Ja tiesitkö, että...

Testasiko ruotsalainen tiedemies A. Celsius lämpötila-asteikon? ”Toistin kokeita kahden vuoden ajan eri säällä ja löysin aina täsmälleen saman pisteen lämpömittarista. Laitoin lämpömittarin paitsi sulavan jään sisään myös lumeen, kun se alkoi sulaa. Laitoin myös sulavan lumen kattilan lämpömittarin kanssa lämmityskiukaan ja aina huomasin, että lämpömittari näytti samaa pistettä, jos vain lumi oli tiukasti lämpömittaripallon ympärillä. Näin A. Celsius kuvaili kokeidensa tuloksia 1700-luvulla.

Siellä on hyvin sulavaa metallista ainetta - Puun seos? Jos kaadat siitä teelusikallisen, niin lasissa kuumaa teetä se sulaa ja valuu lasin pohjalle!

Onko Maan korkeimman kohdan Mount Everestin huipulla ilmanpaine kolme kertaa normaalia pienempi? Tässä paineessa vesi kiehuu vain 70 °C:n lämpötilassa? Tällaisessa "kiehuvassa vedessä" ei edes teetä voi keittää kunnolla.

Kun otat kuumaa kattilaa liedeltä, tarvitseeko käyttää vain kuivaa riepua tai lapasta? Jos ne ovat märkiä, voit saada palovamman, koska vesi johtaa lämpöä 25 kertaa nopeammin kuin ilma kankaan karvojen välissä.

Jos hiilellä tai polttopuulla olisi sama hyvä lämmönjohtavuus kuin metalleilla, niin niitä olisi yksinkertaisesti mahdotonta sytyttää? Niihin syötetty lämpö (esimerkiksi tulitikkusta) siirtyisi erittäin nopeasti materiaalin paksuuteen eikä lämmittäisi sytytettyä osaa syttymislämpötilaan.

Matkallaan maan päälle auringonsäteet kulkevat avaruuden tyhjiön läpi valtavan matkan - 150 miljoonaa kilometriä? Ja tästä huolimatta jokaista maanpinnan neliömetriä kohti putoaa energiavirta, jonka teho on ≈ 1 kW. Jos tämä energia "putoaisi" kattilaan, se kiehuisi vain 10 minuutissa!

Jos ihminen näkisi lämpösäteilyä, niin pimeään huoneeseen joutuessaan hän näkisi paljon mielenkiintoisia asioita: kirkkaasti loistavia putkia ja lämpöpattereita, joita ympäröivät kevyet käämittävät lämpimän ilman virrat? Samat virrat olisivat olleet musiikkikeskuksen, television yläpuolella.

Pidettiinkö pakasteita 1800-luvulla toivottoman pilaantuneena? Ja vain elintarvikehuollon vaikeudet, joista tuli este suurten kaupunkien kehitykselle, pakottivat voittamaan ennakkoluulot. AT myöhään XIX- 1900-luvun alussa monissa maissa annettiin lakeja, joissa määrättiin erikoisrakenteiden - jääkaappien - rakentamisesta.

Lämpöpumput, joiden avulla voit säätää ilman lämpötilaa ja kosteutta - ilmastointilaitteet - otettiin käyttöön jo viime vuosisadan alussa? 1920-luvulta lähtien niitä on asennettu ruuhkaisiin rakennuksiin ja tiloihin: teattereihin, hotelleihin, ravintoloihin.

Lämpömittari

Lämpömittari (kreikkalainen θέρμη - lämpö; μετρέω - mittaan) - laite ilman, maaperän, veden ja niin edelleen lämpötilan mittaamiseen. Lämpömittareita on useita tyyppejä:nestettä; mekaaninen; elektroninen; optinen; kaasua; infrapuna.

Galileota pidetään lämpömittarin keksijänä: hänen omissa kirjoituksissaan ei ole kuvausta tästä laitteesta, mutta hänen oppilaansa Nelly ja Viviani todistivat, että hän teki jo vuonna 1597 jotain termobaroskoopin (termoskoopin) kaltaista. Galileo tutki tällä hetkellä Aleksandrian Heronin työtä, joka kuvasi jo samanlaisen laitteen, mutta ei lämpöasteiden mittaamiseen, vaan veden nostamiseen lämmittämällä. Termoskooppi oli pieni lasipallo, johon oli juotettu lasiputki. Palloa kuumennettiin hieman ja putken pää laskettiin vesiastiaan. Jonkin ajan kuluttua pallossa oleva ilma jäähtyi, sen paine laski ja vesi ilmakehän paineen vaikutuksesta nousi putkessa tiettyyn korkeuteen. Myöhemmin lämpenemisen myötä pallon ilmanpaine nousi ja putken veden taso laski, jäähtyessään siinä oleva vesi nousi. Termoskoopin avulla oli mahdollista arvioida vain kehon kuumennusasteen muutoksesta: se ei näyttänyt lämpötilan numeerisia arvoja, koska sillä ei ollut asteikkoa. Lisäksi veden taso putkessa ei riippunut vain lämpötilasta, vaan myös ilmanpaineesta. Vuonna 1657 firenzeläiset tutkijat paransivat Galileon termoskooppia. He varustivat instrumentin helmien asteikolla ja vuotivat ilman säiliöstä (pallosta) ja putkesta. Tämä mahdollisti paitsi laadullisen, myös kvantitatiivisen kappaleiden lämpötilojen vertailun. Myöhemmin termoskooppi vaihdettiin: se käännettiin ylösalaisin ja putkeen kaadettiin konjakkia veden sijaan ja astia poistettiin. Tämän instrumentin toiminta perustui kappaleiden laajenemiseen, kuumimman kesäpäivän ja kylmimmän talvipäivän lämpötilat otettiin "pysyviksi" pisteiksi. Kaikki nämä lämpömittarit olivat ilmaa ja koostuivat astiasta, jossa oli ilmaa sisältävä putki, joka oli erotettu ilmakehästä vesipatsaalla, ja ne muuttivat lukemiaan sekä lämpötilan muutoksista että ilmanpaineen muutoksista.

Nestelämpömittarit on kuvattu ensimmäisen kerran vuonna 1667 "Saggi di naturale esperienze fatte nell'Accademia del Cimento", jossa niitä kutsutaan pitkään taitavien käsityöläisten valmistamiksi esineiksi, nimeltään "Confia", jotka lämmittävät lasia lämmitetyssä lampun tulessa ja tehdä siitä upeita ja erittäin herkkiä tuotteita. Aluksi nämä lämpömittarit olivat täynnä vettä, mutta ne räjähtivät, kun se jäätyi; he alkoivat käyttää tähän viiniviiniä vuonna 1654 Toscanan suurherttua Ferdinand II:n idean mukaan. Firenzenlämpömittarit ovat säilyneet useita kopioita meidän aikanamme Firenzen Galilean museossa; niiden valmistus on kuvattu yksityiskohtaisesti.

Ensin mestari joutui tekemään jaot putkeen ottaen huomioon sen suhteelliset mitat ja pallon koko: jaot tehtiin sulatetulla emalilla lampulla lämmitetylle putkelle, joka kymmenes osoitettiin valkoisella pisteellä ja toiset mustalla. . Yleensä tehtiin 50 jakoa siten, että lumen sulaessa alkoholi ei laskenut alle 10:n, eikä auringossa noussut yli 40:n. Hyvät käsityöläiset tekivät sellaiset lämpömittarit niin menestyksekkäästi, että ne kaikki näyttivät samaa lämpötila-arvoa alla. samat olosuhteet, mutta tätä ei ollut mahdollista saavuttaa, jos putki jaettiin 100 tai 300 osaan suuremman tarkkuuden saavuttamiseksi. Lämpömittarit täytettiin kuumentamalla sipulia ja laskemalla putken pää alkoholiin, täyttö tehtiin ohuesti vedetystä lasisuppilosta, joka meni vapaasti melko leveään putkeen. Nesteen määrän säätämisen jälkeen putken aukko suljettiin tiivistevahalla, jota kutsutaan "hermeettiseksi". Tästä on selvää, että nämä lämpömittarit olivat suuria ja pystyivät mittaamaan ilman lämpötilaa, mutta ne olivat silti epämukavia muihin, monipuolisempiin kokeisiin, eivätkä eri lämpömittareiden asteet olleet vertailukelpoisia keskenään.

Galileo lämpömittari

Vuonna 1703 Amonton (Guillaume Amontons) Pariisissa paransi ilmalämpömittaria mittaamalla ilman laajenemista, vaan kimmoisuuden kasvua, joka vähennettiin samaan tilavuuteen eri lämpötiloissa kaatamalla elohopeaa avoimeen polveen; ilmanpaine ja sen muutokset otettiin huomioon. Tällaisen asteikon nollapisteen piti olla "se merkittävä kylmyysaste", jossa ilma menettää kaiken kimmoisuutensa (eli nykyajan absoluuttinen nolla), ja toinen vakiopiste oli veden kiehumispiste. Amonton ei vielä tiennyt ilmanpaineen vaikutusta kiehumispisteeseen, eikä hänen lämpömittarinsa ilma vapautettu vesikaasuista; siksi hänen tiedoistaan ​​​​absoluuttinen nollapiste saadaan -239,5 celsiusasteessa. Toinen erittäin epätäydellisesti tehty Amonton-ilmalämpömittari oli riippumaton ilmanpaineen muutoksista: se oli sifonibarometri, jonka avoin polvi oli pidennetty ylöspäin, täytetty alhaalta vahvalla potaskaliuoksella, ylhäältä öljyllä ja päättynyt suljettu ilmasäiliö.

Lämpömittarin nykyaikaisen muodon antoi Fahrenheit ja kuvasi valmistusmenetelmänsä vuonna 1723. Aluksi hän myös täytti putkinsa alkoholilla ja vasta lopulta siirtyi elohopeaan. Hän asetti asteikansa nollan lumen ja ammoniakin tai ruokasuolan seoksen lämpötilaan, "veden jäätymisen alun" lämpötilaan, jonka hän osoitti, 32 ° ja terveen ihmisen ruumiinlämpöä suussa tai käsivarren alla vastasi 96°. Myöhemmin hän havaitsi, että vesi kiehuu 212°:ssa ja tämä lämpötila oli aina sama barometrin samassa tilassa. Fahrenheit-lämpömittareiden säilyneet kopiot erottuvat huolellisesta valmistuksestaan.

Elohopealämpömittari Fahrenheit-asteikolla

Ruotsalainen tähtitieteilijä, geologi ja meteorologi Anders Celsius asetti lopulta molemmat pysyvät pisteet, sulavan jään ja kiehuvan veden, vuonna 1742. Mutta aluksi hän asetti 0° kiehumispisteeseen ja 100° jäätymispisteeseen. Teoksessaan Havaintoja kahden pysyvän asteen lämpömittarilla, Celsius puhui kokeistaan, jotka osoittivat, että jään sulamispiste (100 °) ei riipu paineesta. Hän myös määritti hämmästyttävällä tarkkuudella, kuinka veden kiehumispiste vaihteli ilmakehän paineen mukaan. Hän ehdotti, että 0-merkki (veden kiehumispiste) voitaisiin kalibroida, tietää, millä tasolla mereen nähden lämpömittari on.

Myöhemmin, Celsiuksen kuoleman jälkeen, hänen aikalaisensa ja maanmiehensä, kasvitieteilijä Carl Linnaeus ja tähtitieteilijä Morten Strömer, käyttivät tätä asteikkoa ylösalaisin (0 °:ssa he alkoivat ottaa jään sulamispiste ja 100 ° - kiehumispiste vedestä). Tässä muodossa mittakaava osoittautui erittäin käteväksi, yleistyi ja sitä käytetään tähän päivään asti.

Nestelämpömittarit perustuvat siihen periaatteeseen, että lämpömittariin kaadettavan nesteen (yleensä alkoholin tai elohopean) tilavuutta muutetaan ympäristön lämpötilan muuttuessa. Elohopean käytön kieltämisen yhteydessä sen terveyshaittojen vuoksi monilla alueilla toiminnassa etsitään vaihtoehtoisia täytteitä kotitalouksien lämpömittareille. Esimerkiksi galinstan-seoksesta voi tulla tällainen korvaava. Myös muun tyyppisiä lämpömittareita käytetään yhä enemmän.

Mercury lääketieteellinen lämpömittari

Tämän tyyppiset mekaaniset lämpömittarit toimivat samalla periaatteella kuin nestelämpömittarit, mutta anturina käytetään yleensä metallispiraalia tai bimetalliteippiä.

Ikkunan mekaaninen lämpömittari

On myös elektronisia lämpömittareita. Elektronisten lämpömittareiden toimintaperiaate perustuu johtimen resistanssin muutokseen ympäristön lämpötilan muuttuessa. Laajemman valikoiman elektroniset lämpömittarit perustuvat termopareihin (kosketus eri metallien välillä elektronegatiivisuus luo kosketuspotentiaalieron lämpötilasta riippuen). Tarkimmat ja ajan mittaan vakaimmat ovat platinalangasta tai keramiikkaa sputteroinnista valmistetut vastuslämpömittarit. Yleisimmät ovat PT100 (vastus 0 °C - 100 Ω) PT1000 (vastus 0 °C - 1000 Ω) (IEC751). Riippuvuus lämpötilasta on lähes lineaarinen ja noudattaa positiivisissa lämpötiloissa toisen asteen lakia ja negatiivisissa 4. asteen yhtälöä (vastaavat vakiot ovat hyvin pieniä, ja ensimmäisessä approksimaatiossa tätä riippuvuutta voidaan pitää lineaarisena). Lämpötila-alue -200 - +850 °C.

Lääketieteellinen elektroninen lämpömittari

Optisten lämpömittareiden avulla voit tallentaa lämpötilan valoisuuden tason, spektrin ja muiden parametrien muutoksesta lämpötilan muuttuessa. Esimerkiksi infrapuna-kehonlämpömittarit. Infrapunalämpömittarin avulla voit mitata lämpötilaa ilman suoraa kosketusta henkilöön. Joissakin maissa on jo pitkään ollut taipumus luopua elohopealämpömittareista infrapunan hyväksi, ei vain lääketieteellisissä laitoksissa, vaan myös kotitalouksien tasolla.

Infrapuna lämpömittari

Jos 1700-luvun mekaniikasta tulee kypsä, täysin määritelty luonnontieteiden alue, lämpötiede on oleellisesti vasta ensimmäisiä askeleitaan. Tietenkin uusi lähestymistapa lämpöilmiöiden tutkimukseen syntyi jo 1600-luvulla. Galileon termoskooppi ja häntä seuranneiden firenzeläisten akateemikkojen, Guericken ja Newtonin lämpömittarit valmistivat alustan, jolle lämpömittari kasvoi jo uuden vuosisadan ensimmäisellä neljänneksellä. Lämpömittarit Fahrenheit, Delisle, Lomonosov, Réaumur ja Celsius, jotka eroavat toisistaan ​​suunnitteluominaisuuksiltaan, määrittelivät samalla lämpömittarin tyypin kahdella vakiopisteellä, joka hyväksytään edelleen.

Jo vuonna 1703 pariisilainen akateemikko Amonton (1663-1705) suunnitteli kaasulämpömittarin, jossa lämpötila määritettiin manometrisellä putkella, joka oli liitetty vakiotilavuuksiseen kaasusäiliöön. Teoreettisesti mielenkiintoinen laite, nykyaikaisten vetylämpömittarien prototyyppi, oli käytännön tarkoituksiin hankala. Danzigin (Gdansk) lasinpuhaltaja Fahrenheit (1686-1736) vuodelta 1709 valmisti alkoholilämpömittareita kiinteillä pisteillä. Vuodesta 1714 lähtien hän alkoi valmistaa elohopealämpömittareita. Fahrenheit otti veden jäätymispisteeksi 32° ja veden kiehumispisteeksi 212°. Fahrenheit otti veden, jään ja ammoniakin tai tavallisen suolan seoksen jäätymispisteen nollaksi. Hän nimesi veden kiehumispisteen vain vuonna 1724 painetussa julkaisussa. Ei tiedetä, käyttikö hän sitä aiemmin.

Ranskalainen eläintieteilijä ja metallurgi Réaumur (1683-1757) ehdotti lämpömittaria, jossa on vakio nollapiste, jota hän piti veden jäätymispisteenä. Käyttäen lämpömittarina 80-prosenttista alkoholiliuosta ja lopullisessa versiossa elohopeaa, hän otti veden kiehumispisteen toiseksi vakiopisteeksi ja antoi sille numeron 80. Réaumur kuvaili lämpömittariaan lehdessä julkaistuissa artikkeleissa. Pariisin tiedeakatemian vuonna 1730, 1731 gg.

Réaumurin lämpömittarin testasi ruotsalainen tähtitieteilijä Celsius (1701-1744), joka kuvaili kokeitaan vuonna 1742. täsmälleen samassa pisteessä lämpömittarissa. Laitoin lämpömittarin paitsi sulavan jään sisään, myös äärimmäinen kylmä toi lunta huoneeseeni tulelle, kunnes se alkoi sulaa. Laitoin myös sulavan lumen kattilan lämpömittarin kanssa palavaan uuniin ja aina huomasin, että lämpömittari näytti samaa pistettä, jos vain lumi oli tiukasti lämpömittaripallon ympärillä. Tarkastettuaan huolellisesti jään sulamispisteen vakion, Celsius tutki veden kiehumispisteen ja totesi, että se riippuu paineesta. Tutkimuksen tuloksena ilmestyi uusi lämpömittari, joka tunnetaan nykyään nimellä Celsius-lämpömittari. Celsius otti jään sulamispisteeksi 100, veden kiehumispisteeksi 25 tuuman paineessa 3 elohopeaviivaa 0:ksi. Kuuluisa ruotsalainen kasvitieteilijä Carl Linnaeus (1707-1788) käytti lämpömittaria, jonka vakiopistearvot järjestettiin uudelleen. O tarkoitti jään sulamispistettä, 100 veden kiehumispistettä. Siten nykyaikainen Celsius-asteikko on olennaisesti Linnaen asteikko.

Pietarin tiedeakatemiassa akateemikko Delisle ehdotti asteikkoa, jossa jään sulamispisteeksi otettiin 150 ja veden kiehumispisteeksi 0. Akateemikko PS Pallas hänen tutkimusmatkoillaan 1768-1774. Uralilla ja Siperiassa hän käytti Delhin lämpömittaria. M.V. Lomonosov käytti tutkimuksessaan suunnittelemaansa lämpömittaria, jonka asteikko oli käänteinen Deliverialle.

Lämpömittareita käytettiin pääasiassa meteorologisiin ja geofysikaalisiin tarkoituksiin. Lomonosov, joka havaitsi pystysuuntaisten virtojen olemassaolon ilmakehässä tutkimalla ilmakehän kerrosten tiheyden riippuvuutta lämpötilasta, lainaa tietoja, joista on mahdollista määrittää ilman tilavuuslaajenemiskerroin, joka näiden tietojen mukaan on noin ]/367. Lomonosov puolusti kiihkeästi Pietarin akateemikko Brownin etusijaa elohopean jäätymispisteen löytämisessä. Hän 14. joulukuuta 1759 ensin jäädytti elohopean jäähdytysseosten avulla. Tämä oli alin saavutettu lämpötila siihen mennessä.

Korkeimmat lämpötilat (ilman kvantitatiivisia arvioita) saivat vuonna 1772 Pariisin tiedeakatemian komitean kuuluisan kemistin Lavoisier'n johdolla. Korkeat lämpötilat saatiin käyttämällä erityisesti valmistettua linssiä. Linssi koottiin kahdesta kovera-kupera linssistä, joiden välinen tila täytettiin alkoholilla. Linssiin, jonka halkaisija oli 120 cm, kaadettiin noin 130 litraa alkoholia, jonka keskipaksuus oli 16 cm. Auringon säteet keskittämällä oli mahdollista sulattaa sinkkiä, kultaa ja polttaa timanttia. Kuten Brown-Lomonosovin kokeissa, joissa "jääkaappi" oli talviilma, niin Lavoisierin kokeissa luonnollinen "uuni" - aurinko - toimi korkeiden lämpötilojen lähteenä.

Lämpömetrian kehitys oli ensimmäinen tieteellinen ja käytännöllinen kappaleiden lämpölaajenemisen käyttö. Luonnollisesti itse lämpölaajenemisilmiötä alettiin tutkia paitsi laadullisesti, myös kvantitatiivisesti.Ensimmäiset tarkat mittaukset kiinteiden aineiden lämpölaajenemisesta tekivät Lavoisier ja Laplace vuonna 1782. Heidän menetelmänsä pitkä aika kuvattiin fysiikan kursseilla alkaen Biotin kurssista vuonna 1819 ja päättyen O. D. Khvolsonin fysiikan kurssille, 1923.

Suikale testikappaleesta asetettiin ensin sulavaan jäähän ja sitten kiehuvaan veteen. Tuloksia saatiin eri laatuisista lasista, teräksestä ja raudasta sekä eri kulta-, kupari-, messinki-, hopea-, tina- ja lyijylajeista.Tutkijat ovat havainneet, että tulokset vaihtelevat metallin valmistustavasta riippuen. Karkaisematon teräsnauha kasvaa 0,001079 alkuperäisestä pituudestaan ​​kuumennettaessa 100 °:lla ja karkaistu teräsnauha - 0,001239. Takoraudalle saatiin arvo 0,001220 ja pyöreävedetyn raudan arvoksi 0,001235. Nämä tiedot antavat käsityksen menetelmän tarkkuudesta.

Joten jo 1700-luvun ensimmäisellä puoliskolla luotiin lämpömittareita ja aloitettiin kvantitatiiviset lämpömittaukset, jotka saatiin korkeaan tarkkuuteen Laplacen ja Lavoisierin lämpöfysikaalisissa kokeissa. Lämpöfysiikan kvantitatiiviset peruskäsitteet eivät kuitenkaan kiteytyneet heti. Tuon ajan fyysikkojen teoksissa oli huomattavaa sekaannusta sellaisissa käsitteissä kuin "lämmön määrä", "lämpöaste", "lämpöaste". I.G. Lambert (1728-1777) korosti tarpeen erottaa lämpötilan ja lämmön määrän käsitteet toisistaan ​​vuonna 1755. Aikalaiset eivät kuitenkaan arvostaneet hänen ohjeitaan, ja oikeiden käsitteiden kehittyminen oli hidasta.

Ensimmäiset kalorimetrian lähestymistavat sisältyvät Pietarin akateemikkojen GV Kraftin ja GV Rikhmanin (1711-1753) teoksiin. Kraftin artikkeli "Various Experiments with Heat and Cold", joka esiteltiin Akatemian konferenssille vuonna 1744 ja julkaistiin vuonna 1751, käsittelee ongelmaa kahden eri lämpötiloissa otetun nesteannoksen seoksen lämpötilan määrittämisessä. Tätä ongelmaa kutsuttiin oppikirjoissa usein "Richmann-ongelmaksi", vaikka Richman ratkaisi yleisemmän ja monimutkaisemman ongelman kuin Kraft. Kraft antoi virheellisen empiirisen kaavan ongelman ratkaisemiseksi.

Löydämme Richmannilta täysin erilaisen lähestymistavan ongelman ratkaisemiseen. Vuonna 1750 julkaistussa artikkelissa "Reflections on the the volume, that should be Before the Sekoittelemassa nesteitä, joilla on tietyt lämpöasteet" Richmann esittää ongelman useiden (eikä kahden, kuten Kraftin) seoksen lämpötilan määrittämisessä. nesteitä ja ratkaisee sen lämpötasapainoperiaatteella. "Oletetaan", sanoo Richman, "että nesteen massa on a; tähän massaan jakautunut lämpö on yhtä suuri kuin m; toinen massa, jossa sama lämpö m täytyy jakautua kuin massassa a, olkoon se yhtä suuri kuin a + b. Sitten tuloksena oleva lämpö

on yhtä suuri kuin am/(a+b). Tässä Richmann tarkoittaa lämpötilaa "lämmöllä", mutta periaate, jonka hän muotoili, että "sama lämpö on kääntäen verrannollinen massoihin, joihin se jakautuu" on puhtaasti kalorimetrinen. "Näin", Richmann kirjoittaa edelleen, "massan a lämpö, ​​joka on yhtä suuri kuin m, ja massan b lämpö, ​​joka on yhtä suuri kuin n, jakautuvat tasaisesti massaan a + b, ja lämpö tässä massassa, ts. a:n ja b:n seoksen on oltava yhtä suuri kuin massassa a + b jakautuneiden lämpöjen m + n summa tai yhtä suuri kuin (ma + nb) / (a ​​+ b) . Juuri tämä kaava esiintyi oppikirjoissa "Richmannin kaavana". "Saakseen yleisemmän kaavan", Richmann jatkaa, "jolla olisi mahdollista määrittää lämpöaste, kun sekoitetaan 3, 4, 5 jne. massaa samaa nestettä, joilla on eri lämpöaste, ns. nämä massat a, b, c, d, e jne. ja vastaavat lämmöt ovat m, p, o, p, q jne. Täsmälleen samalla tavalla oletin, että jokainen niistä on jakautunut kokonaisuuteen kaikki massat. Tämän seurauksena "lämpö kaikkien lämpimien massojen sekoittamisen jälkeen on yhtä suuri:

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

eli nestemassojen summa, joille sekoitettaessa yksittäisten massojen lämpö jakautuu tasaisesti, liittyy kunkin massan kaikkien tuotteiden ja sen lämmön summaan samalla tavalla kuin yksikkö seoksen lämmön kanssa.

Richmann ei vielä hallinnut lämmön määrän käsitettä, mutta hän kirjoitti ja perusteli loogisesti täysin oikean kalorimetrisen kaavan ja huomasi helposti, että hänen kaavansa sopii paremmin kokemukseen kuin Krafgin kaava. Hän totesi oikein, että hänen "lämmönsä" "ei ole todellista lämpöä, vaan seoksen ylimääräistä lämpöä verrattuna nollaan Fahrenheit-asteeseen". Hän ymmärsi selvästi, että: 1. "Seoksen lämpö ei jakaannu pelkästään sen massaan, vaan myös astian seinämille ja itse lämpömittarille." 2. "Lämpömittarin sisäinen lämpö ja astian lämpö jakautuvat sekä seokselle että sen astian seinille, jossa seos sijaitsee, ja lämpömittaria pitkin." 3. "Osa seoksen lämmöstä siirtyy kokeen aikana ympäröivään ilmaan..."

Richmann muotoili tarkasti kalorimetristen kokeiden virhelähteet, osoitti syyt Kraftin kaavan ja kokeen väliseen ristiriitaisuuteen, eli hän loi kalorimetrian perustan, vaikka hän itse ei ollut vielä päässyt lämmön määrän käsitteeseen. Richmannin työtä jatkoivat ruotsalainen akateemikko Johann Wilke (1732-1796) ja skotlantilainen kemisti Joseph Black (1728-1799). Molemmat tutkijat luottivat Richmannin kaavaan ja pitivät tarpeellisena tuoda tieteeseen uusia käsitteitä. Wilke, tutkiessaan veden ja lumen seoksen lämpöä vuonna 1772, havaitsi, että osa lämmöstä katoaa. Sieltä hän päätyi lumen sulamisen piilevän lämmön käsitteeseen ja tarpeeseen ottaa käyttöön uusi käsite, joka myöhemmin sai nimi "lämpökapasiteetti".

Myös Black tuli samaan johtopäätökseen julkaisematta tuloksiaan. Hänen tutkimuksensa julkaistiin vasta vuonna 1803, ja sitten tuli tiedoksi, että Black oli ensimmäinen, joka erotti selkeästi lämmön määrän ja lämpötilan käsitteet, ensimmäinen, joka otti käyttöön termin "lämpökapasiteetti". Vuosina 1754-1755 Black havaitsi paitsi jään sulamispisteen pysyvyyden, myös sen, että lämpömittari pysyy samassa lämpötilassa lämmön tulosta huolimatta, kunnes kaikki jää on sulanut. Tästä Black tuli käsitteeseen piilevä fuusiolämmön. Myöhemmin hän loi piilevän höyrystymislämmön käsitteen. Näin ollen 1700-luvun 70-luvulla peruskalorimetriset käsitteet vakiintuivat. Vasta lähes sadan vuoden kuluttua (vuonna 1852) otettiin käyttöön lämmön yksikkömäärä, joka sai myöhemmin nimen "kalori". Clausius puhuu myös yksinkertaisesti lämmön yksiköstä eikä käytä termiä "kalori".)

Vuonna 1777 Lavoisier ja Laplace rakensivat jääkalorimetrin, määrittelivät eri kappaleiden ominaislämpökapasiteetit. Aristotelilaista primäärilämpöä alettiin tutkia tarkan kokeen menetelmällä.

Lämmöstä oli myös tieteellisiä teorioita. Yksi, yleisin käsite (josta Black myös piti kiinni) on teoria erityisestä lämpönesteestä - kalorista. Toinen, jonka kiihkeä kannattaja Lomonosov oli, piti lämpöä eräänlaisena "herkkien hiukkasten" liikkeenä. Kalorin käsite soveltui erittäin hyvin kalorimetristen tosiasioiden kuvaukseen: Richmannin kaava ja myöhemmät kaavat, jotka ottavat huomioon piilevät lämmön, voitiin selittää täydellisesti, minkä seurauksena kaloriteoria hallitsi 1800-luvun puoliväliin asti, jolloin energian säilymislain löytäminen pakotti fyysikot palaamaan käsitteeseen, jonka Lomonosov onnistui kehittämään sata vuotta ennen tämän lain löytämistä.

Ajatus siitä, että lämpö on liikkeen muoto, oli hyvin yleinen 1600-luvulla. f. The New Organonissa Bacon, soveltaen menetelmäään lämmön luonteen tutkimukseen, tulee siihen tulokseen, että "lämpö on etenemisliikettä, joka on estynyt ja esiintyy pienissä osissa." Descartes puhuu konkreettisemmin ja selkeämmin lämmöstä kuin pienten hiukkasten liikkeestä. Ottaen huomioon tulen luonteen, hän tulee siihen tulokseen, että "liekin runko ... koostuu pienimmistä hiukkasista, jotka liikkuvat hyvin nopeasti ja rajusti erillään toisistaan". Lisäksi hän huomauttaa, että "vain tätä liikettä, riippuen sen tuottamasta eri toiminnasta, kutsutaan joko lämmöksi tai valoksi." Muihin kehoihin hän toteaa, että "pieniä hiukkasia, jotka eivät pysähdy niiden liikettä, ei ole ainoastaan ​​tulessa, vaan myös kaikissa muissa kappaleissa, vaikka jälkimmäisissä niiden toiminta ei ole niin voimakasta, vaan johtuu Pientä kokoaan niitä ei voi nähdä millään aisteillamme."

Atomismi hallitsi 1600-luvun tiedemiesten ja ajattelijoiden fyysisiä näkemyksiä. Hooke, Huygens, Newton edustivat kaikkia maailmankaikkeuden kappaleita pienimmistä hiukkasista koostuvina, "tuntemattomina", kuten Lomonosov niitä myöhemmin lyhyesti kutsui. Käsitys lämmöstä näiden hiukkasten liikkeen muotona vaikutti tutkijoista varsin järkevältä. Mutta nämä käsitykset lämmöstä olivat luonteeltaan laadullisia ja syntyivät hyvin vähäiseltä tosiasiaperustalta. XVIII vuosisadalla. lämpöilmiöiden tuntemus tarkentui ja konkretisoitui, myös kemia otti suuria harppauksia, joissa flogistonin teoria ennen hapen löytämistä auttoi ymmärtämään palamis- ja hapettumisprosesseja. Kaikki tämä auttoi omaksumaan uuden näkökulman lämpöön erityisaineena, ja kalorimetrian ensimmäiset menestykset vahvistivat kalorien kannattajien asemaa. Tässä tilanteessa lämmön kineettisen teorian kehittämiseen tarvittiin suurta tieteellistä rohkeutta.

Lämmön kineettinen teoria yhdistettiin luonnollisesti aineen ja ennen kaikkea ilman ja höyryn kineettiseen teoriaan. Kaasuja (sanan "kaasu" esitteli Van Helmont; 1577-1644) ei periaatteessa ollut vielä löydetty, ja jopa Lavoisier piti höyryä veden ja tulen yhdistelmänä. Lomonosov itse havainnoi raudan liukenemista vahvaan vodkaan (typpihappoon)

ilmasta vapautuvia typpikuplia. Siten ilma ja höyry olivat melkein ainoita kaasuja Lomonosovin aikaan - "elastisia nesteitä" silloisen terminologian mukaan.

D. Bernoulli "Hydrodynamiikassaan" kuvitteli ilman koostuvan hiukkasista, jotka liikkuvat "erittäin nopeasti eri suuntiin", ja uskoi näiden hiukkasten muodostavan "elastisen nesteen". Bernoulli perusteli Boyle-Mariotten lakia "elastisen nesteen" mallillaan. Hän loi yhteyden hiukkasten nopeuden ja ilman lämpenemisen välille ja selitti siten ilman joustavuuden lisääntymisen kuumennettaessa. Tämä oli ensimmäinen yritys fysiikan historiassa tulkita kaasujen käyttäytymistä molekyylien liikkeen perusteella, yritys epäilemättä loistava, ja Bernoulli meni fysiikan historiaan yhtenä kaasujen kineettisen teorian perustajista.

Kuusi vuotta Hydrodynamiikan julkaisemisen jälkeen Lomonosov esitteli teoksensa Reflections on the Cause of Heat and Cold Academic Assemblylle. Se julkaistiin vasta kuusi vuotta myöhemmin, vuonna 1750, yhdessä toisen, myöhemmän teoksen, An Experience in the Theory of Air Elasticity -teoksen kanssa. Siten Lomonosovin kaasujen elastisuusteoria liittyy erottamattomasti hänen lämpöteoriaansa ja perustuu jälkimmäiseen.

D. Bernoulli kiinnitti myös suurta huomiota lämpökysymyksiin, erityisesti kysymykseen ilman tiheyden riippuvuudesta lämpötilasta. Rajoittamatta itseään viittaamaan Amontonin kokeisiin, hän itse yritti kokeellisesti määrittää ilman joustavuuden riippuvuuden lämpötilasta. "Huomasin", kirjoittaa Bernoulli, "että ilman joustavuus, joka täällä Pietarissa oli erittäin kylmä 25. joulukuuta 1731, Art. Art., viittaa saman ilman kimmoisuuteen, jolla on yhteistä lämpöä kiehuvan veden kanssa, 523-1000. Tämä Bernoullin arvo on ilmeisen väärä, koska se olettaa, että kylmän ilman lämpötila vastaa -78°C.

Edellä mainitut Lomonosovin vastaavat laskelmat ovat paljon tarkempia. Toisaalta Bernoullin lopputulos on erittäin merkittävä, että "joustot ovat suhteessa, joka muodostuu hiukkasten nopeuksien neliöstä ja tiheyksien ensimmäisestä potenssista", mikä vastaa täysin kineettisen teorian perusyhtälöä. kaasuista nykyaikaisessa esityksessä.

Bernoulli ei käsitellyt lainkaan kysymystä lämmön luonteesta, joka on keskeinen Lomonosovin teoriassa. Lomonosov olettaa, että lämpö on epäherkkien hiukkasten liikkeen muoto. Hän pohtii näiden liikkeiden mahdollista luonnetta: translaatiota, pyörimistä ja värähtelyä - ja toteaa, että "lämpö koostuu sidotun aineen sisäisestä pyörimisliikkeestä".

Ottaen lähtökohtana hypoteesin molekyylien pyörivästä liikkeestä lämmön aiheuttajana, Lomonosov päättelee tästä useita seurauksia: 1) molekyyleillä (korpuskkeleilla) on pallomainen muoto; 2) "... kun sitoutuneen aineen hiukkaset pyörivät nopeammin, lämmön pitäisi lisääntyä ja hitaammin sen pitäisi laskea; 3) kuumien kappaleiden hiukkaset pyörivät nopeammin, kylmempiä - hitaammin; 4) kuumat kappaleet on jäähdytettävä, kun ne joutuvat kosketuksiin kylmän kanssa, koska se hidastaa hiukkasten lämpöliikettä; päinvastoin, kylmien kappaleiden tulisi lämmetä liikkeen kiihtyvyyden vuoksi kosketuksessa. Siten luonnossa havaittu lämmön siirtyminen kuumasta kappaleesta kylmään on vahvistus Lomonosovin hypoteesille.

Se, että Lomonosov valitsi lämmönsiirron yhdeksi tärkeimmistä seurauksista, on erittäin merkittävä, ja jotkut kirjoittajat näkevät tämän syynä luokitella Lomonosov termodynamiikan toisen pääsäännön löytäjien joukkoon. On kuitenkin epätodennäköistä, että yllä olevaa väitettä voidaan pitää toisen lain ensisijaisena muotoiluna, mutta koko teos kokonaisuutena on epäilemättä termodynamiikan ensimmäinen ääriviiva. Siten Lomonosov selittää siinä lämmön muodostumista kitkan aikana, joka toimi kokeellisena perustana ensimmäiselle laille Joulen klassisissa kokeissa. Lisäksi Lomonosov, joka käsittelee kysymystä lämmön siirtymisestä kuumasta kappaleesta kylmään, viittaa seuraavaan lauseeseen: "Keho A, joka vaikuttaa kehoon B, ei voi antaa jälkimmäiselle suurempaa liikenopeutta kuin mitä sillä itsellään on .” Tämä säännös on "yleisen säilyttämislain" erityistapaus. Tästä väitteestä lähteen hän osoittaa, että kylmä kappale B, joka on upotettu lämpimään nesteeseen A, "ilmeisesti ei voi absorboida suurempaa lämpöastetta kuin mitä L:llä on".

Lomonosov lykkää lämpölaajenemiskysymystä "toiseen kertaan", kunnes tarkastellaan ilman joustavuutta. Hänen termodynaaminen työnsä liittyy siten suoraan hänen myöhempään työhönsä kaasujen elastisuuden parissa. Puhuessaan aikomuksesta lykätä lämpölaajenemisen harkitsemista "toiseen aikaan", Lomonosov huomauttaa tässä myös, että koska hiukkasten nopeudella ei ole ylärajaa (suhteellisuusteoriaa ei vielä ole olemassa!), on olemassa ei myöskään lämpötilan ylärajaa. Mutta "välttämättä on oltava suurin ja viimeinen kylmyysaste, jonka tulee koostua hiukkasten pyörimisliikkeen täydellisestä lakkaamisesta." Lomonosov siis väittää "viimeisen kylmän asteen" - absoluuttisen nollan - olemassaolon.

Lopuksi Lomonosov kritisoi kaloriteoriaa, jonka hän pitää muinaisten elementtitulesta syntyneen ajatuksen uusiutumisena. Analysoidessaan erilaisia ​​​​lämmön vapautumiseen ja imeytymiseen liittyviä ilmiöitä, sekä fysikaalisia että kemiallisia, Lomonosov päättelee, että "kappaleiden lämpöä ei voida pitää jonkin ohuen, erityisesti suunniteltujen aineiden tiivistymisen syynä, vaan lämpö koostuu lämmön vapautumisesta ja imeytymisestä. kuumennettujen kappaleiden sidottu aine." "Sitoutuneella" aineella Lomonosov ymmärtää kappaleiden hiukkasten aineen ja erottaa sen "virtaavasta" aineesta, joka voi virrata "kuin joki" kehon huokosten läpi.

Samanaikaisesti Lomonosov sisällyttää termodynaamiseen järjestelmäänsä maailmaneetterin, joka on paljon edellä paitsi aikaansa, myös 1800-lukua. "Näin", jatkaa Lomonosov, "emme vain sano, että tällainen liike ja lämpö ovat ominaisia ​​myös sille eetterin hienoimmalle aineelle, joka täyttää kaikki tilat, joissa ei ole herkkiä kappaleita, vaan me myös vahvistamme, että eetterin aine voi välittää auringosta, maapalloltamme ja muista maailman ruumiista saatua lämpöliikettä ja lämmittää niitä, koska ne ovat väline, jolla toisistaan ​​kaukana olevat kappaleet välittävät lämpöä ilman minkään konkreettisen välitystä.

Joten kauan ennen Boltzmannia, Golitsyniä ja Wieniä Lomonosov sisällytti lämpösäteilyn termodynamiikkaan. Lomonosovin termodynamiikka on 1700-luvun tieteellisen ajattelun merkittävä saavutus, paljon aikaansa edellä.

Herää kysymys: miksi Lomonosov kieltäytyi pitämästä hiukkasten translaatioliikettä lämpöliikkeenä ja pysähtyi pyörivään liikkeeseen? Tämä oletus heikensi suuresti hänen työtään, ja D. Bernoullin teoria oli paljon lähempänä Clausiuksen ja Maxwellin myöhempiä tutkimuksia kuin Lomonosovin teoria. Tässä asiassa Lomonosovilla oli erittäin syvällisiä pohdintoja. Hänen täytyi selittää sellaiset ristiriitaiset asiat kuin koheesio ja elastisuus, kehon hiukkasten koheesio ja kappaleiden kyky laajentua. Lomonosov oli kiihkeä pitkän kantaman voimien vastustaja, eikä hän voinut turvautua niihin harkitessaan kehojen molekyylirakennetta. Hän ei myöskään halunnut pelkistää kaasujen kimmoisuuden selitystä hiukkasten elastisiin iskuihin, eli selittää kimmoisuutta kimmoisuudella. Hän etsi mekanismia, joka selittäisi sekä elastisuuden että lämpölaajenemisen luonnollisimmalla tavalla. Työssään "Kokemus ilman joustavuuden teoriasta" hän hylkää hypoteesin itse hiukkasten elastisuudesta, jotka Lomonosovin mukaan "ei ole fyysistä koostumusta ja organisoitua rakennetta ..." ja ovat atomeja. Siksi elastisuusominaisuus ei esiinny yksittäisissä hiukkasissa, joilla ei ole fysikaalista monimutkaisuutta ja organisoitua rakennetta, vaan ne on tuotettu niiden yhdistelmällä. Joten kaasun (ilman) elastisuus on Lomonosovin mukaan "atomien kollektiivin ominaisuus". Itse atomien Lomonosovin mukaan "pitäisi olla kiinteitä ja niillä on laajennus", hän pitää niiden muotoa "hyvin lähellä" pallomaista. Kitkan synnyttämän lämmön ilmiö saa hänet hyväksymään hypoteesin, että "ilmaatomit ovat karkeita". Se tosiasia, että ilman kimmoisuus on verrannollinen tiheyteen, saa Lomonosovin päättelemään, "että se tulee jonkinlaisesta sen atomien suorasta vuorovaikutuksesta". Mutta atomit Lomonosovin mukaan eivät voi toimia etänä, vaan toimivat vain kosketuksessa. Ilman kokoonpuristuvuus osoittaa, että siinä on tyhjiä rakoja, jotka tekevät atomien vuorovaikutuksen mahdottomaksi. Tästä Lomonosov tulee dynaamiseen kuvaan, kun atomien vuorovaikutus korvataan ajallisesti niiden väliin muodostuvalla tyhjällä tilassa ja atomien tilaerottelu korvataan kosketuksella. "On siis ilmeistä, että ilman yksittäiset atomit törmäävät satunnaisesti vuorotellen lähimpiin tuntemattomin aikavälein, ja kun jotkut ovat kosketuksissa, toiset pomppaavat toisistaan ​​​​ja törmäävät lähimpien kanssa. palautua uudelleen; täten toistuvien keskinäisten iskujen johdosta jatkuvasti torjuttuina ne pyrkivät leviämään kaikkiin suuntiin. Lomonosov näkee joustavuutta tässä sironnassa kaikkiin suuntiin. "Elastisuusvoima koostuu ilman halusta levitä kaikkiin suuntiin."

On kuitenkin tarpeen selittää, miksi atomit pomppaavat toisistaan ​​​​vuorovaikutuksen aikana. Syynä tähän on Lomonosovin mukaan lämpöliike: "Ilman atomien vuorovaikutus johtuu vain lämmöstä." Ja koska lämpö koostuu hiukkasten pyörimisliikkeestä, niiden torjunnan selittämiseksi riittää pohtia, mitä tapahtuu, kun kaksi pyörivää pallomaista karkeaa hiukkasta joutuvat kosketuksiin. Lomonosov osoittaa, että he työntyvät pois toisistaan, ja havainnollistaa tätä hänen lapsuudestaan ​​hyvin tuntemallaan esimerkillä poikien jäälle laskemien toppien ("head over heels") pomppimisesta. Kun tällaiset kehrut koskettavat toisiaan, ne pomppaavat toisistaan ​​huomattavia etäisyyksiä. Siten atomien elastiset törmäykset johtuvat Lomonosovin mukaan niiden pyörimismomenttien vuorovaikutuksesta. Siksi hän tarvitsi hypoteesin hiukkasten lämpökiertoliikkeestä! Siten Lomonosov perusteli täysin satunnaisesti liikkuvista ja törmäävistä hiukkasista koostuvan elastisen kaasun mallin.

Tämä malli antoi Lomonosoville paitsi selittää Boyle-Mariotten lain, myös ennustaa poikkeamia siitä korkeilla puristuksilla. Lain ja poikkeamien selityksen siitä antaa Lomonosov teoksessa "Addition to Reflections on the Elasticity of Air", joka on julkaistu samassa Pietarin tiedeakatemian "New Commentaries" -osassa, jossa kaksi aikaisempaa teoksia on myös julkaistu. Lomonosovin teoksissa on myös vääriä lausuntoja, jotka selittyvät täysin tuon ajan tietotasolla. Mutta ne eivät määritä tiedemiehen työn merkitystä. On mahdotonta olla ihailematta Lomonosovin tieteellisen ajattelun rohkeutta ja syvyyttä, joka loi lämpötieteen lapsenkengissä voimakkaan teoreettisen konseptin, joka oli paljon aikakauttaan edellä. Aikalaiset eivät seuranneet Lomonosovin polkua, lämmön teoriassa, kuten sanottiin, kalori hallitsi, 1700-luvun fyysinen ajattelu vaati erilaisia ​​aineita: lämpöä, valoa, sähköä, magneettista. Tämä nähdään yleensä 1700-luvun naturalistien ajattelun metafyysisenä luonteena, osana sen taantumuksellisuudesta. Mutta miksi siitä tuli tällainen? Vaikuttaa siltä, ​​että syy tähän on eksaktin luonnontieteen kehityksessä. XVIII vuosisadalla. oppinut mittaamaan lämpöä, valoa, sähköä, magnetismia. Kaikille näille aineille on löydetty mittasuhteet, aivan kuten ne löydettiin kauan sitten tavallisille massoille ja tilavuuksille. Tämä tosiasia toi painottomia aineita lähemmäksi tavallisia massoja ja nesteitä, pakotti meidät pitämään niitä tavallisten nesteiden analogeina. Käsite "painoton" oli välttämätön vaihe fysiikan kehityksessä, se mahdollisti syvemmän käsityksen lämpö-, sähkö- ja magneettisten ilmiöiden maailmasta. Se myötävaikutti tarkan kokeen kehittämiseen, lukuisten tosiasioiden keräämiseen ja niiden ensisijaiseen tulkintaan.

Pitkän matkan lämpömittarit

Nykyään yleiset lämpötilanmittauslaitteet soittavat tärkeä rooli tieteessä, tekniikassa, ihmisten jokapäiväisessä elämässä, niillä on pitkä historia ja ne liittyvät monien eri maiden loistavien tutkijoiden nimiin, mukaan lukien venäläiset ja Venäjällä työskennelleet.

Yksityiskohtainen kuvaus jopa tavallisen nestelämpömittarin luomisen historiasta voi viedä kokonaisen kirjan, mukaan lukien tarinoita eri alojen asiantuntijoista - fyysikot ja kemistit, filosofit ja tähtitieteilijät, matemaatikot ja mekaanikot, eläintieteilijät ja kasvitieteilijät, ilmastotieteilijät ja lasinpuhaltajat.

Alla olevat muistiinpanot eivät pyri viimeistelemään tämän erittäin viihdyttävän tarinan esitystä, mutta niistä voi olla hyötyä tutustuttaessa tietokenttään ja tekniikan alaan, jonka nimi on Thermometry.

Lämpötila

Lämpötila on yksi tärkeimmistä mittareista, jota käytetään luonnontieteen ja tekniikan eri aloilla. Fysiikassa ja kemiassa sitä käytetään yhtenä eristetyn järjestelmän tasapainotilan pääominaisuuksista, meteorologiassa - ilmaston ja sään pääominaisuutena, biologiassa ja lääketieteessä - tärkeimpänä suurena, joka määrää elintärkeitä toimintoja.

Jopa antiikin kreikkalainen filosofi Aristoteles (384–322 eKr.) piti lämmön ja kylmän käsitteitä perustavanlaatuisina. Näiden ominaisuuksien, kuten kuivuuden ja kosteuden, ohella nämä käsitteet luonnehtivat "primääriaineen" neljää elementtiä - maata, vettä, ilmaa ja tulta. Vaikka noina aikoina ja useita vuosisatoja sen jälkeen, kun he jo puhuivat lämmön tai kylmän asteesta ("lämmin", "kuuma", "kylmä"), kvantitatiivisia mittareita ei ollut.

Noin 2500 vuotta sitten antiikin kreikkalainen lääkäri Hippokrates (n. 460 - n. 370 eKr.) tajusi, että ihmiskehon kohonnut lämpötila on merkki sairaudesta. Normaalin lämpötilan määrittämisessä oli ongelma.

Muinainen roomalainen lääkäri Galen (129 - n. 200) teki yhden ensimmäisistä yrityksistä ottaa käyttöön vakiolämpötilan käsite, joka ehdotti, että yhtä suuren kiehuvan veden ja jään seoksen lämpötilaa pidettäisiin "neutraalina". , ja yksittäisten komponenttien (kiehuva vesi ja sulava jää) lämpötiloja pidetään neljä astetta lämmintä ja neljä astetta kylmää. Luultavasti olemme Galenille velkaa termin käyttöönoton luonne(tasaamaan), josta sana "lämpötila" on johdettu. Lämpötilaa alettiin kuitenkin mitata paljon myöhemmin.

Termoskooppi ja ensimmäiset ilmalämpömittarit

Lämpötilan mittauksen historia on vain hieman yli neljä vuosisataa. Perustuu ilman kykyyn laajentua kuumennettaessa, jota muinaiset Bysantin kreikkalaiset kuvailivat jo 200-luvulla eKr. eKr., useat keksijät loivat termoskoopin - yksinkertaisimman laitteen, jossa on vedellä täytetty lasiputki. On sanottava, että kreikkalaiset (ensimmäiset eurooppalaiset) tutustuivat lasiin jo 500-luvulla, 1200-luvulla. ensimmäiset lasilliset venetsialaiset peilit ilmestyivät 1600-luvulla. lasityö Euroopassa kehittyi melko kehittyneeksi, ja vuonna 1612 ilmestyi ensimmäinen käsikirja "De arte vitraria"("Lasinvalmistuksen taiteesta"), kirjoittanut firenzeläinen Antonio Neri (kuollut 1614).

Lasinvalmistusta kehitettiin erityisesti Italiassa. Siksi ei ole yllättävää, että ensimmäiset lasisoittimet ilmestyivät sinne. Termoskoopin ensimmäinen kuvaus sisällytettiin keramiikkaa, lasia, keinotekoisia jalokiviä ja tislausta harjoittavan napolilaisen luonnontieteilijän Giovanni Battista de la Portan (1535-1615) kirjaan. Magia Naturalis("Luonnollinen magia"). Painos julkaistiin vuonna 1558.

1590-luvulla italialainen fyysikko, mekaanikko, matemaatikko ja tähtitieteilijä Galileo Galilei (1564-1642) rakensi oppilaidensa Nellin ja Vivianin mukaan lasitermobaroskooppinsa Venetsiassa käyttämällä veden ja alkoholin seosta; mittaukset voidaan tehdä tällä laitteella. Jotkut lähteet sanovat, että Galileo käytti viiniä värillisenä nesteenä. Työnesteenä oli ilmaa, ja lämpötilan muutokset määräytyivät laitteen ilmamäärän mukaan. Laite oli epätarkka, sen lukemat riippuivat sekä lämpötilasta että paineesta, mutta se antoi nestepatsaan "pudottaa" ilmanpainetta muuttamalla. Tämän laitteen kuvauksen teki vuonna 1638 Galileon oppilas Benadetto Castelli.

Santorion ja Galileon välinen tiivis kommunikointi tekee mahdottomaksi määrittää kummankin panoksen moniin teknisiin innovaatioihinsa. Santorio tunnetaan monografiastaan "destaattinen lääke"("On the Medicine of Balance"), joka sisälsi hänen kokeellisen tutkimuksensa tulokset ja kesti viisi painosta. Vuonna 1612 Santorio työssään "Commentaria in artem medicalem Galeni"("Notes on the Medical Art of Galen") kuvasi ensin ilmalämpömittarin. Hän mittasi myös lämpömittaria ihmiskehon lämpötilan mittaamiseen ("potilaat puristavat pullon käsillään, hengittävät sen päällä kannen alla, ottavat sen suuhunsa"), käyttivät heiluria mittaamaan sykenopeutta. Hänen menetelmänsä koostui lämpömittarin lukemien putoamisnopeuden kiinnittämisestä heilurin kymmenen heilahduksen aikana, se riippui ulkoisista olosuhteista ja oli epätarkka.

Galileon termoskoopin kaltaisia ​​instrumentteja valmistivat hollantilainen fyysikko, alkemisti, mekaanikko, kaivertaja ja kartografi Cornelis Jacobson Drebbel (1572–1633) ja englantilainen mystikko ja lääketieteen filosofi Robert Fludd (1574–1637), joiden oletettavasti tunsivat työn. Firenzen tiedemiehet. Se oli Drebbelin laite, jota kutsuttiin ensimmäisen kerran (vuonna 1636) "lämpömittariksi". Se näytti U-muotoiselta putkelta, jossa oli kaksi säiliötä. Työskennellessään lämpömittarinsa nesteen parissa Drebbel löysi tavan tehdä kirkkaita karmiinivärejä. Fludd puolestaan ​​kuvaili ilmalämpömittaria.

Ensimmäiset nestelämpömittarit

Seuraava pieni mutta tärkeä askel kohti termoskoopin muuttumista nykyaikaiseksi nestelämpömittariksi oli nesteen ja toisesta päästään suljetun lasiputken käyttö työväliaineena. Nesteiden lämpölaajenemiskertoimet ovat pienemmät kuin kaasujen, mutta nesteen tilavuus ei muutu ulkoisen paineen muutoksen myötä. Tämä askel otettiin noin vuonna 1654 Toscanan suurherttua Ferdinand II de' Medicin (1610-1670) työpajoissa.

Samaan aikaan järjestelmälliset meteorologiset mittaukset aloitettiin useissa Euroopan maissa. Jokainen tiedemies käytti tuolloin omaa lämpötila-asteikkoaan, eikä meille tulleita mittaustuloksia voi verrata toisiinsa eikä yhdistää nykyaikaisiin asteisiin. Lämpötila-asteen käsite ja lämpötila-asteikon vertailupisteet ilmenivät useissa maissa jo 1600-luvulla. Mestarit käyttivät 50 jakoa silmällä niin, että sulamislumen lämpötilassa alkoholipylväs ei laskenut 10. divisioonan alapuolelle eikä auringossa noussut 40. divisioonan yläpuolelle.

Yksi ensimmäisistä yrityksistä kalibroida ja standardoida lämpömittareita tehtiin lokakuussa 1663 Lontoossa. Royal Societyn jäsenet sopivat käyttämään yhtä fyysikon, mekaanikon, arkkitehdin ja keksijän Robert Hooken (1635–1703) valmistamia alkoholilämpömittareita standardina ja vertaamaan muiden lämpömittareiden lukemia siihen. Hooke lisäsi punaisen pigmentin alkoholiin, asteikko jaettiin 500 osaan. Hän keksi myös minimilämpömittarin (näyttää alhaisimman lämpötilan).

Hollantilainen teoreettinen fyysikko, matemaatikko, tähtitieteilijä ja keksijä Christian Huygens (1629–1695) vuonna 1665 yhdessä R. Hooken kanssa ehdottivat sulavan jään ja kiehuvan veden lämpötilojen käyttöä lämpötila-asteikon luomiseksi. Ensimmäiset ymmärrettävät säätiedot kirjattiin Hooke-Huygensin asteikolla.

Ensimmäinen kuvaus todellisesta nestelämpömittarista ilmestyi vuonna 1667 Accademia del Cimenton julkaisussa * "Esseitä Kokeiluakatemian luonnontieteellisestä toiminnasta". Ensimmäiset kalorimetrian alan kokeet tehtiin ja kuvattiin Akatemiassa. On osoitettu, että tyhjiössä vesi kiehuu alemmassa lämpötilassa kuin ilmakehän paineessa, ja jäätyessään se laajenee. "Firenzen lämpömittareita" käytettiin laajalti Englannissa (julkaisi R. Boyle) ja Ranskassa (jakeli tähtitieteilijä I. Bullon ansiosta). Tunnetun venäläisen monografian "Termodynamiikan käsitteet ja perusteet" (1970) kirjoittaja I.R. Krichevsky uskoo, että Akatemian työ loi perustan nestemäisten lämpömittareiden käytölle.

Yksi Akatemian jäsenistä, matemaatikko ja fyysikko Carlo Renaldini (1615–1698) esseessään Philosophia naturalis("Natural Philosophy"), joka julkaistiin vuonna 1694, ehdotti, että jään ja kiehuvan veden lämpötilat otettaisiin vertailupisteiksi.

Saksalaisessa Magdeburgin kaupungissa syntynyt koneinsinööri, sähköinsinööri, tähtitieteilijä, ilmapumpun keksijä Otto von Guericke (1602–1686), joka tuli tunnetuksi kokemuksestaan ​​Magdeburgin pallonpuoliskon kanssa, käsitteli myös lämpömittareita. Vuonna 1672 hän rakensi useita metrejä korkean vesi-alkoholilaitteen, jonka asteikolla oli kahdeksan jakoa: "erittäin kylmästä" "erittäin kuumaan". On myönnettävä, että rakenteen mitat eivät edistäneet lämpömittaria.

Guericken gigantomania löysi seuraajia Yhdysvalloista kolme vuosisataa myöhemmin. Maailman suurin lämpömittari, 40,8 metriä korkea, rakennettiin vuonna 1991 Kalifornian Kuolemanlaaksossa vuonna 1913 saavutetun ennätyskorkean lämpötilan muistoksi: +56,7 °C (134 °F). Kolmisuuntainen lämpömittari sijaitsee Bakerin pikkukaupungissa lähellä Nevadaa.

Ensimmäiset laajaan käyttöön tulleet tarkat lämpömittarit valmisti saksalainen fyysikko Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736). Keksijä syntyi nykyisen Puolan alueella Gdanskissa (silloin Danzigissa), jäi varhain orvoksi, aloitti kaupankäynnin opiskelun Amsterdamissa, mutta ei saanut opintojaan päätökseen ja alkoi fysiikan vauhdittamana vierailla laboratorioissa ja työpajoissa vuonna Saksa, Hollanti ja Englanti. Vuodesta 1717 hän asui Hollannissa, jossa hänellä oli lasinpuhalluspaja ja hän valmisti tarkkoja meteorologisia laitteita - barometreja, korkeusmittareita, kosteusmittareita ja lämpömittareita. Vuonna 1709 hän valmisti alkoholilämpömittarin ja vuonna 1714 elohopealämpömittarin.

Elohopea osoittautui erittäin käteväksi työnesteeksi, koska sillä oli lineaarisempi tilavuusriippuvuus lämpötilasta kuin alkoholilla, se lämpeni paljon nopeammin kuin alkoholi ja sitä voitiin käyttää paljon korkeammissa lämpötiloissa. Fahrenheit kehitti uuden menetelmän elohopean puhdistamiseen ja käytti sylinteriä elohopean pallon sijaan. Lisäksi lämpömittareiden tarkkuuden parantamiseksi lasinpuhallustaidot omistava Fahrenheit alkoi käyttää lasia, jonka lämpölaajenemiskerroin on alhainen. Vain alhaisten lämpötilojen alueella elohopea (jäätymispiste -38,86 °C) oli alempi kuin alkoholi (jäätymispiste -114,15 °C).

Vuodesta 1718 lähtien Fahrenheit luennoi Amsterdamissa kemiasta, vuonna 1724 hänestä tuli Royal Societyn jäsen, vaikka hän ei saanutkaan tutkintoa ja julkaisi vain yhden tutkimusartikkelikokoelman.

Fahrenheit käytti lämpömittareihinsa ensin muunnettua asteikkoa, jonka tanskalainen fyysikko Olaf Römer (1644–1710) omaksui ja jota englantilainen matemaatikko, mekaanikko, tähtitieteilijä ja fyysikko Isaac Newton (1643–1727) ehdotti vuonna 1701.

Newtonin omat alkuperäiset yritykset kehittää lämpötila-asteikko osoittautuivat naiiveiksi ja hylättiin melkein välittömästi. Vertailupisteiksi ehdotettiin talven ilman lämpötilaa ja hehkuvan hiilen lämpötilaa. Sitten Newton käytti lumen sulamispistettä ja terveen ihmisen ruumiinlämpöä, pellavaöljyä työväliaineena ja rikkoi asteikon (mallin mukaan 12 kuukautta vuodessa ja 12 tuntia päivässä puoleenpäivään) 12 astetta ( muiden lähteiden mukaan 32 astetta). Tässä tapauksessa kalibrointi suoritettiin sekoittamalla tietyt määrät kiehuvaa ja juuri sulatettua vettä. Mutta tämä menetelmä oli myös mahdoton hyväksyä.

Newton ei ollut ensimmäinen, joka käytti öljyä: jo vuonna 1688 ranskalainen fyysikko Dalence käytti lehmänvoin sulamispistettä vertailupisteenä alkoholilämpömittareiden kalibroinnissa. Jos tämä tekniikka olisi säilytetty, Venäjällä ja Ranskassa olisivat olleet erilaiset lämpötila-asteikot: sekä Venäjällä yleinen ghee että kuuluisa Vologda-voi eroavat koostumukseltaan eurooppalaisista lajikkeista.

Tarkkailija Roemer huomasi, että hänen heilurikellonsa käyvät kesällä hitaammin kuin talvella ja hänen tähtitieteellisten laitteidensa asteikkojen jaot ovat kesällä suurempia kuin talvella. Ajan ja tähtitieteellisten parametrien mittausten tarkkuuden parantamiseksi oli välttämätöntä suorittaa nämä mittaukset samoissa lämpötiloissa ja siksi oli oltava tarkka lämpömittari. Roemer käytti Newtonin tavoin kahta viitepistettä: ihmiskehon normaalia lämpötilaa ja jään sulamislämpötilaa (työnesteenä toimi väkevöity punaviini tai 40-prosenttinen alkoholiliuos, joka on sävytetty sahrarilla 18 tuuman putkessa). Fahrenheit lisäsi niihin kolmannen pisteen, joka vastasi alinta lämpötilaa, joka saavutettiin silloin vesi-jää-ammoniakin seoksessa.

Saavutettuaan huomattavasti suuremman mittaustarkkuuden elohopealämpömittarillaan Fahrenheit jakoi jokaisen Roemer-asteen neljään ja otti kolme pistettä lämpötila-asteikon vertailupisteiksi: veden ja jään suolaseoksen lämpötila (0 °F), kehon lämpötila. terveen ihmisen (96 °F) ja jään sulamislämpötilan (32 °F), jälkimmäistä pidetään kontrollina.

Näin hän kirjoitti siitä lehdessä julkaistussa artikkelissa Filosofinen transaktio"(1724,
osa 33, s. 78): "... laittamalla lämpömittarin ammoniumsuola- tai merisuolan, veden ja jään seokseen, löydämme asteikolta pisteen, joka osoittaa nollaa. Toinen piste saadaan, jos käytetään samaa seosta ilman suolaa. Merkitään tämä piste 30:ksi. Kolmas piste, 96, saadaan, jos lämpömittari otetaan suuhun vastaanottaen terveen ihmisen lämpöä.

Legendan mukaan Fahrenheit piti lämpötilan, johon ilma jäähtyi talvella 1708/09 kotikaupungissaan Danzigissa, Fahrenheit-asteikon alimmiksi pisteeksi. Voidaan myös löytää lausuntoja, joiden mukaan hän uskoi ihmisen kuolevan kylmään 0 °F:ssa ja lämpöhalvaukseen klo
100°F. Lopuksi sanottiin, että hän oli vapaamuurariloosin jäsen sen 32 initiaatioasteen kanssa, ja siksi hän hyväksyi jään sulamispisteen, joka on yhtä suuri kuin tämä luku.

Pienen yrityksen ja erehdyksen jälkeen Fahrenheit keksi erittäin mukavan lämpötila-asteikon. Veden kiehumispiste osoittautui hyväksytyllä asteikolla 212 °F, ja koko nestemäisen veden lämpötila-alue oli 180 °F. Syynä tälle asteikolle oli negatiivisten asteiden puuttuminen.

Myöhemmin, sarjan tarkkojen mittausten jälkeen, Fahrenheit havaitsi, että kiehumispiste vaihtelee ilmakehän paineen mukaan. Tämä antoi hänelle mahdollisuuden luoda hypsotermometrin - laitteen, joka mittaa ilmanpainetta veden kiehumispisteen perusteella. Hän kuuluu myös etusijalle nesteiden alijäähdytysilmiön löytämisessä.

Fahrenheitin työ merkitsi lämpömetrian ja sitten lämpökemian ja termodynamiikan alkua. Fahrenheit-asteikko on otettu viralliseksi monissa maissa (Englannissa vuodesta 1777), vain ihmiskehon normaali lämpötila korjattiin 98,6 o F. Nyt tätä asteikkoa käytetään vain Yhdysvalloissa ja Jamaikalla, muissa maissa 1960- 1970- ja 1970-luvuilla vaihdettu Celsius-asteikolle.

Lämpömittarin otettiin laajaan lääketieteelliseen käytäntöön hollantilainen lääketieteen, kasvitieteen ja kemian professori, tieteellisen klinikan perustaja Hermann Boerhaave (1668–1738), hänen oppilaansa Gerard van Swieten (1700–1772), itävaltalainen lääkäri Anton de. Haen (1704–1776) ja heistä riippumatta englantilainen George Martin.

Wienin lääketieteellisen koulun perustaja Haen havaitsi, että terveen ihmisen lämpötila nousee ja laskee kahdesti päivän aikana. Evoluutioteorian kannattajana hän selitti tämän sillä, että ihmisen esi-isät - meren rannalla eläneet matelijat - muuttivat lämpötilaansa laskun ja virtauksen mukaisesti. Hänen työnsä unohdettiin kuitenkin pitkäksi aikaa.

Martin kirjoitti yhdessä kirjassaan, että hänen aikalaisensa väittivät, muuttuuko jään sulamislämpötila korkeuden mukaan, ja totuuden selvittämiseksi he kuljettivat lämpömittarin Englannista Italiaan.

Ei ole yhtä yllättävää, että ihmiskehon lämpötilan mittaamisesta kiinnostuivat myöhemmin useilla eri aloilla kuuluisiksi tulleet tiedemiehet: A. Lavoisier ja P. Laplace, J. Dalton ja G. Davy, D. Joule ja P. Dulong , W. Thomson ja A. Becquerel, J. Foucault ja G. Helmholtz.

"Paljon elohopeaa on vuotanut" sen jälkeen. Lähes kolmesataa vuotta elohopealämpömittareiden laajan käytön aikakausi näyttää päättyvän pian nestemäisen metallin myrkyllisyyden vuoksi: Euroopan maissa, joissa ihmisten turvallisuus on yhä tärkeämpää, on annettu lakeja rajoittaa ja kieltää. tällaisten lämpömittareiden tuotantoa.

* Accademia del Cimento perustettiin Firenzessä vuonna 1657 Galileon opiskelijoiden toimesta Ferdinand II Medicin ja hänen veljensä Leopoldon johdolla. Accademia del Cimento ei kestänyt kauan, mutta siitä tuli Royal Societyn, Pariisin tiedeakatemian ja muiden eurooppalaisten akatemioiden prototyyppi. Hänet kehitettiin propagandaa varten tieteellinen tietämys ja laajentamalla kollektiivista toimintaa niiden kehittämiseksi.

Painettu jatkolla

lämpötila-asteikot. Lämpötila-asteikkoja on useita ja vertailupisteiksi otetaan yleensä veden jäätymis- ja kiehumispisteet. Nykyään maailman yleisin on Celsius-asteikko. Vuonna 1742 ruotsalainen tähtitieteilijä Anders Celsius ehdotti 100 asteen lämpömittarin asteikkoa, jossa 0 astetta on veden kiehumispiste normaalissa ilmanpaineessa ja 100 astetta jään sulamislämpötila. Asteikon jako on 1/100 tästä erosta. Kun he alkoivat käyttää lämpömittareita, osoittautui helpommaksi vaihtaa 0 ja 100 astetta. Ehkä tähän osallistui Carl Linnaeus (hän ​​opetti lääketiedettä ja luonnontieteitä samassa Uppsalan yliopistossa, jossa Celsius on tähtitiede), joka jo vuonna 1838 ehdotti jään sulamispisteeksi 0 lämpötilaa, mutta ei näyttänyt ajattelevan toista viitekohta. Tähän mennessä Celsius-asteikko on muuttunut jonkin verran: 0 °C pidetään edelleen jään sulamislämpötilana normaalipaineessa, joka ei todellakaan riipu paineesta. Mutta veden kiehumispiste ilmakehän paineessa on nyt 99 975 ° C, mikä ei vaikuta lähes kaikkien lämpömittareiden mittaustarkkuuteen erityisiä tarkkoja lukuun ottamatta. Tunnetaan myös Kelvin Reaumurin ja muiden Fahrenheit-lämpötila-asteikot. Fahrenheit-lämpötila-asteikolla (toisessa versiossa, joka on otettu käyttöön vuodesta 1714) on kolme kiinteää pistettä: 0 ° vastasi jääveden ja ammoniakin seoksen lämpötilaa 96 ° - kehon terveen henkilön lämpötila (käsivarren alla tai suussa). Kontrollilämpötilaksi eri lämpömittareiden vertailua varten otettiin jään sulamispisteen arvo 32°. Fahrenheit-asteikko on laajalti käytössä englanninkielisissä maissa, mutta sitä ei juurikaan käytetä tieteellisessä kirjallisuudessa. Celsius-lämpötilan (°C) muuttamiseksi Fahrenheitin lämpötilaksi (°F) on kaava °F = (9/5) °C + 32 ja käänteismuunnos - kaava °C = (5/9) (°F) -32). Molemmat asteikot - sekä Fahrenheit- että Celsius - ovat erittäin hankalia suoritettaessa kokeita olosuhteissa, joissa lämpötila laskee alle veden jäätymispisteen ja ilmaistaan ​​negatiivisena lukuna. Tällaisia ​​tapauksia varten otettiin käyttöön absoluuttiset lämpötila-asteikot, jotka perustuvat ekstrapolaatioon niin sanottuun absoluuttiseen nollaan - pisteeseen, jossa molekyylin liikkeen täytyy pysähtyä. Toista niistä kutsutaan Rankinin asteikoksi ja toista absoluuttiseksi termodynaamiseksi asteikoksi; lämpötilat mitataan Rankine-asteina (°Ra) ja kelvineinä (K). Molemmat asteikot alkavat absoluuttisesta nollasta ja veden jäätymispiste on 491 7° R ja 273 16 K. Asteiden ja kelvinien lukumäärä veden jäätymis- ja kiehumispisteiden välillä Celsius-asteikolla ja absoluuttisella termodynaamisella asteikolla on sama ja yhtä suuri kuin 100; Fahrenheit- ja Rankine-asteikoilla se on myös sama, mutta sama kuin 180. Celsius-asteet muunnetaan kelvineiksi kaavalla K \u003d ° C + 273 16 ja Fahrenheit-asteet muunnetaan Rankine-asteiksi kaavalla ° R \u003d ° F + 459 7. Euroopassa on pitkään ollut yleinen Réaumur-asteikko, jonka René Antoine de Réaumur esitteli vuonna 1730. Sitä ei ole rakennettu mielivaltaisesti kuten Fahrenheit-asteikko, vaan alkoholin lämpölaajenemisen mukaisesti (suhteessa 1000:1080). 1 Réaumur-aste on yhtä suuri kuin 1/80 jään sulamispisteiden (0°R) ja veden kiehumispisteiden (80°R) välisestä lämpötilavälistä, eli 1°R = 1,25°C 1°C = 0,8° R. mutta on nyt pois käytöstä.