Физика - Каплун С. В. - Страница 27

Современники Фаренгейта всегда удивлялись тому, что различные его термометры давали одинаковые показания. «Секрет» Фаренгейта заключался в том, что он очень аккуратно наносил деления шкалы, используя для этого всегда одни и те же «опорные» точки.

Его термометрическая шкала (во втором варианте, принятом с 1714 г.) имела три фиксированные точки: нулевая точка соответствовала температуре смеси воды, льда и нашатыря, 96° – температуре тела здорового человека (под мышкой или во рту). В качестве контрольной температуры для сверки различных термометров было принято значение 32° для точки таяния льда. Точка кипения воды приходилась на 212 °Б (именно так обозначают температуру по шкале Фаренгейта).

Во Франции популярной стала другая термометрическая шкала, которую в 1740 г. предложил Рене Реомюр (1683–1757). Реомюр обнаружил, что применяемый в термометре спирт, смешанный в пропорции 5:1 с водой, расширяется в отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды. На этом основывается предложенная им шкала – от 0 до 80 °Л..

Современная шкала Цельсия была создана в 1742 г. шведским астрономом и физиком Андрисом Цельсием (1701–1744).

Цельсий предложил стоградусную шкалу термометра, в которой за ноль градусов принимается температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении, а 100 градусов – температура таяния льда. Деление шкалы составляет 1/100 этой разницы.

Когда начали использовать термометры, оказалось удобнее поменять на шкале местами 0 и 100 градусов. Возможно, в этом участвовал ботаник Карл Линней (он преподавал медицину и естествознание в том же Упсальском университете, где Цельсий преподавал астрономию), предложивший еще в 1738 г. за ноль температуры принять температуру плавления льда, но похоже, что он не додумался до второй реперной («опорной») точки.

Вообще существовало более десятка различных термометрических шкал. В России XVIII в. была распространена шкала Делиля, которую затем заменили шкалой Реомюра. Только в тридцатые годы ХХ в. в СССР шкала Цельсия вытеснила другие термометрические шкалы.

Приведем формулу, с помощью которой вы сможете переводить значение температуры из шкалы Фаренгейта в шкалу Цельсия:

где t – значение температуры по шкале Цельсия, а F – значение температуры по шкале Фаренгейта.

Позже, когда физики поняли, что температура является мерой средней кинетической энергии движения молекул, стало очевидным, что температуру можно измерить даже в джоулях! Кроме того, пришли к выводу, что существует состояние, при котором температура вещества является самой низкой и уже ниже быть не может. Если выразить эту наиболее низкую температуру по шкале Цельсия, то ее значение будет -273,16 °C.

Из этого следует, что можно создать такую температурную шкалу, в которой это значение принимается за ноль, а все остальные находятся выше. Такая шкала называется абсолютной шкалой температур, или шкалой Кельвина (она названа так в честь выдающегося английского ученого Уильяма Томсона – лорда Кельвина).

Один градус по этой шкале равен одному градусу по шкале Цельсия. Таким образом, связь между значением температуры по шкале Цельсия и температуры по шкале Кельвина имеет следующий вид:

T = t + 273,

где Т – значение температуры по шкале Кельвина, а t – значение температуры по шкале Цельсия.

В заключение этого краткого обзора сделаем важное замечание. Температура – это такая физическая величина, которую невозможно измерять так же, как, например, длину, объем, массу. Поясним это следующим образом.

Длина ряда из нескольких палок равна сумме длин каждой из них. Измерение длины – это сравнение ее с определенным эталоном.

К температуре это применить невозможно. Например, если мысленно разделить нагретый стержень на несколько частей, то это не означает, что его температура равна сумме температур каждого куска! Недаром задача измерения температуры как физической величины решалась несколько веков!

Сейчас существуют десятки новых методов измерения температуры и в обычных, и в экстремальных условиях. Все они основываются на современных научных идеях и технологических достижениях.

Холодно и жарко

Температурные условия в разных уголках Земли, в околоземном пространстве, на звездах существенно различаются.

Взгляните на средние значения температуры земной атмосферы на разных высотах от поверхности Земли:

Температура вещества внутри Земли определена недостаточно точно, поэтому приведенные ниже данные являются ориентировочными (для того чтобы вы привыкли к шкале Кельвина, которой пользуются в Международной системе единиц, эта температура приведена именно в кельвинах):

А теперь сравните между собой некоторые значения температуры, которые встречаются в природе и технике:

температура горения соломы – 800 °C, дров – 1000 °C, антрацита – 1300 °C;

температура пламени газовой горелки 1600–1850 °C;

температура вольфрамовой нити лампочки накаливания – 2530 °C и выше;

температура газов в камере сгорания ракетного двигателя – 2200–3700 °C;

наиболее высокая температура, зарегистрированная на Земле в 1922 г. в Северной Африке – 58 °C; самая низкая температура, зарегистрированная на Земле (Антарктида, научная станция «Восток», 1960 г.), – 88,3 °C.

Жаркая пустыня

Холодная Антарктида

Тепловые машины

Как известно, тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу.

Первым устройством для преобразования тепла в механическую работу могла быть паровая пушка «Архитронито» (в переводе – сильный гром). Описание этого прибора найдено в записях Леонардо да Винчи, который приписывает это изобретение Архимеду. Некоторые специалисты считают, что речь идет не об известном всем Архимеде и изобретение относится к более позднему периоду. Такая пушка вполне могла существовать, но ее нельзя, конечно, считать двигателем.

Поэтому прообразом теплового двигателя считается созданный в I в. до н. э. выдающимся ученым и изобретателем того времени Героном Александрийским так называемый эолипил. Устройство представляло собой полый шар. В вертикальной плоскости шар имел две выступающие, расположенные диаметрально противоположно друг к другу, изогнутые трубки. Под шаром был установлен сосуд, частично заполненный водой. Когда под сосудом разводили огонь, вода в нем закипала. Выделявшийся пар, поступал во внутреннюю полость шара по паропроводам и вытекал из нее посредством изогнутых трубок, вызывая вращение шара. Отметим, что это устройство было сделано только для развлечения: его назначение – быть просто интересной игрушкой.

Первая паровая машина – эолипил

Промежуток времени от создания эолипила до устройств, превращающих силу огня в полезную работу, был огромен.