Und wussten Sie, dass ...

Hat der schwedische Wissenschaftler A. Celsius die Temperaturskala getestet? „Ich habe die Experimente zwei Jahre lang bei unterschiedlichem Wetter wiederholt und immer genau denselben Punkt auf dem Thermometer gefunden. Ich legte das Thermometer nicht nur in das schmelzende Eis, sondern auch in den Schnee, als dieser zu schmelzen begann. Ich stellte auch einen Kessel mit schmelzendem Schnee zusammen mit einem Thermometer in einen Heizofen und stellte fest, dass das Thermometer immer denselben Punkt anzeigte, wenn nur der Schnee eng um die Thermometerkugel lag. So beschrieb A. Celsius die Ergebnisse seiner Experimente im 18. Jahrhundert.

Es gibt eine sehr schmelzbare metallische Substanz - Holzlegierung? Wenn Sie einen Teelöffel daraus gießen, schmilzt es in einem Glas heißem Tee und läuft auf den Boden des Glases ab!

Ist der atmosphärische Druck auf dem Gipfel des Mount Everest, dem höchsten Punkt der Erde, dreimal niedriger als normal? Bei diesem Druck siedet Wasser bei einer Temperatur von nur 70 °C? In „kochendem Wasser“ dieser Temperatur lässt sich nicht einmal Tee richtig aufbrühen.

Wenn Sie einen heißen Topf vom Herd nehmen, müssen Sie nur einen trockenen Lappen oder Handschuh verwenden? Wenn sie nass sind, riskieren Sie Verbrennungen, da Wasser Wärme 25-mal schneller leitet als Luft zwischen den Haaren des Stoffes.

Wenn Kohle oder Brennholz die gleiche gute Wärmeleitfähigkeit hätten wie Metalle, wäre es dann einfach unmöglich, sie in Brand zu setzen? Die ihnen zugeführte Wärme (z. B. von einem Streichholz) würde sehr schnell in die Dicke des Materials übertragen und würde den entzündeten Teil nicht auf die Zündtemperatur erhitzen.

Auf ihrem Weg zur Erde legen die Sonnenstrahlen eine riesige Strecke durch das Vakuum des Weltraums zurück - 150 Millionen Kilometer? Und trotzdem fällt auf jeden Quadratmeter Erdoberfläche ein Energiestrom mit einer Leistung von ≈ 1 kW. Wenn diese Energie auf den Wasserkocher "fallen" würde, würde sie in nur 10 Minuten kochen!

Wenn eine Person Wärmestrahlung sehen könnte, würde sie, nachdem sie in einen dunklen Raum gekommen ist, viele interessante Dinge sehen: hell leuchtende Rohre und Heizkörper, umgeben von leichten gewundenen warmen Luftströmen? Die gleichen Ströme wären über dem Musikzentrum, Fernseher gewesen.

Galt Tiefkühlkost im 19. Jahrhundert als hoffnungslos verdorben? Und nur die Schwierigkeiten der Lebensmittelversorgung, die zu einem Hindernis für die Entwicklung großer Städte wurden, zwangen dazu, Vorurteile zu überwinden. BEIM spätes XIX- Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden in vielen Ländern Gesetze erlassen, die den Bau von Sonderkonstruktionen - Kühlschränken - vorschrieben.

Wärmepumpen, mit denen Sie die Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Luft regulieren können - Klimaanlagen - wurden bereits zu Beginn des letzten Jahrhunderts eingesetzt? Seit den 1920er Jahren werden sie in überfüllten Gebäuden und Räumlichkeiten installiert: Theater, Hotels, Restaurants.

Thermometer

Thermometer (griechisch θέρμη - Hitze; μετρέω - ich messe) - ein Gerät zur Messung der Temperatur von Luft, Boden, Wasser usw. Es gibt verschiedene Arten von Thermometern:flüssig; mechanisch; elektronisch; optisch; Gas; Infrarot.

Galileo gilt als Erfinder des Thermometers: In seinen eigenen Schriften findet sich keine Beschreibung dieses Geräts, aber seine Schüler Nelly und Viviani bezeugen, dass er bereits 1597 so etwas wie ein Thermobaroskop (Thermoskop) hergestellt hat. Galileo studierte zu dieser Zeit die Arbeit von Heron von Alexandria, der bereits ein ähnliches Gerät beschrieb, jedoch nicht zum Messen von Wärmegraden, sondern zum Anheben von Wasser durch Erhitzen. Das Thermoskop war eine kleine Glaskugel mit einem daran angelöteten Glasröhrchen. Die Kugel wurde leicht erhitzt und das Ende des Rohrs wurde in ein Gefäß mit Wasser abgesenkt. Nach einiger Zeit kühlte sich die Luft in der Kugel ab, ihr Druck nahm ab und das Wasser stieg unter der Wirkung des atmosphärischen Drucks bis zu einer bestimmten Höhe in der Röhre auf. Anschließend stieg bei Erwärmung der Luftdruck in der Kugel und der Wasserstand in der Röhre ab, bei Abkühlung stieg das Wasser darin. Mit Hilfe eines Thermoskops konnte nur die Änderung des Erwärmungsgrades des Körpers beurteilt werden: Es zeigte keine numerischen Werte der Temperatur, da es keine Skala hatte. Außerdem war der Wasserstand im Rohr nicht nur von der Temperatur, sondern auch vom atmosphärischen Druck abhängig. 1657 wurde Galileis Thermoskop von Florentiner Wissenschaftlern verbessert. Sie statteten das Instrument mit einer Perlenskala aus und ließen die Luft aus dem Tank (Kugel) und dem Rohr ab. Damit war es möglich, die Temperaturen von Körpern nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ zu vergleichen. Anschließend wurde das Thermoskop gewechselt: Es wurde auf den Kopf gestellt, und anstelle von Wasser wurde Brandy in das Rohr gegossen und das Gefäß entfernt. Die Wirkungsweise dieses Gerätes basierte auf der Ausdehnung von Körpern, die Temperaturen der heißesten Sommer- und kältesten Wintertage wurden als "dauerhafte" Punkte genommen. Alle diese Thermometer waren Luft und bestanden aus einem Gefäß mit einem Rohr, das Luft enthielt, das durch eine Wassersäule von der Atmosphäre getrennt war. Sie änderten ihre Messwerte sowohl aufgrund von Temperaturänderungen als auch von Änderungen des atmosphärischen Drucks.

Flüssigkeitsthermometer werden erstmals 1667 in „Saggi di naturale esperienze fatte nell’Accademia del Cimento“ beschrieben, wo sie als Gegenstände bezeichnet werden, die seit langem von erfahrenen Handwerkern hergestellt werden, genannt „Confia“, die das Glas auf einem angezündeten Lampenfeuer erwärmen und erstaunliche und sehr empfindliche Produkte daraus zu machen. Zuerst waren diese Thermometer mit Wasser gefüllt, aber sie platzten, als es gefror; Sie begannen 1654 nach der Idee des Großherzogs der Toskana, Ferdinand II., Weingeist dafür zu verwenden. Florentiner Thermometer haben sich in mehreren Exemplaren bis in unsere Zeit im Galileischen Museum in Florenz erhalten; ihre Herstellung wird ausführlich beschrieben.

Zuerst musste der Meister die Röhre unter Berücksichtigung ihrer relativen Abmessungen und der Größe der Kugel unterteilen: Unterteilungen wurden mit geschmolzenem Email auf eine mit einer Lampe erhitzte Röhre aufgetragen, jede Zehnte wurde durch einen weißen Punkt und andere durch Schwarz angezeigt . Sie machten normalerweise 50 Teilungen so, dass der Alkohol beim Schmelzen des Schnees nicht unter 10 fiel und in der Sonne nicht über 40 stieg. Gute Handwerker stellten solche Thermometer so erfolgreich her, dass sie alle den gleichen Temperaturwert unter anzeigten die gleichen Bedingungen, aber dies war nicht möglich, wenn das Rohr in 100 oder 300 Teile geteilt wurde, um eine größere Genauigkeit zu erreichen. Die Thermometer wurden durch Erhitzen der Kugel und Eintauchen des Rohrendes in Alkohol gefüllt; das Füllen wurde mit einem Glastrichter mit einem dünn gezogenen Ende abgeschlossen, der frei in ein ziemlich breites Rohr eindrang. Nach dem Einstellen der Flüssigkeitsmenge wurde die Öffnung des Röhrchens mit Siegellack, „hermetic“ genannt, verschlossen. Daraus wird deutlich, dass diese Thermometer groß waren und zur Bestimmung der Lufttemperatur dienen konnten, für andere, vielfältigere Experimente aber immer noch unbequem waren und die Gradzahlen verschiedener Thermometer nicht miteinander vergleichbar waren.

Galileo-Thermometer

1703 verbesserte Amonton (Guillaume Amontons) in Paris das Luftthermometer, indem er nicht die Ausdehnung, sondern die Zunahme der Elastizität von Luft maß, die bei verschiedenen Temperaturen auf das gleiche Volumen reduziert wurde, indem Quecksilber in ein offenes Knie gegossen wurde; barometrischer Druck und seine Änderungen wurden berücksichtigt. Der Nullpunkt einer solchen Skala sollte „der signifikante Kältegrad“ sein, bei dem die Luft ihre gesamte Elastizität verliert (dh der moderne absolute Nullpunkt), und der zweite konstante Punkt war der Siedepunkt von Wasser. Der Einfluß des atmosphärischen Drucks auf den Siedepunkt war Amonton noch nicht bekannt, und die Luft in seinem Thermometer war nicht von Wassergasen befreit; Daher wird aus seinen Daten der absolute Nullpunkt bei –239,5 ° Celsius erhalten. Ein anderes Amonton-Luftthermometer, sehr unvollkommen hergestellt, war von Änderungen des atmosphärischen Drucks unabhängig: es war ein Siphon-Barometer, dessen offenes Knie nach oben verlängert war, von unten mit einer starken Pottaschelösung, von oben mit Öl gefüllt wurde und in a endete verschlossenes Luftreservoir.

Die moderne Form des Thermometers stammt von Fahrenheit und beschrieb 1723 seine Zubereitungsmethode. Zunächst füllte er seine Röhrchen auch mit Alkohol und wechselte erst schließlich zu Quecksilber. Er stellte den Nullpunkt seiner Skala auf die Temperatur einer Mischung aus Schnee mit Ammoniak oder Kochsalz, auf die Temperatur des „Beginns des Gefrierens von Wasser“ zeigte er 32 ° und die Körpertemperatur eines gesunden Menschen im Mund oder unter dem Arm entsprach 96 °. Anschließend stellte er fest, dass Wasser bei 212° kocht und diese Temperatur bei gleichem Zustand des Barometers immer gleich war. Die erhaltenen Kopien von Fahrenheit-Thermometern zeichnen sich durch ihre sorgfältige Verarbeitung aus.

Quecksilberthermometer mit Fahrenheit-Skala

Der schwedische Astronom, Geologe und Meteorologe Anders Celsius setzte 1742 schließlich beide festen Punkte, schmelzendes Eis und kochendes Wasser. Zunächst setzte er jedoch 0° auf den Siedepunkt und 100° auf den Gefrierpunkt. In seiner Arbeit Beobachtungen von zwei anhaltenden Graden an einem Thermometer sprach Celsius über seine Experimente, die zeigten, dass der Schmelzpunkt von Eis (100 °) nicht vom Druck abhängt. Er bestimmte auch mit erstaunlicher Genauigkeit, wie sich der Siedepunkt von Wasser mit dem atmosphärischen Druck änderte. Er schlug vor, dass die 0-Marke (der Siedepunkt von Wasser) kalibriert werden könnte, zu wissen, auf welcher Höhe relativ zum Meer sich das Thermometer befindet.

Später, nach dem Tod von Celsius, verwendeten seine Zeitgenossen und Landsleute, der Botaniker Carl Linnaeus und der Astronom Morten Strömer, diese Skala auf den Kopf (für 0 ° begannen sie, den Schmelzpunkt von Eis und für 100 ° den Siedepunkt zu nehmen aus Wasser). In dieser Form erwies sich die Waage als sehr praktisch, fand weite Verbreitung und wird bis heute verwendet.

Flüssigkeitsthermometer basieren auf dem Prinzip, das Flüssigkeitsvolumen, das in das Thermometer gegossen wird (normalerweise Alkohol oder Quecksilber), zu ändern, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Im Zusammenhang mit dem Verbot der Verwendung von Quecksilber wegen seiner Gesundheitsgefährdung in vielen Bereichen Aktivitäten suchen nach alternativen Füllungen für Haushaltsthermometer. Beispielsweise kann eine Galinstan-Legierung ein solcher Ersatz werden. Zunehmend werden auch andere Arten von Thermometern verwendet.

Medizinisches Quecksilberthermometer

Mechanische Thermometer dieser Art arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie Flüssigkeitsthermometer, jedoch wird als Sensor meist eine Metallspirale oder ein Bimetallband verwendet.

Mechanisches Fensterthermometer

Es gibt auch elektronische Thermometer. Das Funktionsprinzip elektronischer Thermometer basiert auf der Widerstandsänderung des Leiters bei Änderung der Umgebungstemperatur. Elektronische Thermometer eines größeren Bereichs basieren auf Thermoelementen (Kontakt zwischen Metallen mit unterschiedlichen Elektronegativität erzeugt eine temperaturabhängige Kontaktpotentialdifferenz). Am genauesten und zeitstabilsten sind Widerstandsthermometer auf Basis von Platindraht oder Platinsputtern auf Keramik. Die gebräuchlichsten sind PT100 (Widerstand bei 0 °C – 100 Ω) PT1000 (Widerstand bei 0 °C – 1000 Ω) (IEC751). Die Temperaturabhängigkeit ist nahezu linear und gehorcht bei positiven Temperaturen einem quadratischen Gesetz und bei negativen einer Gleichung 4. Grades (die entsprechenden Konstanten sind sehr klein, und in erster Näherung kann diese Abhängigkeit als linear angesehen werden). Temperaturbereich -200 - +850 °C.

Medizinisches elektronisches Thermometer

Mit optischen Thermometern können Sie die Temperatur aufgrund der Änderung der Helligkeit, des Spektrums und anderer Parameter bei Temperaturänderungen aufzeichnen. Zum Beispiel Infrarot-Körpertemperaturmessgeräte. Mit einem Infrarot-Thermometer können Sie die Temperatur ohne direkten Kontakt mit einer Person messen. In einigen Ländern besteht seit langem die Tendenz, Quecksilberthermometer zugunsten von Infrarot aufzugeben, nicht nur in medizinischen Einrichtungen, sondern auch auf Haushaltsebene.

Infrarot Thermometer

Wenn die Mechanik im 18. Jahrhundert zu einem ausgereiften, vollständig definierten Gebiet der Naturwissenschaft wird, dann macht die Wissenschaft der Wärme im Wesentlichen nur ihre ersten Schritte. Natürlich entstand bereits im 17. Jahrhundert ein neuer Ansatz zur Untersuchung thermischer Phänomene. Das Thermoskop von Galileo und die Thermometer der Florentiner Akademiker Guericke, Newton, die ihm folgten, bereiteten den Boden, auf dem die Thermometrie bereits im ersten Viertel des neuen Jahrhunderts wuchs. Die sich in Konstruktionsmerkmalen voneinander unterscheidenden Thermometer Fahrenheit, Delisle, Lomonossow, Réaumur und Celsius bestimmten gleichzeitig den bis heute akzeptierten Typ des Thermometers mit zwei konstanten Spitzen.

Bereits 1703 konstruierte der Pariser Gelehrte Amonton (1663-1705) ein Gasthermometer, bei dem die Temperatur über ein manometrisches Rohr bestimmt wurde, das mit einem Gasbehälter konstanten Volumens verbunden war. Das theoretisch interessante Gerät, der Prototyp moderner Wasserstoffthermometer, war für praktische Zwecke unbequem. Der Danziger Glasbläser Fahrenheit (1686-1736) stellte ab 1709 Alkoholthermometer mit Fixspitzen her. Ab 1714 begann er mit der Herstellung von Quecksilberthermometern. Fahrenheit nahm den Gefrierpunkt von Wasser mit 32° und den Siedepunkt von Wasser mit 212° an. Fahrenheit nahm den Gefrierpunkt einer Mischung aus Wasser, Eis und Ammoniak oder Kochsalz als Null an. Den Siedepunkt des Wassers nannte er erst 1724 in einer gedruckten Veröffentlichung. Ob er es vorher benutzt hat, ist unbekannt.

Der französische Zoologe und Metallurge Réaumur (1683-1757) schlug ein Thermometer mit konstantem Nullpunkt vor, den er als Gefrierpunkt von Wasser annahm. Mit einer 80%igen Alkohollösung als thermometrischem Körper und in der endgültigen Version Quecksilber nahm er den Siedepunkt von Wasser als zweiten konstanten Punkt und bezeichnete ihn als Zahl 80. Réaumur beschrieb sein Thermometer in Artikeln, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurden der Pariser Akademie der Wissenschaften 1730, 1731 gg.

Das Réaumur-Thermometer wurde von dem schwedischen Astronomen Celsius (1701-1744) getestet, der seine Experimente 1742 beschrieb. Genau dieselbe Stelle auf dem Thermometer. Ich steckte das Thermometer nicht nur in das schmelzende Eis, sondern brachte auch bei extremer Kälte Schnee in mein Zimmer auf das Feuer, bis er zu schmelzen begann. Ich stellte auch einen Kessel mit schmelzendem Schnee zusammen mit einem Thermometer in einen brennenden Ofen und stellte fest, dass das Thermometer immer denselben Punkt anzeigte, wenn nur der Schnee eng um die Thermometerkugel lag. Nach sorgfältiger Überprüfung der Konstanz des Schmelzpunktes von Eis untersuchte Celsius den Siedepunkt von Wasser und stellte fest, dass dieser vom Druck abhängt. Als Ergebnis der Forschung erschien ein neues Thermometer, das jetzt als Celsius-Thermometer bekannt ist. Celsius setzte den Schmelzpunkt von Eis auf 100, den Siedepunkt von Wasser bei einem Druck von 25 Zoll 3 Quecksilberlinien auf 0. Der berühmte schwedische Botaniker Carl von Linné (1707-1788) verwendete ein Thermometer mit umgestellten konstanten Punktwerten. O bedeutete den Schmelzpunkt von Eis, 100 den Siedepunkt von Wasser. Somit ist die moderne Celsius-Skala im Wesentlichen die Linnaean-Skala.

An der St. Petersburger Akademie der Wissenschaften schlug Akademiker Delisle eine Skala vor, in der der Schmelzpunkt von Eis mit 150 und der Siedepunkt von Wasser mit 0 angenommen wurde. Akademiker PS Pallas in seinen Expeditionen von 1768-1774. im Ural und in Sibirien verwendete er das Delhi-Thermometer. M. V. Lomonosov verwendete in seiner Forschung ein von ihm entworfenes Thermometer mit einer Skala, die derjenigen von Deliverian entgegengesetzt war.

Thermometer wurden hauptsächlich für meteorologische und geophysikalische Zwecke verwendet. Lomonosov, der die Existenz vertikaler Strömungen in der Atmosphäre entdeckte, indem er die Abhängigkeit der Dichte atmosphärischer Schichten von der Temperatur untersuchte, zitiert Daten, aus denen sich der Volumenausdehnungskoeffizient der Luft bestimmen lässt, der nach diesen Daten ist etwa ]/367. Lomonosov verteidigte leidenschaftlich die Priorität des St. Petersburger Akademikers Brown bei der Entdeckung des Gefrierpunkts von Quecksilber, der am 14. Dezember 1759 erstmals Quecksilber mit Hilfe von Kühlmischungen gefror. Dies war die niedrigste Temperatur, die bis zu diesem Zeitpunkt erreicht wurde.

Die höchsten Temperaturen (ohne quantitative Schätzungen) wurden 1772 von einer Kommission der Pariser Akademie der Wissenschaften unter der Leitung des berühmten Chemikers Lavoisier ermittelt. Hohe Temperaturen wurden unter Verwendung einer speziell angefertigten Linse erreicht. Die Linse wurde aus zwei konkav-konvexen Linsen zusammengesetzt, deren Zwischenraum mit Alkohol gefüllt war. Etwa 130 Liter Alkohol wurden in eine Linse mit einem Durchmesser von 120 cm gegossen, ihre Dicke erreichte in der Mitte 16 cm.Durch Fokussieren der Sonnenstrahlen war es möglich, Zink, Gold und einen Diamanten zu brennen. Wie in den Experimenten von Brown-Lomonosov, wo der "Kühlschrank" Winterluft war, diente in den Experimenten von Lavoisier der natürliche "Ofen" - ​​die Sonne - als Quelle hoher Temperaturen.

Die Entwicklung der Thermometrie war die erste wissenschaftliche und praktische Nutzung der Wärmeausdehnung von Körpern. Natürlich wurde das Phänomen der Wärmeausdehnung nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ untersucht.Die ersten genauen Messungen der Wärmeausdehnung von Festkörpern wurden 1782 von Lavoisier und Laplace durchgeführt lange Zeit wurde in Physikkursen beschrieben, beginnend mit dem Kurs von Biot, 1819, und endend mit dem Physikkurs von O. D. Khvolson, 1923.

Ein Streifen des Prüfkörpers wurde zuerst in schmelzendes Eis und dann in kochendes Wasser gelegt. Es wurden Daten für Glas verschiedener Qualitäten, Stahl und Eisen sowie für verschiedene Gold-, Kupfer-, Messing-, Silber-, Zinn- und Bleiqualitäten erhalten.Wissenschaftler haben festgestellt, dass die Ergebnisse je nach Aufbereitungsmethode des Metalls unterschiedlich sind. Ein Streifen aus ungehärtetem Stahl erhöht sich bei Erwärmung um 100 ° um 0,001079 seiner ursprünglichen Länge und aus gehärtetem Stahl um 0,001239. Für Schmiedeeisen wurde ein Wert von 0,001220 und für rundgezogenes Eisen ein Wert von 0,001235 erhalten. Diese Daten geben eine Vorstellung von der Genauigkeit der Methode.

So wurden bereits in der ersten Hälfte des 18. Jahrhunderts Thermometer entwickelt und quantitative thermische Messungen begonnen, die in den thermophysikalischen Experimenten von Laplace und Lavoisier auf ein hohes Maß an Genauigkeit gebracht wurden. Die grundlegenden quantitativen Konzepte der thermischen Physik kristallisierten sich jedoch nicht sofort heraus. In den Arbeiten der Physiker dieser Zeit gab es erhebliche Verwirrung in Begriffen wie "Wärmemenge", "Wärmegrad", "Wärmegrad". Auf die Notwendigkeit, zwischen den Begriffen Temperatur und Wärmemenge zu unterscheiden, wurde 1755 von I. G. Lambert (1728-1777) hingewiesen. Seine Anweisungen wurden jedoch von seinen Zeitgenossen nicht geschätzt, und die Entwicklung korrekter Konzepte war langsam.

Die ersten Ansätze zur Kalorimetrie sind in den Arbeiten der St. Petersburger Akademiker GV Kraft und GV Rikhman (1711-1753) enthalten. Krafts Artikel "Verschiedene Experimente mit Hitze und Kälte", der 1744 der Akademiekonferenz vorgelegt und 1751 veröffentlicht wurde, behandelt das Problem der Temperaturbestimmung einer Mischung aus zwei Portionen einer Flüssigkeit, die bei unterschiedlichen Temperaturen genommen wurden. Dieses Problem wurde in Lehrbüchern oft als „Richmann-Problem“ bezeichnet, obwohl Richman ein allgemeineres und komplexeres Problem löste als Kraft. Kraft gab eine falsche empirische Formel zur Lösung des Problems an.

Einen ganz anderen Lösungsansatz finden wir bei Richmann. In dem 1750 veröffentlichten Artikel „Betrachtungen über die Wärmemenge, die beim Mischen von Flüssigkeiten bestimmter Wärmegrade erhalten werden sollte“, stellt Richmann das Problem, die Temperatur einer Mischung aus mehreren (und nicht zwei, wie bei Kraft) zu bestimmen. Flüssigkeiten und löst diese nach dem Prinzip des Wärmehaushaltes. „Nehmen Sie an“, sagt Richman, „dass die Masse der Flüssigkeit a ist; die in dieser Masse verteilte Wärme ist gleich m; eine andere Masse, in der dieselbe Wärme m verteilt werden muss wie in Masse a, sei sie gleich a + b. Dann die entstehende Wärme

ist gleich am/(a+b). Hier meint Richmann Temperatur mit „Wärme“, aber das von ihm formulierte Prinzip, dass „die gleiche Wärme umgekehrt proportional zu den Massen ist, über die sie verteilt ist“, ist rein kalorimetrisch. „So“, schreibt Richmann weiter, „verteilen sich die Wärme der Masse a, gleich m, und die Wärme der Masse b, gleich n, gleichmäßig über die Masse a + b, und die Wärme in dieser Masse, d. h. in eine Mischung aus a und b, muss gleich der Summe der Wärmen m + n sein, die in der Masse a + b verteilt sind, oder gleich (ma + nb) / (a ​​​​+ b) . Es war diese Formel, die als „Richmann-Formel“ in Lehrbüchern auftauchte. „Um eine allgemeinere Formel zu erhalten“, fährt Richmann fort, „mit der man den Wärmegrad bestimmen könnte, wenn man 3, 4, 5 usw. Massen derselben Flüssigkeit mit unterschiedlichem Wärmegrad mischt, rief ich an diese Massen a, b, c, d, e usw. und die entsprechenden Wärmen sind m, p, o, p, q usw. Genauso habe ich angenommen, dass jede von ihnen über die Gesamtheit von verteilt ist alle Massen. Als Ergebnis "ist die Wärme nach dem Mischen aller warmen Massen gleich:

(am + bp + co + dp + eq) usw. / (a ​​​​+ b + c + d + e) ​​usw.,

d.h. die Summe flüssiger Massen, über die beim Mischen die Wärme der einzelnen Massen gleichmäßig verteilt wird, verhält sich zur Summe aller Produkte jeder Masse und ihrer Wärme wie Eins zur Wärme der Mischung.

Richmann beherrschte den Begriff der Wärmemenge noch nicht, aber er schrieb und begründete die völlig richtige kalorimetrische Formel und entdeckte leicht, dass seine Formel besser mit der Erfahrung übereinstimmt als die von Krafg. Er stellte richtig fest, dass seine "Wärme" "nicht die tatsächliche Wärme, sondern die überschüssige Wärme der Mischung im Vergleich zu null Grad Fahrenheit" ist. Er verstand klar: 1. "Die Wärme der Mischung verteilt sich nicht nur über ihre Masse selbst, sondern auch über die Wände des Gefäßes und das Thermometer selbst." 2. "Die Eigenwärme des Thermometers und die Wärme des Gefäßes verteilen sich sowohl über die Mischung als auch entlang der Wände des Gefäßes, in dem sich die Mischung befindet, und entlang des Thermometers." 3. „Ein Teil der Wärme des Gemisches geht während der Versuchsdurchführung in die Umgebungsluft über ...“

Richmann formulierte die Fehlerquellen in kalorimetrischen Experimenten genau, wies auf die Gründe für die Diskrepanz zwischen Krafts Formel und Experiment hin, dh er legte die Grundlagen der Kalorimetrie, obwohl er selbst noch nicht auf den Begriff der Wärmemenge gekommen war. Die Arbeit von Richmann wurde von dem schwedischen Akademiker Johann Wilke (1732-1796) und dem schottischen Chemiker Joseph Black (1728-1799) fortgesetzt. Beide Wissenschaftler, die sich auf Richmanns Formel stützten, hielten es für notwendig, neue Konzepte in die Wissenschaft einzuführen. Wilke untersuchte 1772 die Wärme einer Mischung aus Wasser und Schnee und stellte fest, dass ein Teil der Wärme verschwindet.Von hier aus kam er auf das Konzept der latenten Wärme des schmelzenden Schnees und die Notwendigkeit, ein neues Konzept einzuführen, das später erhielt Namen "Wärmekapazität".

Auch Schwarz kam zu dem gleichen Ergebnis, ohne seine Ergebnisse zu veröffentlichen. Seine Studien wurden erst 1803 veröffentlicht, und dann wurde bekannt, dass Black als erster klar zwischen den Konzepten der Wärmemenge und der Temperatur unterschied und als erster den Begriff "Wärmekapazität" einführte. Bereits 1754-1755 entdeckte Black nicht nur die Konstanz des Schmelzpunktes von Eis, sondern auch, dass das Thermometer trotz Wärmezufuhr auf der gleichen Temperatur bleibt, bis das gesamte Eis geschmolzen ist. Von hier aus kam Black zum Konzept der latenten Schmelzwärme. Später begründete er das Konzept der latenten Verdampfungswärme. So wurden in den 70er Jahren des 18. Jahrhunderts die grundlegenden kalorimetrischen Konzepte etabliert. Erst nach fast hundert Jahren (1852) wurde die Wärmemengeneinheit eingeführt, die später den Namen „Kalorie“ erhielt. Auch Clausius spricht schlicht von der Wärmeeinheit und verzichtet auf den Begriff „Kalorie“.)

1777 bestimmten Lavoisier und Laplace, nachdem sie ein Eiskalorimeter gebaut hatten, die spezifische Wärmekapazität verschiedener Körper. Die aristotelische primäre Qualitätswärme begann, durch die Methode des exakten Experiments untersucht zu werden.

Es gab auch wissenschaftliche Theorien zur Hitze. Das eine, das am weitesten verbreitete Konzept (an dem auch Black festhielt) ist die Theorie eines speziellen thermischen Fluids – kalorisch. Der andere, dessen glühender Anhänger Lomonosov war, betrachtete Wärme als eine Art Bewegung „unempfindlicher Teilchen“. Der Begriff der Kalorik eignete sich sehr gut zur Beschreibung kalorimetrischer Sachverhalte: Die Richmann-Formel und spätere Formeln, die latente Wärmen berücksichtigen, konnten perfekt erklärt werden, so dass die Theorie der Kalorik bis Mitte des 19. Jahrhunderts dominierte Die Entdeckung des Energieerhaltungsgesetzes zwang die Physiker, hundert Jahre vor der Entdeckung dieses Gesetzes zu dem von Lomonosov erfolgreich entwickelten Konzept zurückzukehren.

Die Vorstellung, dass Wärme eine Form der Bewegung ist, war im 17. Jahrhundert weit verbreitet. f. Bacon kommt in The New Organon, indem er seine Methode auf das Studium der Natur der Wärme anwendet, zu dem Schluss, dass "Wärme eine Ausbreitungsbewegung ist, die behindert wird und in kleinen Teilen auftritt". Descartes spricht konkreter und klarer über Wärme als über die Bewegung kleiner Teilchen. In Anbetracht der Natur des Feuers kommt er zu dem Schluss, dass "der Körper der Flamme ... aus kleinsten Partikeln besteht, die sich sehr schnell und heftig getrennt voneinander bewegen". Außerdem weist er darauf hin, dass "nur diese Bewegung, abhängig von den verschiedenen Aktionen, die sie hervorruft, entweder Wärme oder Licht genannt wird". In Bezug auf die übrigen Körper stellt er fest, dass „dass kleine Partikel, die ihre Bewegung nicht stoppen, nicht nur im Feuer vorhanden sind, sondern auch in allen anderen Körpern, obwohl ihre Wirkung bei letzteren nicht so stark ist, sondern aufgrund Aufgrund ihrer geringen Größe können sie selbst von keinem unserer Sinne wahrgenommen werden."

Der Atomismus beherrschte die physikalischen Ansichten von Wissenschaftlern und Denkern des 17. Jahrhunderts. Hooke, Huygens, Newton stellten alle Körper des Universums als aus kleinsten Teilchen bestehend dar, „unempfindlich“, wie Lomonosov sie später kurz nannte. Das Konzept der Wärme als Bewegungsform dieser Teilchen erschien den Wissenschaftlern durchaus plausibel. Aber diese Ideen über Wärme waren qualitativer Natur und entstanden auf einer sehr dürftigen Tatsachenbasis. Im 18. Jahrhundert. die Kenntnis thermischer Phänomene wurde präziser und bestimmter, auch die Chemie machte große Fortschritte, in denen die Phlogiston-Theorie vor der Entdeckung des Sauerstoffs zum Verständnis der Verbrennungs- und Oxidationsvorgänge beitrug. All dies trug zur Assimilation einer neuen Sichtweise auf Wärme als spezielle Substanz bei, und die ersten Erfolge der Kalorimetrie stärkten die Position der Befürworter der Kalorie. Es bedurfte großer wissenschaftlicher Courage, um in dieser Situation die kinetische Theorie der Wärme zu entwickeln.

Die kinetische Theorie der Wärme wurde natürlich mit der kinetischen Theorie der Materie und vor allem der Luft und Dämpfe kombiniert. Gase (das Wort "Gas" wurde von Van Helmont eingeführt; 1577-1644) waren im Wesentlichen noch nicht entdeckt worden, und sogar Lavoisier betrachtete Dampf als eine Kombination aus Wasser und Feuer. Lomonosov selbst, der die Auflösung von Eisen in starkem Wodka (Salpetersäure) beobachtete, überlegte

aus der Luft freigesetzte Stickstoffblasen. So waren Luft und Dampf zur Zeit Lomonossows fast die einzigen Gase – „elastische Flüssigkeiten“, so die damalige Terminologie.

D. Bernoulli stellte sich in seiner "Hydrodynamik" Luft vor, die aus Partikeln besteht, die sich "extrem schnell in verschiedene Richtungen" bewegen, und glaubte, dass diese Partikel eine "elastische Flüssigkeit" bilden. Bernoulli begründete das Boyle-Mariotte-Gesetz mit seinem Modell der „elastischen Flüssigkeit“. Er stellte einen Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit von Teilchen und der Erwärmung von Luft her und erklärte damit die Zunahme der Elastizität von Luft bei Erwärmung. Dies war der erste Versuch in der Geschichte der Physik, das Verhalten von Gasen durch die Bewegung von Molekülen zu interpretieren, ein zweifellos brillanter Versuch, und Bernoulli ging als einer der Begründer der kinetischen Theorie der Gase in die Geschichte der Physik ein.

Sechs Jahre nach der Veröffentlichung von Hydrodynamics präsentierte Lomonosov seine Arbeit Reflections on the Cause of Heat and Cold vor der Akademischen Versammlung. Es wurde nur sechs Jahre später, 1750, zusammen mit einem anderen, späteren Werk, An Experience in the Theory of Air Elasticity, veröffentlicht. So ist Lomonosovs Theorie der Elastizität von Gasen untrennbar mit seiner Wärmetheorie verbunden und stützt sich auf letztere.

Große Aufmerksamkeit widmete D. Bernoulli auch den Fragen der Wärme, insbesondere der Frage der Abhängigkeit der Luftdichte von der Temperatur. Ohne sich auf die Versuche von Amonton zu beschränken, versuchte er selbst, die Abhängigkeit der Luftelastizität von der Temperatur experimentell zu bestimmen. „Ich fand“, schreibt Bernoulli, „dass die Elastizität der Luft, die hier in St. Petersburg am 25. Dezember 1731 sehr kalt war, Art. Art. bezieht sich auf die Elastizität derselben Luft, die Wärme mit kochendem Wasser gemeinsam hat, als 523 zu 1000. Dieser Wert von Bernoulli ist offensichtlich falsch, da er davon ausgeht, dass die Temperatur der kalten Luft -78°C entspricht.

Die oben erwähnten analogen Berechnungen von Lomonosov sind viel genauer. Andererseits ist das Endergebnis von Bernoulli sehr bemerkenswert, dass „die Elastizitäten in einem Verhältnis stehen, das sich aus dem Quadrat der Teilchengeschwindigkeiten und der ersten Potenz der Dichten zusammensetzt“, was der Grundgleichung der kinetischen Theorie vollständig entspricht von Gasen in der modernen Präsentation.

Bernoulli ging überhaupt nicht auf die Frage nach der Natur der Wärme ein, die für Lomonosovs Theorie von zentraler Bedeutung ist. Lomonosov stellt die Hypothese auf, dass Wärme eine Form der Bewegung unempfindlicher Teilchen ist. Er betrachtet die mögliche Natur dieser Bewegungen: translatorisch, rotierend und oszillierend – und stellt fest, dass „Wärme in der inneren Rotationsbewegung gebundener Materie besteht“.

Ausgehend von der Hypothese der Rotationsbewegung von Molekülen als Ursache von Wärme leitet Lomonosov daraus eine Reihe von Konsequenzen ab: 1) Moleküle (Korpuskeln) haben eine Kugelform; 2) „... bei einer schnelleren Rotation der Teilchen gebundener Materie sollte die Wärme zunehmen, und bei einer langsameren Rotation sollte sie abnehmen; 3) Partikel heißer Körper rotieren schneller, kältere - langsamer; 4) heiße Körper müssen gekühlt werden, wenn sie mit einem kalten in Kontakt kommen, da dies die Wärmebewegung von Partikeln verlangsamt; im Gegenteil, kalte Körper sollten sich durch die Beschleunigung der Bewegung beim Kontakt erwärmen. Somit ist der in der Natur beobachtete Wärmeübergang von einem heißen Körper zu einem kalten Körper eine Bestätigung der Hypothese von Lomonosov.

Die Tatsache, dass Lomonosov die Wärmeübertragung als eine der Hauptfolgen herausgegriffen hat, ist sehr bedeutsam, und einige Autoren sehen darin einen Grund, Lomonosov zu den Entdeckern des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik zu zählen. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass der obige Satz als primäre Formulierung des zweiten Hauptsatzes angesehen werden kann, aber das gesamte Werk als Ganzes ist zweifellos der erste Entwurf der Thermodynamik. So erklärt Lomonosov darin die Wärmebildung bei Reibung, die als experimentelle Grundlage für das erste Gesetz in Joules klassischen Experimenten diente. Lomonosov bezieht sich weiter auf die Frage der Wärmeübertragung von einem heißen Körper auf einen kalten und bezieht sich auf den folgenden Satz: „Der Körper A, der auf den Körper B einwirkt, kann diesem keine größere Bewegungsgeschwindigkeit verleihen, als er selbst hat .“ Diese Bestimmung ist ein Sonderfall des „Allgemeinen Naturschutzgesetzes“. Ausgehend von diesem Satz beweist er, dass ein kalter Körper B, der in eine warme Flüssigkeit A eingetaucht ist, „offensichtlich nicht mehr Wärme aufnehmen kann, als L hat“.

Lomonossow verschiebt die Frage der Wärmeausdehnung „auf ein anderes Mal“, bis er die Elastizität der Luft betrachtet. Seine thermodynamischen Arbeiten stehen somit in direktem Zusammenhang mit seinen späteren Arbeiten zur Elastizität von Gasen. In Bezug auf die Absicht, die Betrachtung der Wärmeausdehnung „auf ein anderes Mal“ zu verschieben, weist Lomonosov hier jedoch auch darauf hin, dass, da es keine obere Grenze für die Geschwindigkeit von Teilchen gibt (die Relativitätstheorie gibt es noch nicht!), es eine gibt auch keine Obergrenze für die Temperatur. Aber "es muss notwendigerweise der größte und letzte Kältegrad vorhanden sein, der im vollständigen Aufhören der Rotationsbewegung der Teilchen bestehen muss." Lomonosov behauptet daher die Existenz des "letzten Kältegrades" - des absoluten Nullpunkts.

Abschließend kritisiert Lomonosov die Kalorientheorie, die er als Rückfall in die Idee der Alten über elementares Feuer betrachtet. Lomonosov analysiert verschiedene physikalische und chemische Phänomene im Zusammenhang mit der Freisetzung und Absorption von Wärme und kommt zu dem Schluss, dass „die Wärme von Körpern nicht der Kondensation einer dünnen, speziell konstruierten Materie zugeschrieben werden kann, sondern dass Wärme aus der inneren Rotationsbewegung besteht die gebundene Materie der erhitzten Körper." Unter „gebundener“ Materie versteht Lomonosov die Materie der Körperteilchen und unterscheidet sie von „fließender“ Materie, die „wie ein Fluss“ durch die Poren des Körpers fließen kann.

Gleichzeitig bezieht Lomonossow den Weltäther in sein thermodynamisches System ein, nicht nur seiner Zeit, sondern auch dem 19. Jahrhundert weit voraus. „Daher“, fährt Lomonossow fort, „sagen wir nicht nur, dass solche Bewegung und Wärme auch für diese feinste Materie des Äthers charakteristisch sind, die alle Räume ausfüllt, die keine empfindungsfähigen Körper enthalten, sondern wir behaupten auch, dass die Materie des Äthers dies kann übertragen die von der Sonne empfangene kalorische Bewegung auf unsere Erde und den Rest der Körper der Welt und erwärmen sie, da sie das Medium sind, durch das voneinander entfernte Körper Wärme ohne die Vermittlung von irgendetwas Greifbarem übertragen.

Lange vor Boltzmann, Golitsyn und Wien hat Lomonosov also die Wärmestrahlung in die Thermodynamik aufgenommen. Lomonosovs Thermodynamik ist eine bemerkenswerte Errungenschaft des wissenschaftlichen Denkens des 18. Jahrhunderts, das seiner Zeit weit voraus war.

Es stellt sich die Frage: Warum weigerte sich Lomonosov, die Translationsbewegung von Teilchen als thermische Bewegung zu betrachten, und blieb bei der Rotationsbewegung stehen? Diese Annahme schwächte seine Arbeit erheblich, und die Theorie von D. Bernoulli kam den späteren Studien von Clausius und Maxwell viel näher als die Theorie von Lomonosov. In dieser Hinsicht hatte Lomonosov sehr gründliche Überlegungen. Er musste so widersprüchliche Dinge wie Kohäsion und Elastizität, den Zusammenhalt von Körperteilchen und die Ausdehnungsfähigkeit von Körpern erklären. Lomonosov war ein leidenschaftlicher Gegner von Fernstreitkräften und konnte bei der Betrachtung der molekularen Struktur von Körpern nicht auf sie zurückgreifen. Auch wollte er die Erklärung der Elastizität von Gasen nicht auf elastische Stöße von Teilchen reduzieren, also Elastizität durch Elastizität erklären. Er suchte nach einem Mechanismus, der sowohl Elastizität als auch Wärmeausdehnung auf möglichst natürliche Weise erklären würde. In seiner Arbeit „Erfahrung in der Theorie der Luftelastizität“ lehnt er die Hypothese der Elastizität der Partikel selbst ab, die laut Lomonosov „ohne jegliche physikalische Zusammensetzung und organisierte Struktur ...“ und Atome sind. Daher wird die Elastizitätseigenschaft nicht von einzelnen Partikeln gezeigt, die keine physikalische Komplexität und organisierte Struktur aufweisen, sondern durch eine Kombination von ihnen erzeugt werden. Die Elastizität eines Gases (Luft) ist also laut Lomonosov eine "Eigenschaft des Atomkollektivs". Die Atome selbst, so Lomonosov, „sollten fest sein und eine Ausdehnung haben“, er hält ihre Form für „sehr nahe“ an der Kugel. Das Phänomen der durch Reibung erzeugten Wärme lässt ihn die Hypothese akzeptieren, dass "Luftatome rau sind". Die Tatsache, dass die Luftelastizität proportional zur Dichte ist, führt Lomonosov zu dem Schluss, „dass sie von einer Art direkter Wechselwirkung ihrer Atome herrührt“. Aber Atome können laut Lomonosov nicht aus der Ferne wirken, sondern nur bei Kontakt. Die Kompressibilität der Luft beweist das Vorhandensein leerer Lücken, die es den Atomen unmöglich machen, miteinander zu interagieren. Von hier aus gelangt Lomonosov zu einem dynamischen Bild, wenn die Wechselwirkung von Atomen zeitlich durch die Bildung eines leeren Raums zwischen ihnen ersetzt wird und die räumliche Trennung von Atomen durch Kontakt ersetzt wird. „So ist es offensichtlich, dass die einzelnen Atome der Luft in unmerklichen Zeitabständen in zufälliger Abwechslung mit den nächsten kollidieren, und wenn einige in Kontakt sind, prallen andere voneinander ab und kollidieren mit den ihnen am nächsten stehenden, der Reihe nach wieder abprallen; daher neigen sie, ständig voneinander abgestoßen durch häufige gegenseitige Erschütterungen, dazu, sich in alle Richtungen zu zerstreuen. Lomonosov sieht in dieser Streuung in alle Richtungen Elastizität. "Die Kraft der Elastizität besteht in dem Wunsch der Luft, sich in alle Richtungen auszubreiten."

Es ist jedoch notwendig zu erklären, warum Atome während der Wechselwirkung voneinander abprallen. Der Grund dafür ist laut Lomonosov thermische Bewegung: "Die Wechselwirkung von Luftatomen beruht nur auf Wärme." Und da Wärme in der Rotationsbewegung von Teilchen besteht, genügt es, um ihre Abstoßung zu erklären, zu betrachten, was passiert, wenn zwei rotierende kugelförmige raue Teilchen in Kontakt kommen. Lomonossow zeigt, dass sie sich abstoßen werden, und verdeutlicht dies an einem ihm aus der Kindheit bekannten Beispiel des Abprallens der Kreisel („Hals über Kopf“), das die Jungs aufs Eis lassen. Wenn sich solche Kreisel berühren, prallen sie über beträchtliche Distanzen aneinander ab. Elastische Kollisionen von Atomen sind nach Lomonosov also auf die Wechselwirkung ihrer Rotationsmomente zurückzuführen. Deshalb brauchte er die Hypothese der thermischen Rotationsbewegung von Teilchen! Damit hat Lomonosov das Modell eines elastischen Gases, das aus sich zufällig bewegenden und kollidierenden Teilchen besteht, vollständig untermauert.

Mit diesem Modell konnte Lomonosov nicht nur das Boyle-Mariotte-Gesetz erklären, sondern auch Abweichungen davon bei hohen Kompressionen vorhersagen. Eine Erklärung des Gesetzes und Abweichungen davon gibt Lomonosov in der Arbeit "Addition to Reflections on the Elasticity of Air", die im selben Band der "New Commentaries" der St. Petersburger Akademie der Wissenschaften veröffentlicht wurde, in der zwei vorherige Auch Werke wurden veröffentlicht. In den Werken von Lomonosov finden sich auch falsche Aussagen, die durch den damaligen Wissensstand vollständig erklärt werden. Aber sie bestimmen nicht die Bedeutung der Arbeit des Wissenschaftlers. Es ist unmöglich, den Mut und die Tiefe des wissenschaftlichen Denkens von Lomonosov nicht zu bewundern, der in den Kinderschuhen der Wärmewissenschaft ein mächtiges theoretisches Konzept geschaffen hat, das seiner Ära weit voraus war. Die Zeitgenossen folgten nicht dem Weg von Lomonosov, in der Theorie der Wärme herrschte, wie gesagt wurde, die Wärme, das physikalische Denken des 18. Jahrhunderts erforderte verschiedene Substanzen: thermisch, licht, elektrisch, magnetisch. Dies wird gewöhnlich als die metaphysische Natur des Denkens der Naturforscher des 18. Jahrhunderts angesehen, einige ihrer reaktionären Natur. Aber warum ist es so geworden? Der Grund dafür scheint im Fortschritt der exakten Naturwissenschaft zu liegen. Im 18. Jahrhundert. gelernt, Wärme, Licht, Elektrizität, Magnetismus zu messen. Für alle diese Stoffe wurden Maße gefunden, wie sie vor langer Zeit für gewöhnliche Massen und Volumina gefunden wurden. Diese Tatsache brachte schwerelose Mittel näher an gewöhnliche Massen und Flüssigkeiten und zwang uns, sie als Analoga gewöhnlicher Flüssigkeiten zu betrachten. Das Konzept der „Schwerelosigkeit“ war eine notwendige Stufe in der Entwicklung der Physik, es ermöglichte einen tieferen Einblick in die Welt der thermischen, elektrischen und magnetischen Phänomene. Es trug zur Entwicklung eines genauen Experiments, der Anhäufung zahlreicher Fakten und ihrer primären Interpretation bei.

Fernthermometer

Heute übliche Temperaturmessgeräte spielen wichtige Rolle in Wissenschaft, Technologie, im Alltag der Menschen, haben eine lange Geschichte und sind mit den Namen vieler brillanter Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern verbunden, darunter russische und diejenigen, die in Russland gearbeitet haben.

Eine detaillierte Beschreibung der Entstehungsgeschichte selbst eines gewöhnlichen Flüssigkeitsthermometers kann ein ganzes Buch einnehmen, einschließlich Geschichten über Spezialisten auf verschiedenen Gebieten - Physiker und Chemiker, Philosophen und Astronomen, Mathematiker und Mechaniker, Zoologen und Botaniker, Klimatologen und Glasbläser.

Die folgenden Anmerkungen erheben nicht den Anspruch, die Darstellung dieser sehr unterhaltsamen Geschichte zu vervollständigen, können aber nützlich sein, um das Wissensgebiet und das Gebiet der Technik kennenzulernen, dessen Name Thermometrie ist.

Temperatur

Die Temperatur ist einer der wichtigsten Indikatoren, der in verschiedenen Bereichen der Naturwissenschaft und Technik verwendet wird. In Physik und Chemie wird es als eines der Hauptmerkmale des Gleichgewichtszustandes eines isolierten Systems verwendet, in der Meteorologie – als Hauptmerkmal von Klima und Wetter, in Biologie und Medizin – als wichtigste Größe, die Lebensfunktionen bestimmt.

Schon der antike griechische Philosoph Aristoteles (384–322 v. Chr.) betrachtete die Begriffe Wärme und Kälte als grundlegend. Neben Eigenschaften wie Trockenheit und Feuchtigkeit charakterisierten diese Begriffe die vier Elemente der „Urmaterie“ – Erde, Wasser, Luft und Feuer. Obwohl damals und mehrere Jahrhunderte später bereits über den Grad der Hitze oder Kälte („wärmer“, „heiß“, „kälter“) gesprochen wurde, gab es keine quantitativen Maßangaben.

Vor etwa 2500 Jahren erkannte der altgriechische Arzt Hippokrates (ca. 460 - ca. 370 v. Chr.), dass die erhöhte Temperatur des menschlichen Körpers ein Zeichen von Krankheit ist. Bei der Bestimmung der Normaltemperatur ist ein Problem aufgetreten.

Einer der ersten Versuche, das Konzept einer Standardtemperatur einzuführen, wurde von dem antiken römischen Arzt Galen (129 - ca. 200) unternommen, der vorschlug, dass die Temperatur einer Mischung aus gleichen Volumina kochendem Wasser und Eis als „neutral“ betrachtet werden sollte. , und die Temperaturen einzelner Komponenten (kochendes Wasser und schmelzendes Eis) gelten jeweils als vier Grad warm und vier Grad kalt. Wahrscheinlich verdanken wir die Einführung des Begriffs Galen Temperament(ausgleichen), woraus sich das Wort "Temperatur" ableitet. Die Temperaturmessung begann jedoch erst viel später.

Thermoskop und die ersten Luftthermometer

Die Geschichte der Temperaturmessung hat nur etwas mehr als vier Jahrhunderte. Basierend auf der Fähigkeit der Luft, sich bei Erwärmung auszudehnen, die von den alten byzantinischen Griechen bereits im 2. Jahrhundert v. Chr. beschrieben wurde. BC schufen mehrere Erfinder ein Thermoskop - das einfachste Gerät mit einem mit Wasser gefüllten Glasrohr. Es sollte gesagt werden, dass die Griechen (die ersten Europäer) bereits im 5. Jahrhundert, im 13. Jahrhundert, mit Glas bekannt wurden. Die ersten venezianischen Glasspiegel erschienen im 17. Jahrhundert. Die Glashütte in Europa entwickelte sich ziemlich weit, und 1612 erschien das erste Handbuch "De arte vitraria"(„Über die Glasmacherkunst“) des Florentiner Antonio Neri (gest. 1614).

Die Glasherstellung wurde speziell in Italien entwickelt. Daher ist es nicht verwunderlich, dass dort die ersten Glasinstrumente auftauchten. Die erste Beschreibung des Thermoskops wurde in das Buch des neapolitanischen Naturforschers Giovanni Battista de la Porta (1535-1615) aufgenommen, der sich mit Keramik, Glas, künstlichen Edelsteinen und Destillation beschäftigte. Magia Naturalis("Natürliche Magie"). Die Ausgabe erschien 1558.

In den 1590er Jahren der italienische Physiker, Mechaniker, Mathematiker und Astronom Galileo Galilei (1564-1642) baute laut seinen Schülern Nelli und Viviani in Venedig sein gläsernes Thermobaroskop mit einer Mischung aus Wasser und Alkohol; Messungen konnten mit diesem Instrument durchgeführt werden. Einige Quellen sagen, dass Galileo Wein als farbige Flüssigkeit verwendete. Das Arbeitsmedium war Luft, und Temperaturänderungen wurden durch das Luftvolumen in der Vorrichtung bestimmt. Das Gerät war ungenau, seine Messwerte hingen sowohl von der Temperatur als auch vom Druck ab, aber es erlaubte, die Flüssigkeitssäule durch Ändern des Luftdrucks "fallen zu lassen". Die Beschreibung dieses Geräts wurde 1638 von Galileos Schüler Benadetto Castelli gemacht.

Die enge Kommunikation zwischen Santorio und Galileo macht es unmöglich, den Beitrag jedes einzelnen zu ihren vielen technischen Innovationen zu bestimmen. Santorio ist bekannt für seine Monographie "De-Statica-Medizin"(„On the Medicine of Balance“), das die Ergebnisse seiner experimentellen Forschung enthält und fünf Auflagen standgehalten hat. 1612 Santorio in seiner Arbeit "Commentaria in artem medicalem Galeni"("Anmerkungen zur medizinischen Kunst von Galen") beschrieb zuerst das Luftthermometer. Er benutzte auch ein Thermometer, um die Temperatur des menschlichen Körpers zu messen („Patienten klemmen die Flasche mit den Händen fest, atmen sie verdeckt an, nehmen sie in den Mund“), benutzte ein Pendel, um die Pulsfrequenz zu messen. Seine Methode bestand darin, die Sinkgeschwindigkeit der Thermometeranzeige während zehn Pendelschwingungen festzulegen, sie war von äußeren Bedingungen abhängig und ungenau.

Dem Thermoskop von Galileo ähnliche Instrumente wurden von dem niederländischen Physiker, Alchemisten, Mechaniker, Graveur und Kartografen Cornelis Jacobson Drebbel (1572–1633) und dem englischen Mystiker und medizinischen Philosophen Robert Fludd (1574–1637) hergestellt, die angeblich mit der Arbeit von vertraut waren Florentiner Wissenschaftler. Es war Drebbels Gerät, das zuerst (1636) als "Thermometer" bezeichnet wurde. Es sah aus wie ein U-förmiges Rohr mit zwei Reservoirs. Während er an der Flüssigkeit für sein Thermometer arbeitete, entdeckte Drebbel einen Weg, leuchtende karminrote Farben herzustellen. Fludd wiederum beschrieb das Luftthermometer.

Erste Flüssigkeitsthermometer

Der nächste kleine, aber wichtige Schritt zur Verwandlung des Thermoskops in ein modernes Flüssigkeitsthermometer war die Verwendung einer Flüssigkeit und eines einseitig verschlossenen Glasröhrchens als Arbeitsmedium. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Flüssigkeiten sind kleiner als die von Gasen, aber das Volumen einer Flüssigkeit ändert sich nicht bei einer Änderung des Außendrucks. Dieser Schritt erfolgte um 1654 in den Werkstätten des Großherzogs der Toskana, Ferdinand II. de' Medici (1610-1670).

Inzwischen begannen systematische meteorologische Messungen in verschiedenen europäischen Ländern. Jeder Wissenschaftler verwendete damals seine eigene Temperaturskala, und die uns überlieferten Messergebnisse lassen sich weder miteinander vergleichen noch mit modernen Graden in Verbindung bringen. Das Konzept eines Temperaturgrads und Bezugspunkte der Temperaturskala tauchte offenbar bereits im 17. Jahrhundert in mehreren Ländern auf. Die Meister wendeten 50 Divisionen mit dem Auge an, damit die Alkoholsäule bei der Temperatur des schmelzenden Schnees nicht unter die 10. Division fiel und in der Sonne nicht über die 40. Division stieg.

Einer der ersten Versuche, Thermometer zu kalibrieren und zu standardisieren, wurde im Oktober 1663 in London unternommen. Die Mitglieder der Royal Society einigten sich darauf, eines der Alkoholthermometer des Physikers, Mechanikers, Architekten und Erfinders Robert Hooke (1635–1703) als Standard zu verwenden und die Messwerte anderer Thermometer damit zu vergleichen. Hooke führte ein rotes Pigment in Alkohol ein, die Skala wurde in 500 Teile unterteilt. Er erfand auch das Minima-Thermometer (das die niedrigste Temperatur anzeigt).

Der niederländische theoretische Physiker, Mathematiker, Astronom und Erfinder Christian Huygens (1629–1695) schlug 1665 zusammen mit R. Hooke vor, die Temperaturen von schmelzendem Eis und kochendem Wasser zu verwenden, um eine Temperaturskala zu erstellen. Die ersten verständlichen meteorologischen Aufzeichnungen wurden mit der Hooke-Huygens-Skala aufgezeichnet.

Die erste Beschreibung eines echten Flüssigkeitsthermometers erschien 1667 in der Veröffentlichung der Accademia del Cimento * "Aufsätze über die naturwissenschaftlichen Aktivitäten der Akademie der Experimente". An der Akademie wurden die ersten Experimente auf dem Gebiet der Kalorimetrie durchgeführt und beschrieben. Es wurde gezeigt, dass Wasser unter Vakuum bei einer niedrigeren Temperatur als bei atmosphärischem Druck siedet und sich beim Gefrieren ausdehnt. "Florence-Thermometer" wurden in England (eingeführt von R. Boyle) und in Frankreich (verteilt dank des Astronomen I. Bullo) weit verbreitet. Der Autor der bekannten russischen Monographie „Concepts and Fundamentals of Thermodynamics“ (1970) I. R. Krichevsky glaubt, dass es die Arbeit der Akademie war, die den Grundstein für die Verwendung von Flüssigkeitsthermometern gelegt hat.

Einer der Mitglieder der Akademie, Mathematiker und Physiker Carlo Renaldini (1615–1698) in seinem Essay Philosophia naturalis("Natural Philosophy"), veröffentlicht 1694, schlug vor, die Temperaturen von schmelzendem Eis und kochendem Wasser als Bezugspunkte zu nehmen.

Auch der in Magdeburg geborene Maschinenbauingenieur, Elektroingenieur, Astronom, Erfinder der Luftpumpe Otto von Guericke (1602–1686), der durch seine Erfahrungen mit den Magdeburger Halbkugeln berühmt wurde, befasste sich mit Thermometern. 1672 baute er ein mehrere Meter hohes Wasser-Alkohol-Gerät mit einer Skala, die acht Unterteilungen hatte: von „sehr kalt“ bis „sehr heiß“. Die Dimensionen der Struktur, das muss man zugeben, haben die Thermometrie nicht vorangebracht.

Guerickes Gigantomanie fand drei Jahrhunderte später in den Vereinigten Staaten Anhänger. Das größte Thermometer der Welt, 40,8 m (134 ft) hoch, wurde 1991 gebaut, um an die Rekordtemperatur zu erinnern, die 1913 im kalifornischen Death Valley erreicht wurde: +56,7 °C (134 °F). Ein Drei-Wege-Thermometer befindet sich in der kleinen Stadt Baker in der Nähe von Nevada.

Die ersten weit verbreiteten genauen Thermometer wurden von dem deutschen Physiker Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736) hergestellt. Der Erfinder wurde auf dem Gebiet des heutigen Polens in Danzig (damals Danzig) geboren, verwaiste früh, begann in Amsterdam ein Handelsstudium, beendete sein Studium jedoch nicht und begann, hingerissen von der Physik, Labore und Werkstätten in Amsterdam zu besuchen Deutschland, Holland und England. Seit 1717 lebte er in Holland, wo er eine Glasbläserei hatte und sich mit der Herstellung präziser meteorologischer Instrumente - Barometer, Höhenmesser, Hygrometer und Thermometer - beschäftigte. 1709 baute er ein Alkoholthermometer und 1714 ein Quecksilberthermometer.

Quecksilber erwies sich als sehr bequemes Arbeitsmittel, da es eine linearere Abhängigkeit des Volumens von der Temperatur aufwies als Alkohol, sich viel schneller erhitzte als Alkohol und bei viel höheren Temperaturen verwendet werden konnte. Fahrenheit entwickelte ein neues Verfahren zur Reinigung von Quecksilber und verwendete für Quecksilber einen Zylinder anstelle einer Kugel. Um die Genauigkeit von Thermometern zu verbessern, begann Fahrenheit, der über Glasbläserkenntnisse verfügte, außerdem Glas mit dem niedrigsten Wärmeausdehnungskoeffizienten zu verwenden. Lediglich im Bereich tiefer Temperaturen war Quecksilber (Gefrierpunkt -38,86 °C) dem Alkohol (Gefrierpunkt -114,15 °C) unterlegen.

Seit 1718 hielt Fahrenheit in Amsterdam Vorlesungen über Chemie, 1724 wurde er Mitglied der Royal Society, obwohl er keinen Abschluss erhielt und nur eine Sammlung von Forschungsartikeln veröffentlichte.

Für seine Thermometer verwendete Fahrenheit zunächst eine modifizierte Skala, die vom dänischen Physiker Olaf Römer (1644–1710) übernommen und 1701 vom englischen Mathematiker, Mechaniker, Astronomen und Physiker Isaac Newton (1643–1727) vorgeschlagen wurde.

Newtons eigene anfängliche Versuche, eine Temperaturskala zu entwickeln, erwiesen sich als naiv und wurden fast sofort aufgegeben. Es wurde vorgeschlagen, die Lufttemperatur im Winter und die Temperatur glühender Kohlen als Referenzpunkte zu nehmen. Dann nutzte Newton den Schmelzpunkt von Schnee und die Körpertemperatur eines gesunden Menschen, Leinöl als Arbeitsmedium, und brach die Skala (nach dem Modell von 12 Monaten im Jahr und 12 Stunden am Tag bis Mittag) um 12 Grad ( nach anderen Quellen um 32 Grad). Die Kalibrierung erfolgte in diesem Fall durch Mischen bestimmter Mengen kochendem und frisch aufgetautem Wasser. Aber auch diese Methode war nicht akzeptabel.

Newton war nicht der Erste, der Öl verwendete: Bereits 1688 verwendete der französische Physiker Dalence den Schmelzpunkt von Kuhbutter als Bezugspunkt für die Kalibrierung von Alkoholthermometern. Wenn diese Technik beibehalten worden wäre, hätten Russland und Frankreich unterschiedliche Temperaturskalen gehabt: Sowohl das in Russland übliche Ghee als auch die berühmte Wologda-Butter unterscheiden sich in ihrer Zusammensetzung von europäischen Sorten.

Dem aufmerksamen Römer ist aufgefallen, dass seine Pendeluhren im Sommer langsamer laufen als im Winter und die Skalenteilungen seiner astronomischen Instrumente im Sommer größer sind als im Winter. Um die Genauigkeit der Messungen von Zeit und astronomischen Parametern zu verbessern, war es notwendig, diese Messungen bei denselben Temperaturen durchzuführen und daher ein genaues Thermometer zu haben. Roemer verwendete wie Newton zwei Referenzpunkte: die normale Temperatur des menschlichen Körpers und die Schmelztemperatur von Eis (als Arbeitsflüssigkeit diente angereicherter Rotwein oder eine 40%ige Alkohollösung, die mit Safran in einem 18-Zoll-Röhrchen gefärbt war). Fahrenheit fügte ihnen einen dritten Punkt hinzu, der der tiefsten Temperatur entsprach, die damals in einem Wasser-Eis-Ammoniak-Gemisch erreicht wurde.

Nachdem er mit seinem Quecksilberthermometer eine deutlich höhere Messgenauigkeit erreicht hatte, teilte Fahrenheit jedes Grad von Römer in vier und nahm drei Punkte als Bezugspunkte für seine Temperaturskala: die Temperatur der Salzmischung aus Wasser mit Eis (0 ° F), die Körpertemperatur einer gesunden Person (96 °F) und der Schmelztemperatur von Eis (32 °F), wobei letztere als Kontrolle betrachtet wird.

So schrieb er darüber in einem Artikel, der in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Philosophische Transaktion"(1724,
Bd. 33, p. 78): „... indem wir das Thermometer in eine Mischung aus Ammoniumsalz oder Meersalz, Wasser und Eis tauchen, finden wir einen Punkt auf der Skala, der Null anzeigt. Der zweite Punkt wird erhalten, wenn dieselbe Mischung ohne Salz verwendet wird. Lassen Sie uns diesen Punkt mit 30 bezeichnen. Der dritte Punkt, mit 96 bezeichnet, wird erhalten, wenn das Thermometer in den Mund genommen wird und die Wärme einer gesunden Person empfängt.

Einer Legende nach nahm Fahrenheit die Temperatur, auf die sich die Luft im Winter 1708/09 in seiner Heimatstadt Danzig abkühlte, als niedrigsten Punkt auf der Fahrenheit-Skala an. Man findet auch Aussagen, dass er glaubte, dass ein Mensch bei 0°F an Kälte und an Hitzschlag bei 0°C stirbt
100 °F. Schließlich hieß es, er sei Mitglied der Freimaurerloge mit ihren 32 Initiationsgraden und habe daher den Schmelzpunkt des Eises gleich dieser Zahl angenommen.

Nach einigem Ausprobieren hat Fahrenheit eine sehr komfortable Temperaturskala entwickelt. Es stellte sich heraus, dass der Siedepunkt von Wasser auf der akzeptierten Skala 212 ° F betrug, und der gesamte Temperaturbereich des flüssigen Zustands von Wasser betrug 180 ° F. Der Grund für diese Skala war das Fehlen negativer Grade.

Anschließend fand Fahrenheit nach einer Reihe präziser Messungen heraus, dass der Siedepunkt mit dem atmosphärischen Druck variiert. Dadurch konnte er ein Hypsothermometer herstellen - ein Gerät zur Messung des atmosphärischen Drucks anhand des Siedepunkts von Wasser. Er gehört auch zu den Vorreitern bei der Entdeckung des Phänomens der Unterkühlung von Flüssigkeiten.

Fahrenheits Arbeit markierte den Beginn der Thermometrie und dann der Thermochemie und Thermodynamik. Die Fahrenheit-Skala wurde in vielen Ländern offiziell übernommen (in England seit 1777), nur die normale Temperatur des menschlichen Körpers wurde auf 98,6 ° F korrigiert. Jetzt wird diese Skala nur noch in den USA und Jamaika verwendet, andere Länder im Jahr 1960- 1970er und 1970er Jahre auf die Celsius-Skala umgestellt.

Das Thermometer wurde in die breite medizinische Praxis eingeführt durch den niederländischen Professor für Medizin, Botanik und Chemie, den Gründer einer wissenschaftlichen Klinik, Hermann Boerhaave (1668–1738), seinen Schüler Gerard van Swieten (1700–1772), den österreichischen Arzt Anton de Haen (1704–1776) und unabhängig davon von dem Engländer George Martin.

Der Begründer der Wiener Medizinschule Haen fand heraus, dass die Temperatur eines gesunden Menschen im Laufe des Tages zweimal steigt und fällt. Als Befürworter der Evolutionstheorie erklärte er dies damit, dass die Vorfahren des Menschen – Reptilien, die am Meer lebten – ihre Temperatur entsprechend Ebbe und Flut veränderten. Seine Arbeit geriet jedoch lange Zeit in Vergessenheit.

Martin schrieb in einem seiner Bücher, dass seine Zeitgenossen darüber diskutierten, ob sich die Schmelztemperatur von Eis mit der Höhe ändert, und um die Wahrheit herauszufinden, transportierten sie ein Thermometer von England nach Italien.

Es ist nicht weniger überraschend, dass Wissenschaftler, die auf verschiedenen Wissensgebieten berühmt wurden, sich später für die Messung der Temperatur des menschlichen Körpers interessierten: A. Lavoisier und P. Laplace, J. Dalton und G. Davy, D. Joule und P. Dulong , W. Thomson und A. Becquerel, J. Foucault und G. Helmholtz.

Seitdem sei „viel Quecksilber ausgetreten“. Die fast dreihundertjährige Ära der weit verbreiteten Verwendung von Quecksilberthermometern scheint aufgrund der Toxizität von Flüssigmetall bald zu Ende zu gehen: In europäischen Ländern, in denen die Sicherheit der Menschen immer wichtiger wird, wurden Gesetze zur Einschränkung und zum Verbot erlassen die Herstellung solcher Thermometer.

* 1657 in Florenz von Schülern von Galileo unter der Schirmherrschaft von Ferdinand II. Medici und seinem Bruder Leopoldo gegründet, bestand die Accademia del Cimento nicht lange, sondern wurde zum Prototyp der Royal Society, der Pariser Akademie der Wissenschaften und anderer europäischer Akademien. Sie wurde für Propaganda konzipiert wissenschaftliches Wissen und Ausweitung kollektiver Aktivitäten für ihre Entwicklung.

Gedruckt mit einer Fortsetzung

Temperaturskalen. Es gibt mehrere abgestufte Temperaturskalen und in der Regel werden die Gefrier- und Siedepunkte von Wasser als Bezugspunkte genommen. Heute ist die Celsius-Skala die weltweit gebräuchlichste. 1742 schlug der schwedische Astronom Anders Celsius eine 100-Grad-Thermometerskala vor, bei der 0 Grad der Siedepunkt von Wasser bei normalem Atmosphärendruck und 100 Grad die Schmelztemperatur von Eis ist. Die Teilung der Skala beträgt 1/100 dieser Differenz. Als sie anfingen, Thermometer zu verwenden, stellte sich heraus, dass es bequemer war, 0 und 100 Grad zu vertauschen. Vielleicht war Carl von Linné daran beteiligt (er lehrte Medizin und Naturwissenschaften an derselben Universität von Uppsala, wo Celsius Astronomie ist), der bereits 1838 vorschlug, den Schmelzpunkt von Eis als 0-Temperatur zu nehmen, aber nicht an den zweiten zu denken schien Anhaltspunkt. Bis heute hat sich die Celsius-Skala etwas geändert: 0 °C wird immer noch als Schmelztemperatur von Eis bei Normaldruck angenommen, was nicht wirklich vom Druck abhängt. Aber der Siedepunkt von Wasser bei atmosphärischem Druck beträgt jetzt 99 975 ° C, was die Messgenauigkeit fast aller Thermometer mit Ausnahme von speziellen Präzisionsthermometern nicht beeinträchtigt. Bekannt sind auch die Fahrenheit-Temperaturskalen von Kelvin Reaumur ua Die Fahrenheit-Temperaturskala (in der zweiten seit 1714 angenommenen Fassung) hat drei Fixpunkte: 0° entsprach der Temperatur der Mischung aus Eiswasser und Ammoniak 96° – des Körpers Körpertemperatur eines gesunden Menschen (unter dem Arm oder im Mund). Als Kontrolltemperatur für den Vergleich verschiedener Thermometer wurde der Wert von 32° für den Schmelzpunkt von Eis genommen. Die Fahrenheit-Skala ist im angelsächsischen Raum weit verbreitet, wird aber in der wissenschaftlichen Literatur kaum verwendet. Um die Celsius-Temperatur (°С) in die Fahrenheit-Temperatur (°F) umzurechnen, gibt es eine Formel °F = (9/5)°C + 32 und für die umgekehrte Umwandlung - die Formel °C = (5/9) (°F -32). Beide Skalen – sowohl Fahrenheit als auch Celsius – sind sehr unpraktisch, wenn Experimente unter Bedingungen durchgeführt werden, bei denen die Temperatur unter den Gefrierpunkt von Wasser fällt und als negative Zahl ausgedrückt wird. Für solche Fälle wurden absolute Temperaturskalen eingeführt, die auf einer Extrapolation zum sogenannten absoluten Nullpunkt beruhen – dem Punkt, an dem die molekulare Bewegung aufhören muss. Eine davon wird Rankin-Skala genannt und die andere heißt absolute thermodynamische Skala; Temperaturen werden in Grad Rankine (°Ra) und Kelvin (K) gemessen. Beide Skalen beginnen beim absoluten Nullpunkt und der Gefrierpunkt von Wasser liegt bei 491 7° R und 273 16 K. Die Anzahl Grad und Kelvin zwischen dem Gefrier- und Siedepunkt von Wasser auf der Celsius-Skala und der absoluten thermodynamischen Skala ist gleich und gleich 100; für die Fahrenheit- und Rankine-Skalen ist es ebenfalls gleich, aber gleich 180. Celsius-Grade werden mit der Formel K \u003d ° C + 273 16 in Kelvin und Grad Fahrenheit mit der Formel ° R \u003d ° in Rankine-Grad umgerechnet F + 459 7. ist in Europa seit langem eine gebräuchliche Réaumur-Skala, die 1730 von René Antoine de Réaumur eingeführt wurde. Sie ist nicht willkürlich wie die Fahrenheit-Skala aufgebaut, sondern entsprechend der Wärmeausdehnung von Alkohol (bezogen auf 1000:1080). 1 Grad Réaumur entspricht 1/80 des Temperaturintervalls zwischen dem Schmelzpunkt von Eis (0°R) und dem Siedepunkt von Wasser (80°R), d.h. 1°R = 1,25°C 1°C = 0,8° R. ist aber jetzt außer gebrauch.