От градуса Ньютона до планковской температуры
Температура — одно из фундаментальных понятий в физике, она играет важнейшую роль в том, что касается земной жизни любых форм. Кроме того, это наиболее часто измеряемая физическая величина, Она является важным параметром, определяющим не только протекание технологических процессов, но и свойства веществ и поэтому нет практически ни одной области деятельности, где не требовались бы её измерение.
Но для того, чтобы измерить температуру, другими словами, перейти к её количественному определению, прежде всего необходимо установить шкалу температур, т. е. выбрать начало отсчета (ноль температурной шкалы) и единицу измерения температурного интервала (градус). А выбор оказывается есть… Вот только люди мало об этом знают.
Заинтересовавшись этой темой, я с помощью учителя провела очное групповое анкетирование среди студентов технического вуза. Представителям фокус-группы было предложено ответить на десять вопросов, помогающих оценить степень их осведомленности о температурных шкалах и их различиях: Результат оказался неожиданным, и он представлен на рис. 1.
Рис. 1. Количество верных ответов при опросе
Как видно из результатов опроса, даже студенты технического вуза очень мало знакомы с разнообразием температурных шкал. Верные ответы составили всего 14 %.
Но в то же время 47 человек (94 %) из 50 опрошенных хотели бы больше узнать о температурных шкалах (рис. 2).
Рис. 2. Количество больше узнать о температурных шкалах
Поэтому мне захотелось собрать и обобщить информацию обо всех температурных шкалах, которые когда-либо использовались при измерениях. Хотя начиналось все с осязательных ощущений, когда возникли понятия: горячий, холодный. А вот понятия «температура» и «градус» появились еще до изобретения термометра во II веке н. э. благодаря античному врачу Галену, который считал, что все лекарства следует различать по «градусам» теплоты, холода, влажности и сухости (от латинского gradus — шаг). Требуемый градус лекарств можно было получить путем их смешения в разных пропорциях. И именно отсюда берет начало термин «температура» (от латинского слова temperatura — смешение) [1].
Но количественные методы измерения температуры тел начали развиваться гораздо позже в XVII веке, когда в 1592 г Галилео Галилей на своих лекциях продемонстрировал Первый прообраз термометра. Правда показания этого термометра зависели от атмосферного давления. Позднее, флорентийские ученые усовершенствовали термоскоп Галилея — они изготовили полностью запаянный термометр, показания которого не зависели от атмосферного давления, а вода была заменена спиртом с более высокой температурой замерзания.
В 1641 году в лаборатории герцога Фернандо Медичи в термометре Галилея появилось существенное изменение. Кроме того, что его заполнили винным спиртом, ещё из бусинок была сделана шкала. И хоть она была сделана «на глазок», это уже была шкала. Но на тот момент показания приборов еще не согласовывались друг с другом, поскольку никакой конкретной системы при градуировке шкал не учитывалось.
В 1694 году итальянский физик и математик Карло Ренальдини предложил принять в качестве двух крайних точек температуру таяния льда и температуру кипения воды [2]. И это было очень важно, ведь до этого в качестве опорных точек использовались такие ненадежные и неопределенные показатели, как температура здорового человека, температура воздуха при первых заморозках и т. д. [3].
В 1663 году английский естествоиспытатель и изобретатель Роберт Гук предложил, по сути, первую температурную шкалу с фиксированным нулем. Один градус он определил, как изменение объёма спирта на 1/500, т. е. один градус Гука равен примерно 2,4 °C. И на тот момент члены Королевского общества согласились использовать термометр Гука в качестве стандартного и сравнивать с ним показания других термометров.
В 1701 году Исааку Ньютону, для его исследований, понадобилось измерять температуру. В качестве нулевого деления им была выбрана температура замерзания пресной воды, а рабочей жидкостью в приборе было льняное масло. Второй опорной точкой знаменитый ученый избрал температуру тела человека 12 градусов Ньютона [4].
В том же 1701 году датский астроном Оле Кристенсен Рёмер предложил свою температурную шкалу. За ноль датчанин принял температуру замерзания соленой воды, а в качестве второй точки — температуру человека человеческого тела, которая была равна 30 градусов по измерениям Рёмера (42 °C).
В 1724 г. немецкий физик Даниэль Габриель Фаренгейт стал членом Лондонского Королевского Общества и представил ему свою шкалу температур, которую разработал зимой 1709 года. Фаренгейт за ноль температуры принял ту степень холода, ниже которой морозы в его городе зимой 1709 г. не достигали. Для другой постоянной точки термометра он избрал нормальную температуру человеческого тела, отметив её первоначально числом 24; число градусов равнялось числу часов в сутках. Но такие градусы оказались слишком крупными для использования и Фаренгейт подразделил их на четверти. После этого температура человеческого тела оказалась равной 96. Этим определилась окончательная длина деления, соответствующая одному градусу [5].
В 1730 году французский естествоиспытатель, натуралист, энтомолог, физик и математик Рене Антуан Реомюр, предложил температурную шкалу на основе...спирта, в которой температуры замерзания и кипения воды были приняты за 0 и 80 градусов [6].
В 1732 году французский астроном Жозефом Николя Делилем, живший на тот момент в России, предложил свою температурную шкалу. В качестве нуля была выбрана температура кипения воды. За один градус было принято такое изменение температуры, которое приводило к уменьшению объёма ртути на одну стотысячную. Таким образом, температура таяния льда составила 2400 градусов. Но позже зимой 1738 года коллега Делиля по петербургской академии, медик Иосия Вейтбрехт, уменьшил число ступеней от температуры кипения до температуры замерзания воды до 150 градусов [7].
В 1741 году шведский астроном, геолог и метеоролог Андерс Цельсий пересмотрел идею Реомюра в своей шкале и учел давление воздуха. В результате он увеличил шкалу своего предшественника на 20°. Новая шкала измерения температуры была представлена 25 декабря 1741 года и почти сразу принята научным сообществом под названием «стоградус» [8].
В 1782 году английский художник-керамист и дизайнер Джозайя Уэджвуд Уэджвуд предложил измерение температуры, основанное на измерении величины усадки глины при нагревании, путём сравнения длины нагретых и холодных глиняных цилиндров Ноль по шкале Уэджвуда соответствует 580,8 °C, от него шкала была градуирована на 240 градусов до отметки 54 °C.
В 1794 году английским химиком, физиком, метеорологом и естествоиспытателем Джоном Дальтоном была разработана температурная шкала, где ноль соответствовал нулю Цельсия. Отличительной чертой этой шкалы являлось то, что в ней абсолютный ноль равнялся бесконечности, т. е. был недостижимой величиной.
В 1859 году шотландский инженер и физик, один из создателей технической термодинамики Уильям Джон Макворн Ранкин, используя градус Фаренгейта, предложил температурную шкалу, которая начиналась при температуре абсолютного нуля, По этой шкале точка замерзания воды равнялась 491,67 Ra, а точка кипения — 671,67 Ra. Число градусов между точками замерзания и кипения воды по шкале Фаренгейта и Ранкина одинаково и равно 180 [9].
В 1860 году английский физик Уильям Томсон, впоследствии получивший титул Лорд Кельвин, предложил модель построения температурной шкалы, исходя из кинетической энергии молекул. Температура в минус 273 градуса (по шкале Цельсия) соответствовала нулевой кинетической энергии молекул. Так как ни одно вещество нельзя еще более охладить, то температуру в минус 273 градуса можно считать «абсолютным нулем» и началом шкалы Кельвина, а каждое деление равно обычному градусу Цельсия.
В 1897 году немецкий физик-теоретик Макс Планк предложил использовать «универсальные» постоянные. Основными постоянными этой системы единиц измерения являются: постоянная Планка, скорость света, гравитационная постоянная, планковская масса, и, еще ряд величин, и конечно же, планковская температура. Если выразить планковскую температуру в градусах Цельсия, то получится фантастическое число
В 1957 году Х. ван Дийк и М. Дюро, работающие в Лейденской криогенной лаборатории, ввели температурную шкалу L55. В которой за ноль градусов бралась температура кипения стандартного жидкого водорода (−253 °C), состоящего на 75 % из ортоводорода и на 25 % из параводорода. Вторая опорная точка была температурой кипения жидкого кислорода (−193 °C) [10].
За триста лет было предложено более десятка температурных шкал. Но до наших дней дошли далеко не все. В 1954 году на десятой Генеральной конференции по мерам и весам были предложены и приняты основные единицы: метр, килограмм, секунда, ампер, и конечно же градус Кельвина
А вот первоначальное определение градуса Цельсия зависело от определения стандартного атмосферного давления, потому что и температура кипения воды, и температура таяния льда зависят от давления. Это было не очень удобно для стандартизации единицы измерения. Поэтому после принятия Кельвина, в качестве основной единицы измерения температуры, определение градуса Цельсия было пересмотрено. Согласно современному определению, градус Цельсия равен одному кельвину K, а 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 [11].
Кроме того, сегодня используют, хоть и не везде, еще две температурные шкалы. Это шкала Фаренгейта (используют как основную шкалу температуры Багамские Острова; Белиз; Острова Кайман; Палау; США; Либерия, а в Канаде — в дополнение к основной шкале-шкале Цельсия).И шкала Ранкина (используется в англоязычных странах для инженерных термодинамических расчётов). Ну и конечно же планковская температура, выше которой ученые не могут описать физику, то есть сегодня она является верхним пределом физических теорий.
Все остальные температурные шкалы вышли из употребления, а градусы этих шкал называются историческими градусами. Ну а что же может быть интереснее изучения истории, пусть это даже история температурного градуса?
Литература:
1 https://studfile.net/preview/2383541/page:21/
2 https://www.elec.ru/viewer?url=files/2020/02/26/_pod._red._A.V._Kalinichenko__Spravochnik_inzhener.PDF
3 https://ru.wikisource.org/wiki/ %D0 %AD %D0 %
4 https://coppeer.ru/pri-kakoj-temperature-po-shkale-kelvina-taet-led/
5 Я. И. Перельман Занимательная механика; Знаете ли вы физику?: Увлекат. викторины. Занимат. задачи. Любопыт. ист. факты. Механика в живой природе М. 2003
6 http://physchem.narod.ru/Source/History/Persones/Reaumur.html
7 https://pstu.ru/files/file/FPMM/kse.pdf
8 https:://hightech.fm/2018/11/27/celsius.
9 https://oimurschool.ru/otnosheniya/skolko-gradusov-absolyutnyi-nol-absolyutnyi-nol-istoriya-otkrytiya-i/
10 https://istall.ru/temperatura-izmeryaetsya-v-edinicy-i-shkala-izmereniya-temperatury.html
11 https://search.rsl.ru/ru/record/01004919021
