История
Термометр обязан своим рождением великому ученому и изобретателю, родившемуся в середине 16 века на Апеннинском полуострове — Галилео Галилею. Он сделал много открытий, в том числе доказал, что земной шар вращается вокруг своей оси.
В результате экспериментов Галилей пришел к выводу, что температура окружающей среды влияет на плотность жидкости. То есть чем теплее вокруг, тем ниже плотность раствора какой-либо жидкости и наоборот. При понижении температуры жидкость становится более вязкой. В 1592 году ученый изобрел устройство, измеряющее температуру жидкости, позже названное термоскопом.
Это устройство стало родоначальником всех термометров, которые у нас сейчас есть.
Некоторые историки сомневаются, что Галилей связан с этим научным прорывом, в то время как другие твердо убеждены, что именно этот великий ученый изобрел это устройство.
Особенности
Отличительной особенностью этого градусника является отсутствие шкалы измерения. Он действует согласно физическому закону изгнания тел из различных жидкостей, открытого Архимедом. В отличие от современных термометров, его не нужно заливать спиртом или ртутью, вполне подойдет и вода. Необязательно заливать шары разными цветами. Это сделано для ясности, а не для практических целей.
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.
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.
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.
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.
Принцип действия
Само устройство выглядит как наполненный водой цилиндр, внутри которого помещены шарики с жидкостью разного цвета. К этим шарам прикреплены пластины с цифрами, обозначающими показания температуры. Бирки могут быть золотыми или серебряными. Сферы заполнены жидкостью примерно одинаковой плотности, но стальные пластины различают массу сфер: минимум у поплавка, расположенного вверху сосуда, а максимум у дна. Но в целом жидкость внутри шаров имеет плотность примерно равную плотности воды.
Принцип работы термоскопа не очень сложен. Если температура в помещении меняется, начинает меняться и температура в сосуде. В этом случае изменится и плотность воды в баллоне.
Еще в Древней Греции было известно, что возникают объекты, имеющие, так сказать, меньшую плотность, чем окружающая жидкость. Из этого можно сделать вывод, что при понижении температуры в помещении вязкость жидкости в сосуде увеличивается и поплавки с этикетками начинают двигаться вверх. Если теплее, они утонут. Фактические показания температуры в любой момент времени определяются сферой, расположенной в нижней части цилиндра.
Точность этого измерения довольно приличная. Это было достигнуто калибровкой шариков жидкостью с шагом 0,1–0,4 ° C.
Этим термометром можно измерить тепло только при температуре от 16 до 28 градусов Цельсия. Количество шариков внутри контейнера варьируется от 4 до 16, в зависимости от размера термометра.