Кто же был первым?
История современного градусника восходит к средневековью. Изобретателем термометров считается Галилей, ученики которого рассказали, что в 1597 году он изобрел устройство, регистрирующее изменения температуры воды. Это была трубка, наполненная жидкостью, и шар, плавающий на ее поверхности.
Когда вода нагревается, ее уровень повышается, а вместе с ним и мяч; когда он остыл, все произошло в обратном порядке. Однако настоящим градусником этот прибор нельзя было назвать, потому что с его помощью невозможно было определить, сколько градусов было в помещении или насколько горячая вода, то есть на нем не было шкал и делений. И, тем не менее, этот примитивный прибор стал прообразом настоящего градусника.
История первых жидкостных термометров начинается в середине 17 века. Однако первые испытания не увенчались успехом: при падении температуры ниже нуля градусов они взорвались. Причина заключалась в том, что труба была заполнена водой. Ситуация резко изменилась, когда спирт в вине использовался в качестве жидкости, которая замерзает при гораздо более низкой температуре.
Современный вид термометр приобрел в результате многолетней работы ученого Фаренгейта (1723 г.). В начале своего дела он использовал спирт в качестве жидкости, а спустя много лет — ртуть. В нем определены основные контрольные точки: талый лед, кипяток и температура тела здорового человека. Его работу продолжил другой ученый — Цельсий (1742 г.). Он взял за 0 — уровень таяния льда, за 100 — кипяток и откалибровал градусник. Он также обнаружил, что эти параметры зависят от уровня, на котором устройство находится по отношению к морю.
Жидкостный термометр
В 17 веке воздушный термос переделал флорентийский ученый Торричелли в спиртовой. Устройство переворачивали шаром, сосуд с водой вынимали, в трубку наливали спирт. Работа прибора основывалась на расширении спирта при нагревании — теперь показания не зависели от атмосферного давления. Это был один из первых жидкостных термометров.
В то время показания приборов еще не согласовывались друг с другом, поскольку при калибровке весов не учитывалась никакая конкретная система. В 1694 году Карло Ренальдини предложил принять в качестве двух крайних точек температуру тающего льда и температуру кипения воды.
В 1714 году Д. Г. Фаренгейт изготовил ртутный термометр. По шкале он поставил три фиксированных точки: самая низкая, 32 ° F — точка замерзания физиологического раствора, 96 ° — температура человеческого тела, верхняя 212 ° F — точка кипения воды. Термометр Фаренгейта использовался в англоязычных странах до 1970-х годов и до сих пор используется в Соединенных Штатах.
Другая шкала была предложена французским ученым Реомюра в 1730 году. Он экспериментировал со спиртовым термометром и пришел к выводу, что шкала может быть построена в соответствии с тепловым расширением спирта. Установив, что используемый им спирт, смешанный с водой в соотношении 5: 1, расширяется в соотношении 1000: 1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды, ученый предложил использовать шкалу от От 0 до 80 градусов. Принимая температуру плавления льда за 0 °, а температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении за 80.
В 1742 году шведский ученый Андрес Цельсий предложил шкалу ртутного термометра, в которой интервал между крайними точками делился на 100 градусов. При этом изначально температура кипения воды была обозначена как 0 °, а температура плавления льда была обозначена как 100 °. Однако в таком виде шкала оказалась не очень удобной, и позже астроном М. Стремер и ботаник К. Линней решили поменять местами крайние точки.
М. В. Ломоносов предложил жидкостной термометр со шкалой в 150 делений от точки плавления льда до точки кипения воды. И. Г. Ламберт создал воздушный термометр со шкалой 375 °, где один градус считался одной тысячной от расширения объема воздуха. Также были попытки создать термометр на основе расширения твердых тел. Так, в 1747 г голландец П. Мушенбруг использовал расширение железного стержня для измерения температуры плавления некоторых металлов.
К концу 18 века количество различных температурных шкал значительно увеличилось. Согласно «Пилометрии» Ламберта, их тогда было 19 человек.
Рассмотренные выше температурные шкалы отличаются тем, что точка отсчета для них выбрана произвольно. В начале XIX века английский ученый лорд Кельвин предложил абсолютную термодинамическую шкалу. В то же время Кельвин обосновал концепцию абсолютного нуля, обозначив температуру, при которой прекращается тепловое движение молекул. По Цельсию -273,15 ° C.
История изобретения
Галилей считается изобретателем термометра: в его собственных сочинениях нет описания этого устройства, но его ученики, Нелли и Вивиани, свидетельствовали, что еще в 1597 году он сделал нечто вроде термобароскопа (термоскопа). Галилей в это время изучал работу Аирона из Александрии, который уже описал подобное устройство, но не для измерения степени нагрева, а для увеличения количества воды путем нагрева.
Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шар с приваренной стеклянной трубкой. Шарик слегка нагревали и конец трубки погружали в сосуд с водой. Через некоторое время воздух в шаре остыл, его давление упало, и вода под действием атмосферного давления поднялась в трубе на определенную высоту.
В дальнейшем при нагреве давление воздуха в сфере увеличивалось, а уровень воды в трубке при охлаждении уменьшался, а вода в ней увеличивалась. С помощью термоскопа можно было судить только об изменении степени нагрева тела: он не показывал числовых значений температуры, так как не имел шкалы. Кроме того, уровень воды в трубе зависел не только от температуры, но и от атмосферного давления.
В 1657 году термоскоп Галилея был усовершенствован флорентийскими учеными. Они оснастили прибор градуированной шкалой и откачивали воздух из бака (шара) и трубки. Это позволяло не только качественно, но и количественно сравнивать температуры тел. Впоследствии термос поменяли: его перевернули шариком, в трубку вместо воды налили коньяк, убрали сосуд. Функционирование этого устройства было основано на расширении тел; За постоянные значения приняты температуры самого жаркого летнего дня и самого холодного зимнего дня.
Изобретение термометра также приписывают лорду Бэкону, Роберту Фладду, Санториусу, Скарпи, Корнелиусу Дреббелю, Порте и Саломону де Коссу, которые позже писали и частично имели личные отношения с Галилеем. Все эти термометры были пневматическими и состояли из сосуда с трубкой, содержащей воздух, отделенной от атмосферы столбом воды; они меняли свои показания как при изменении температуры, так и при изменении атмосферного давления.
Термометр Галилео
Жидкостные термометры впервые описаны в 1667 году Мудрецами природных опытов, сделанными в Академии дель Чименто, где мы говорим об объектах, которые долгое время изготавливались опытными мастерами по имени Конфиа, которые нагревают стекло над огнем перегоревшей лампы и делать из него наркотики и очень деликатные продукты.
Сначала эти термометры были наполнены водой, но при замерзании они лопались; Винный спирт для этого начали использовать в 1654 году, согласно идее великого герцога Тосканы Фердинанда II. Флорентийские термометры не только изображены в очерках, но и в нескольких экземплярах сохранились до сегодняшнего дня в Галилейском музее во Флоренции; их приготовление подробно описано.
Сначала мастеру приходилось делать деления на трубке, учитывая ее относительные размеры и размеры сферы: деления наносились расплавленной эмалью на нагретую трубку на лампе, каждая десятая обозначалась белой точкой, остальные — от чернить. Обычно делали 50 делений, чтобы при таянии снега спирт не опускался ниже 10, а на солнце не поднимался выше 40.
Хорошие мастера сделали такие термометры настолько хорошо, что все они показывали одно и то же значение температуры при одинаковых условиях, но этого нельзя было достичь, если для большей точности трубку разделить на 100 или 300 частей. Термометры наполнялись путем нагревания шара и опускания конца трубки в спирт; для заполнения использовалась стеклянная воронка с тонко нарисованным концом, свободно помещавшаяся в довольно большую трубку.
После регулировки количества жидкости отверстие трубки закрывали так называемым «герметичным» сургучом. Из этого ясно, что эти термометры были большими и могли использоваться для определения температуры воздуха, но они все еще были неудобны для других, более различных экспериментов, а градусы разных термометров не были сопоставимы друг с другом.
В 1703 году Гийом Амонтон в Париже усовершенствовал воздушный термометр, измеряя не расширение, а увеличение упругости воздуха, доведенного до того же объема при разных температурах, путем заливки ртути в открытое колено; учтено барометрическое давление и его вариации.
Нуль такой шкалы должен был соответствовать «той значительной степени холода», когда воздух теряет всю свою эластичность (то есть современный абсолютный ноль), а второй постоянной точкой является точка кипения воды. Влияние атмосферного давления на температуру кипения еще не было известно Амонтону, и воздух в его термометре не выделялся из водяных газов; следовательно, по его данным, абсолютный ноль получается при -239,5 ° по Цельсию.
Другой очень несовершенно сделанный воздушный термометр Амонтон не зависел от изменений атмосферного давления: он представлял собой сифонный барометр, открытое колено которого было вытянутым вверх, заполнено крепким раствором поташа снизу, маслом в верхней части и заканчивалось резервуаром с воздухом.
Фаренгейт придал термометру его современную форму и описал метод приготовления в 1723 году. Он также сначала наполнил свои трубки спиртом и только в конце концов переключился на ртуть. Он установил ноль своей шкалы на температуре смеси снега с нашатырным спиртом или поваренной солью, при температуре «начала замерзания воды» он показал 32 ° и температуру тела здорового человека во рту или ниже рука была эквивалентна 96 °. Впоследствии он обнаружил, что вода закипает при 212 °, и эта температура всегда была одинаковой при одном и том же состоянии барометра. Сохранившиеся образцы термометров Фаренгейта отличаются тщательной обработкой.
Шведский астроном, геолог и метеоролог Андерс Цельсий наконец установил постоянные точки таяния льда и кипения воды в 1742 году. Но первоначально он поместил 0 ° для точки кипения и 100 ° для точки замерзания. В своей работе Цельсия «Наблюдение двух постоянных градусов на термометре» он рассказал о своих экспериментах, показывающих, что точка плавления льда (100 °) не зависит от давления. Он также с удивительной точностью определил, как температура кипения воды изменяется в зависимости от атмосферного давления. Он предположил, что отметку 0 (точка кипения воды) можно откалибровать, зная уровень термометра относительно моря.
Позже, после смерти Цельсия, его современники и соотечественники, ботаник Карл Линней и астроном Мортен Штремер использовали эту перевернутую шкалу (точку плавления льда стали принимать за 0 °, а температуру кипения воды за 100 °). В таком виде лестница получилась очень удобной, разложенной и привыкшей к нашим временам.
По некоторым данным, сам Цельсий повернулся к совету Стремера. Согласно другим источникам, весы были перевернуты вверх дном Карлом Линнеем в 1745 году. А на третьем — шкала была перевернута вверх дном преемником Цельсия М. Штромером, и в 18 веке такой термометр широко использовался под название «шведский термометр», а в самой Швеции — под именем Stremer, но знаменитый шведский химик Иоганн Якоб в своей работе «Путеводитель по химии» ошибочно назвал шкалу М. Стремера шкалой Цельсия, и с тех пор началась шкала Цельсия носить имя Андерса Цельсия.
Работа Реомюра в 1736 году, хотя и привела к созданию шкалы 80 °, была значительным шагом назад по сравнению с тем, что уже было сделано по Фаренгейту: термометр Реомюра был огромен, неудобен в использовании, а его метод деления на градусы был неточным и неточным неудобный.
После Фаренгейта и Реомюра бизнес по производству термометров перешел в руки мастеров, поскольку термометры стали товаром.
В 1848 году английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) продемонстрировал возможность создания абсолютной шкалы температур, ноль которой не зависит от свойств воды или вещества, заполняющего термометр. Контрольной точкой в «шкале Кельвина» было значение абсолютного нуля: -273,15 ° C. При этой температуре тепловое движение молекул прекращается. В результате дальнейшее охлаждение тел становится невозможным.
Доработка термобароскопа Галилея
История термометров не закончилась тщетными попытками Галилея найти практическое устройство. В 1657 году, через 60 лет после первых проб и ошибок изобретателя, его работа была продолжена группой флорентийских ученых. Им удалось устранить основные недостатки термобароскопа, в частности, ввести в прибор шкалу градаций. Кроме того, флорентийские ученые создали вакуум в герметичной стеклянной трубке, что исключило зависимость результатов измерений от атмосферного давления.
Позже это устройство также было модифицировано. Воду в нем заменили винным спиртом. Таким образом, термобароскоп начал работать по принципу расширения жидкости при изменении температуры окружающей среды.
Этапы усовершенствования
Габриэль Фаренгейт сделал решительный шаг. Он нашел наиболее удобную форму для повседневного использования и создал точную шкалу. Описание Фаренгейта, как известно, было опубликовано в 1723 году. Любопытно, что немецкий физик изначально работал с алкогольной шкалой. Но из-за ряда недостатков этого раствора он предпочел ртуть. На шкале было 3 ключевых точки:
- при 0 ° по Фаренгейту смесь аммиака с водой и льдом устойчива (лед не тает, вода не замерзает);
- при 32 ° — смесь воды и льда;
- при 212 ° (и при нормальном атмосферном давлении на уровне моря) вода неизбежно закипает.
Цельсий не просто предлагал альтернативную и более удобную шкалу для измерения температуры, чем Фаренгейт. Сами градусы он определил гораздо точнее. Правда, сначала за 100 ° принимали таяние льда, а за нулевую точку принимали момент закипания воды. Для большего удобства шкала перевернута; но кто это сделал — Стремер или сам Цельсий — неизвестно.
Но того, что создавалось для повседневных нужд, уже в XIX веке было недостаточно для научных нужд. В 1848 году Томсон (будущий лорд Кельвин) доказал, что можно создать абсолютную шкалу температуры. Начальная точка в нем — -273,15 ° по Цельсию. Дальнейшее охлаждение какого-либо материального тела будет невозможно.
В профессиональных лабораториях физики термометры Кельвина используются почти шире, чем устройства, измеряющие температуру в градусах Цельсия или Фаренгейта.
Компактные медицинские термометры впервые были созданы англичанином Томасом Альбатом. Раньше, в 18 веке, делали конструкции длиной 12 дюймов, или около 0,305 м.
Интересно: в нашей стране важнейшую роль в их реализации сыграл Сергей Боткин.
Практически все термометры издавна имели ртутную шкалу. Однако методика не стоит на месте — появились более совершенные и безопасные варианты.
Личности, учавствовавшие в создании
Некоторые специалисты считают, что градусник изобрел Галилей. Его сохранившиеся работы не содержат описания такого устройства. Однако такая информация присутствует в произведениях ближайших последователей Галилея. Любопытно, что при создании термоскопа знаменитый ученый исходил из аналогичного по конструкции прибора, созданного еще в Древней Греции, но совершенно другого назначения. Термоскопы только показывают, что степень нагрева меняется; из-за отсутствия шкалы они не подходят для практических измерений.
В 1657 году во Флоренции появилась более сложная аранжировка. Его конструкция позволяла количественно определять температуру. Но градусник все еще оставался очень примитивным.
За «постоянные» ориентиры принято потепление в самые жаркие и самые холодные дни (субъективно) года. Позже появились проекты Фрэнсиса Бэкона, Роберта Фладда, Корнелиуса Дреббеля и других изобретателей.
Все ранние термометры содержали воздушную трубку, окруженную водяным столбом. Поэтому избежать влияния атмосферного давления было невозможно. Жидкий термометр, по некоторым данным, появился в 1667 году. Такие приборы делали строго вручную, они позволяли измерять только температуру воздуха. Шкала в каждом случае разрабатывалась индивидуально, поэтому результаты измерений были несопоставимы.
Фаренгейт, в честь которого названа одна из знаменитых термометрических весов, создал в 1723 году термометр современного вида. Именно он понял, что спирт не является достаточно совершенным в качестве измерительного реагента на этом уровне технологий, и он переключился на использование ртути. За нулевую точку англичанин взял температуру плавления смеси снега с нашатырным спиртом или поваренной солью. Он взял температуру плавления воды равной 32 градусам, а температуру тела здорового человека — 96 градусами.
Составив такую шкалу, Фаренгейт вскоре обнаружил, что температура кипения воды всегда составляет 212 градусов (если атмосферное давление не меняется).
Термометры, созданные Фаренгейтом, были изготовлены с особой тщательностью, как показывают все сохранившиеся образцы. Позже Андерс Цельсий обнаружил, что температура плавления льда не меняется с давлением. Но зависимость температуры кипения воды от давления была им прослежена с большой точностью. В 1736 году Реомюр представил 80-градусную шкалу, которая долгое время использовалась во Франции. Существовали также другие температурные шкалы, которые в настоящее время устарели или используются очень ограниченно.
В научной сфере активно используются термометры со шкалой Кельвина. Преобразовать градусы Цельсия в Кельвины очень просто: вам просто нужно добавить 273,15.
Но термометрия также получила развитие в техническом плане. В 1867 г появился прибор длиной 0,15 м, а в 1881 г началось серийное производство карманных термометров.
Единая шкала и ртуть
Долгое время ученые не могли найти отправные точки, расстояние между которыми можно было бы разделить поровну.
В качестве исходных данных для шкалы были предложены точки оттаивания льда и топленого масла, температура кипения воды и некоторые абстрактные понятия, такие как «значительная степень холода».
Термометр современной формы, более подходящий для домашнего использования, с точной измерительной шкалой был создан немецким физиком Габриэлем Фаренгейтом. Он описал свой способ изготовления термометра в 1723 году. Первоначально Фаренгейт создал два спиртовых термометра, но затем физик решил использовать в термометре ртуть. Шкала Фаренгейта была основана на трех установленных точках:
- первая точка была ноль градусов — это температура состава воды, льда и нашатырного спирта;
- второй, обозначенный как 32 градуса, — это температура смеси воды и льда;
- третья — температура кипения воды, равная 212 градусам.
Впоследствии шкала была названа в честь ее создателя.
Справка Сегодня наиболее распространенной является шкала Цельсия, шкала Фаренгейта все еще используется в Соединенных Штатах и Англии, а шкала Кельвина используется в научных исследованиях.
Но две постоянные точки — таяние льда и кипящая вода — были окончательно установлены шведским астрономом, геологом и метеорологом Андерсом Цельсием в 1742 году. Он разделил расстояние между точками на 100 интервалов, число 100 обозначило точку таяние льда и 0 — температура кипения воды.
Сегодня шкала Цельсия используется в перевернутом виде, то есть температура плавления льда принимается за 0 °, а температура кипения воды — за 100.
По одной из версий, его современники и соотечественники, ботаник Карл Линней и астроном Мортен Стремер, после смерти Цельсия «перевернули» чашу весов, но по другой, Цельсий сам повернул свою чашу весов по совету Стремера.
В 1848 году английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) продемонстрировал возможность создания шкалы абсолютных температур, где точкой отсчета является значение абсолютного нуля: -273,15 ° C — при этой температуре дальнейшее охлаждение невозможно тела.
Уже в середине 18 века термометры стали предметом торговли и изготавливались мастерами, но в медицину термометры пришли гораздо позже, в середине 19 века.