Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек Страница 15

Второй причиной является то, что мы не ощущаем ударов отдельных молекул, а газы в атмосфере сильно перемешаны. Поэтому конденсация влаги протекает лишь на больших высотах, где падение температуры воздуха более чем заметно. Смешение молекул с разными скоростями приводит к тому, что средняя скорость частицы воздуха резко отличается от максимально и минимально возможных значений. Получается, что воздух состоит из усредненных молекул, определяющих его температуру, которую можно ощущать и измерить.

То же самое касается и всех остальных веществ в любом из агрегатных состояний. Внутри жидкости, газа и твердого тела (даже химически однородного, т. е. состоящего из одинаковых молекул или одинаковых атомов) всегда найдутся быстрые частицы и медленные. Любопытно, что нередко разница оказывается весьма существенной. Некоторые молекулы при средней температуре тела +20 °C двигаются неактивно: эти «ленивцы» преодолевают за единицу времени такое же расстояние, какое соответствует морозу в -50–100 °C. Зато наиболее быстрые движутся на скоростях, отвечающих жаре в +100–150 °C. Известны и более существенные расхождения.

Если бы ученые располагали прибором, способным отсортировать молекулы по скоростям, то обычным воздухом в комнате (а стало быть, при комнатной температуре) удалось бы вскипятить без проблем 100 г воды. К сожалению, такой прибор невозможен. Он называется «демоном Максвелла», поскольку впервые именно английский физик Дж. Максвелл открыл разделение молекул по скоростям и указал на невозможность создания такого устройства. В природе не существует фильтра для быстрых и медленных молекул.

Изобретение термометра

Человек изобрел немало способов измерять температуру окружающих его тел. До нашего времени сохранились несколько градусных шкал температуры, построенных на основе первых термометров самого разного устройства. Поразительно, что элементарный градусник не является больше научным инструментом, хотя первоначально был таковым. Ныне он нашел широчайшее применение в промышленной химии, технике, метеорологии, ветеринарии и, конечно же, в медицине.

Изобретателем замечательного измерительного прибора, полезного всем, являлся знаменитый человек. Самый первый градусник, как принято считать, создан великим механиком и астрономом Г. Галилеем, который разработал немало самых разнообразных технических приспособлений для проведения замеров во время своих экспериментов. Устройство Галилея, вошедшее в историю под названием термоскопа, сконструировано в 1597 г.

Галилеев термоскоп не был проградуирован, так что мы не имеем полного права называть устройство градусником. Он представлял собой полый стеклянный шар, соединенный трубкой с водным сосудом. Воздух в шаре при изменении температуры сжимался или расширялся, и вода то поднималась в трубке, то опускалась.

Официальное мнение относительно первенства Галилея в изобретении термометра спорно. Галилеево устройство, скорее всего, было первым научным инструментом, послужившим основой для создателей последующих моделей.

Первый настоящий термоскоп был сконструирован александрийским механиком Героном. Принцип действия термометра Герона был схож с принципом действия термометра Галилея. Воздух в шаре с водой от нагрева расширялся и вытеснял воду наружу: она выливалась через особую трубочку в блюдце. Оба термоскопа являлись одновременно и бароскопами, потому что сильно зависели от атмосферного давления. Оно вносило погрешности в измерения. Сегодня удалось подсчитать, что изобретатели обманывались на 10 °C, хотя не подразумевали об этом, да и не смогли бы проверить сами себя.

Более совершенные термометры, нередко снабженные градуированными шкалами, созданы во второй половине XVII в. Среди них — термометр Флорентийской академии опыта, а также градусник Санторио. Итальянец Санторио был врачом и применял свой самодельный градусник для измерения температуры у пациентов. То есть изобретатель впервые нашел одну из областей практического применения термометров.

Принцип действия всех термометров был абсолютно одинаков. При нагреве некоторая мерная жидкость меняет объем — расширяется или сжимается. Столбик этой жидкости движется вдоль градуированной шкалы и показывает, насколько нагрета или охлаждена жидкость. Создать градусную шкалу долгое время не удавалось. Для этого требовалось выполнить два условия. Во-первых, нужно было найти в природе какую-то постоянную температуру, которая послужит эталонной отметкой. Во-вторых, требовалось четко определить величину одного градуса посредством мерного вещества.

Первое условие было выполнено тогда, когда удалось эмпирическим путем установить несколько стабильных температур — человеческого тела, смеси льда и воды, водяного пара, а также некоторых других. Для тела здорового человека характерно наличие одной постоянной температуры. Сколько не измеряй ее термометром заданной конструкции, показания прибора останутся прежними. То же касается смеси льда и воды. Замерзающая вода имеет неизменную температуру, равно как, впрочем, и водяной пар. Позднее физики научились находить и другие постоянные температуры.

Один из самых ранних термометров, оказавших влияние на развитие современной техники измерения температуры, был создан Реомюром. Его шкала, получившая название шкалы Реомюра, была градуирована при использовании всего одной постоянной точки. За эту точку была принята температура плавления льда, которую Реомюр обозначил как 1000 градусов. Она равна температуре замерзания воды (смеси воды и льда).

Мерной жидкостью в термометре Реомюра служил спирт, имеющий такую плотность, при которой его коэффициент расширения равняется 0,0008. При нагревании или охлаждении на 1 градус Реомюра спирт менял объем на 0,0001 часть. Измерив с помощью своего термометра температуру кипения воды, физик получил величину 1080 градусов. Изобретатель исходил из предположения, что при каком угодно нагревании тепловое расширение мерной жидкости протекает равномерно.

Поскольку пользоваться такой шкалой было неудобно, то со временем ее заменили на обновленную. Новая градуировка принимала за 0 градусов Реомюра температуру плавления льда, а за 80 градусов — температуру кипения воды. Хотя размер градуса остался прежним, основанным на спиртовом коэффициенте, нынешние термометры Реомюра в действительности ртутные.

Голландский стеклодув Фаренгейт, шкала которого получила еще большее распространение в разных странах, в первую очередь в англоязычных, отталкивался в своих исследованиях от капризов природы. Зимой 1709 г. в Данциге были отмечены самые крепкие за последние 100 лет морозы. Поэтому Фаренгейт выбрал в качестве постоянной точки для градуирования шкалы своего термометра минимальную температуру, которую ему удалось получить при охлаждении на морозе смеси из нашатыря, поваренной соли и воды.

Однако Фаренгейт на этом не остановился и взял для дальнейшего градуирования вторую постоянную точку. В своем выборе ученый последовал примеру великих физиков (в т. ч. Ньютона), конструировавших свои термометры на основе величины нормальной температуры человеческого тела. Причиной тому, впрочем, было не единственно подражание. В то время многие медики ошибочно полагали, будто воздух не нагревается в естественных условиях выше температуры тела человека. В противном случае люди бы погибли, т. к. кровь якобы не может существовать в жидком виде при температуре среды, равной ее собственной температуре.

Таким образом, вторая постоянная точка шкалы оказалась также косвенно связанной с воздухом. На шкале были отмечены минимальная и максимальная температуры воздуха в естественных условиях. Интервал между двумя точками Фаренгейт разбил на 24 деления — градуса. Поскольку полученный отрезок оказался чрезмерно велик, то впоследствии Фаренгейт поделил каждый градус еще на 4 и новый отрезок стал называть градусом.

Всего между постоянными точками шкалы находится 96 градусов. Температура кипения воды равняется 212 градусам. Следует заметить, что изобретатель придерживался в корне ошибочного мнения о постоянстве изменения объема при тепловом расширении, как и Реомюр. То есть оба считали, будто от нагрева или охлаждения на 1 градус объем меняется на строго заданную долю. В настоящее время известно, что изменение объема протекает не всегда одинаково. Фаренгейт допустил и другую ошибку. В то время было принято считать нормальной температурой человеческого тела +35 °C, именно эту отметку и взял за основу изобретатель.

Шкала А. Цельсия, предложенная им в 1742 г., была гораздо более удобна. Прежде всего, эта шкала была стоградусной, т. е. рассчитанной на небольшой спектр температур. В пределах ее отметок объем мерной жидкости (ртути) меняется на строго определенную величину при изменении нагретости на 1 градус. Это коэффициент теплового расширения. За основу были выбраны наиболее известные своим постоянством температуры таяния льда и кипения воды, впервые найденные физиками X. Гюйгенсом и P. Гуком в середине XVII в. В современной физике стоградусная шкала не заняла ведущих позиций, хотя и является очень важной.