результаты измерений разными приборами, а также одним и тем же прибором, но в разное время, совпадали с приемлемой точностью. Жидкостные термометры этим требованиям удовлетворяли, что и обусловило их успешное применение на протяжении трёх с половиной веков, прошедших после изобретения.

Дата последнего обновления: 17.06.10

Мифы физики