Вот мы, среднестатистические славяне, привыкли измерять температуру в привычных нам градусах Цельсия (°С). Во многих других странах, в основном Англосаксы, измеряют температуру в градусах Фаренгейт (°F). А в международной системе единиц используют совсем иную температурную шкалу, градусы Кельвина (°К). Помимо трех приведенных известных единиц измерения температуры, есть много менее распространенных, но никем не отмененных.
Так в каких же единицах правильно измерять температуру? И при каких обстоятельствах пользоваться той или иной шкалой? В этой статье попробуем ответить на поставленные вопросы и узнаем еще много интересного.
Что такое температура.
На этот вопрос я уже давал подробный ответ в одной из предыдущих статей. Вот ссылка и повторна она будет в конце статьи. Там понятно и интересно рассказано. Поэтому здесь отвечу на данный вопрос вкратце.
Температура — это способ измерения кинетической энергии движения частиц в системе. Если речь идет о температуре какого-то предмета, то имеется в виду кинетическая энергия частиц, из которых оно состоит. Чем горячее тело, тем энергичнее двигаются частицы, и соответственно, чем ниже температура, тем медленнее двигаются частицы. Для тех, кто пропустил школьный курс физики, это прозвучит необычно, но любое тело состоит из частиц (атомов), и чем быстрее двигаются эти атомы, тем выше температура. Соответственно если атомы вообще не двигаются, то температура максимально низкая, или правильнее сказать, она вообще отсутствует. Если что-то не состоит из частиц, то измерить его температуру нельзя.
Прибор для измерения температуры.
Что бы дать тепловую характеристику объекта или физического явления, нужно иметь прибор, с помощью которого можно измерять не только качественное, но и количественное изменения его температуры. Первые появившиеся термоскопы, по принципу работы, не совсем были похожи на большинство современных спиртовых термометров, их главное отличие было в отсутствии шкалы измерения, и зависимость измерения от атмосферного давления. Дать количественную оценку изменения температуры, с его применением, было невозможно.
Изобретение первого термоскопа приписывают Галилео Галилею в 1592 году. Он изобрел приспособление для измерения температуры. Это был довольно простой прибор, состоящий из стеклянного шара с трубкой, опущенного в емкость с водой, шаром вверх. Перед опусканием трубки в воду, Галилей ее слегка нагревал. При остывании воздух в шарике сжимался и образовывал пониженное давление, вследствие чего под атмосферным давлением вода поднималась вверх по стеклянной трубке. И соответственно опускалась с повышением температуры воздуха в шарике. С помощью образовавшегося водяного столба и велись наблюдения за изменением температуры.
Так как у творения Галилея, отсутствовала шкала измерения, то с помощью его прибора можно было только наблюдать, что температура изменяется в ту или иную сторону. Не имея никаких числовых характеристик, относительно начальной и конечной температуры. Помимо всего, показания могли отличаться из-за разницы в атмосферном давлении.
Далее стали появляется прототипы первых термометров, изобретенные разными учеными. В основе их работы оставался воздух, который сжимался и расширялся в зависимости от изменения температуры. И хоть некоторые из них имели измерительную шкалу, это были просто отметки, не имеющие единиц измерения.
И только в 1723 году, Немецкий ученый Габриель Фаренгейт, создал первый прототип современного термометра с универсальной шкалой имеющую единую точку отсчета. Вначале термометр Фаренгейта был спиртовой, далее он сделал его ртутным, чтоб повысить точность измерения. Приборы, основанные на взаимосвязи изменение объёма жидкости, с изменением температуры. Стали называть жидкостными термометрами. И уже потом стали появляется термометры с разным принципом работы, такие как механические, оптические и электронные.
Для чего придумали шкалу для измерения температуры?
Если нет необходимости прибегать к точным измерения, то температуру можно измерять очень абстрактным и субъективным методом. Просто на ощупь, используя самую примитивную шкалу измерения. Очень холодно, холодно, нормально, жарко, очень жарко. Тут, конечно, появляется ряд неудобств при передаче информации об измерении таким методом. Допустим, вы сказали кому-то, что вода в речке нормальная, он вам поверил и запрыгнул в воду. А для него эта температура оказалась холодной.
Для того чтоб температурная шкала была информативной, при передаче информации о температуре объекта, она должна быть завязана на универсальной точке отсчета, на каком-то физическом явлении, которое неизменно происходит при одинаковой температуре, при неизменных других показателях, чуть далее я приведу конкретные примеры. А в идеале таких явлений должно быть два, и чем больше между ними разница, тем лучше. Далее берем термоскоп и при наступлении первого явления ставим отметку, и присваиваем ей название. Максимально удобным считается цифровое обозначение, поэтому назовем ее нулевой отметкой. При наступлении второго явления также ставим отметку и тоже присваиваем ей имя, для максимально понятного примера пускай будет 100. Далее межу получившимися отметками делаем 99 промежуточных меток на одинаковом расстоянии, нумеруем их и даем название: «градус имени создателя данной шкалы».
Вот так просто можно создать свою систему измерения чего угодно, включая температуру. И когда вы скажите другому человеку что температура воды в речке, 42 градуса «имени кого-то там» на 100 кратной шкале относительно двух неизменных явлений. То человек вас поймет, и сделает исчерпывающий вывод по поводу температуры воды. Но при условии, что он знает кратность шкалы (сколько отметок между крайними делениями) и что за явления взяты за условные точки. Он даже сможет сделать свой термометр, основанный на любом принципе работы. Главное установить в нужных местах контрольные точки, а между ними сделать ровно 99 меток с одинаковым интервалом.
Казалось бы, все просто, нужно найти два таких явления и сделать универсальную единую шкалу для всех видов измерений. Чтоб люди во всем мире могли обменивается информацией о температуре. Но как вы узнаете далее, в разное время, разные учёные придумывали разные системы измерения для решения разных задач, взяв за контрольные точки разные физические явления. Причем некоторые до сих пор кажутся странными.
Основные шкалы измерения температуры.
Далее кратко рассмотрим различные системы измерения температуры, историю создания и на каких явлениях они основаны.
Шкала Цельсия.
В 1742 году Шведский ученый Андерс Цельсий предложил свой вариант шкалы измерения температуры. Тогда это была не совсем та шкала, который мы с вами привыкли пользоваться. В начале, за опорную нулевую точку Цельсий взял температуру кипения воды. А за отметку в сто градусов была выбрана температура замерзания воды. Но не спешите с выводами что он поступил неправильно, и можно сразу было все сделать удобнее. На тот момент это была перспективная идея а основной альтернативой была только шкала Фаренгейта о которой поговорим позже. Потом по некоторым данным Цельсий сам перевернул шкалу, поменяв местами контрольные точки для удобства использования. По другим данным это сделали его последователи. В любом случае в настоящее время мы пользуемся измененным вариантом. Где нулевая отметка это температура замерзания воды, а сто градусная отметка это её температура кипения. Важно отметить, что это утверждение справедливо только при нормальном атмосферном давлении.
Я считаю, что идея взять за контрольные точки поведение воды очень удачна в плане того что она может находиться в трех агрегатных состояниях при земных условиях. И большинство живых существ на земле, в большей степени состоят из этого вещества. Поэтому она так хорошо «прижилась» при повседневном использовании.
Шкала Фаренгейта.
Как я уже писал, Габриель Фаренгейт создал свой вариант шкалы измерения температуры, немного раньше Цельсия, в 1723 году. Он был одним из родоначальников жидкостных термометров и первым стал использовать ртуть в конструкции своих приборов. Можно смело сказать что он первым изобрел первый пригодный для использования, точный ртутный термометр.
При выборе контрольных точек, для создания своей шкалы, Фаренгейт проявил намного меньше логики и практичности. К примеру за отметку в 0°К, он принял самую низкую температуру на улице, которую ему приходилось испытывать, это примерно -17 °С. Не забывайте что это все-таки Европеец. Для привязки к физическому явлению, происходящему при этой температуре, он взял тающую смесь снега с нашатырным спиртом, и добавил туда соль. За температуру в 100 градусов он взял температуру тела человека. Многие, как и я, считают, что, изначально это должна была быть температура здорового человека, но по факту это температура больного человека, примерно 37.7°С.
Как и в случае с Цельсием, до сегодняшних дней дошла немного изменённая шкала измерения температуры по Фаренгейту. Ее поправили для удобства использования. В любом случае такой вариант «прижился», причем настолько хорошо, что его до сих пор используют в некоторых странах. Среди которых Соединённые Штаты Америки. Ведь они температуру измерят не как все остальные, у них и длинна в милях, и вес в фунтах.
Шкала Кельвина.
В 1848году, Уильям Томсон он же лорд Кельвин, разработал и представил шкалу для описания процессов, происходящих не только на нашей планете, но и за ее пределами. Принято считать, что за отправную точку в 0 Кельвинов, он взял абсолютный ноль. Это такая температура, при которой тепла вообще не существует, холоднее не бывает. Так можно избежать температуры с отрицательным знаком, что своего рода очень удобно.
Изначально за вторую точку была взята температура тройной точки воды, это 273,16 К равная +0,01 °C. Это такая точная температура, при которой вода может одинаково находится в трех разных агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. При фиксированном значении давления. Это позволяет откалибровать термометр без привязки к процессам происходящим при земных условиях, и тем более без привязки к сомнительным отметкам. В 2018 году для устранения зависимости определения тройной точки воды, от её изотопного состава, эту отметку завязали через значение постоянной Больцмана.
Думаете что Кельвинами пользуются только в лабораториях и при космических расчетах, а в повседневной жизни мы не используем такую единицу измерения? Приведу пример, шкала Кельвина применяется для измерения цветовой температуры. На светодиодных лампочках пишут: теплый, дневной или холодный свет, и подкрепляют это точными, цифровыми данными в виде цветовой температуры. Так например свечение в 1500—2000 К — свет пламени свечи; 2800 К— это свет от обычной ламы накаливания; 3500 К — люминесцентная лампа, такая какие раньше ставили в магазинах и общежитиях; после 9000 К белый холодный свет принимает голубой оттенок. А голубое небо, в ясную погоду—это около 15000 К
В международной системе единиц (СИ) — температура измерения в Кельвинах, отнесена к основным единицам измерения, и использование словосочетания (градусов Кельвина) не корректно.
В истории есть огромное количество менее используемые шкалы измерения температуры. Такие как: шкала Ранкина (°R),Рёмера (°Rø), Ньютона (°N), Делилья (°D), Реомюра (°Ré). Про данные единицы измерения я не могу рассказать нечего интересного и познавательного, а копировать буквы из википедии не хочется. Поэтому, просто имейте в виду что это далеко не полный список, известных шакал измерения температуры.
Заключение.
В разное время, разными учеными, для решения разных задач, были придуманы разные шкалы для измерения температуры. Тем более, как мы выяснили, сделать это совсем не сложно. Тем не мене в международную систему измерения температуры попала только единица «Кельвин», из-за практичности и универсальности.
Я считаю что для земных условий, удобнее, а может просто привычнее, пользоваться градусами Цельсия. И придерживаюсь мнения что Цельсий придумал прибор, который отвечает требованию:
Не человек для прибора, а прибор для человека.
Как и обещал, в конце статьи ссылка на статью про подробное описание температуры, и еще пару интересных по этой теме.
