Температура і термометри

Первинні і вторинні властивості

Поділ властивостей на первинні та вторинні, що стали підставою для філософського дуалізму, є характерна особливість галілеєвих фізики. На такій же позиції стояв Демокрит, що йшов з релятивізму Протагора (480 ... 410гг. до н.е.). Відомий уривок з «Пробірщіка», де Галілей відтворює міркування Демокріта: «... я цілком розумію, що, як тільки я уявляю що-небудь тілесне, матеріальне, я повинен разом з тим розуміти, що воно обмежене, має ту чи іншу форму, велике чи мале по відношенню до інших речей, знаходиться в тому чи іншому місці, в той чи в інший момент часу, рухається або нерухомо, стосується або не стосується іншого тіла, існує в єдиному тілі, в декількох або у багатьох, і ніяка уява не може відірвати річ від цих умов. Але те, що вона повинна бути білою або червоною, гіркою чи солодкою, що звучить або німий, погано чи добре пахне, - не розумію, чому я повинен примусити себе вважати, що речі повинні обов'язково супроводжувати ці характеристики. Навпаки, якби почуття не служили нам провідниками відчуттів, можливо, не виникло б і розмови, і навіть самого уявлення про них. Тому я думаю, що всі ці смаки, запахи, кольори і т.д. з точки зору предмета, в якому, здавалося б, вони перебувають, суть не що інше, як одні лише найменування, місцем їх перебування є лише відчувають тіло, так що якщо прибрати відчувають тварина, то будуть усунені і знищені всі ці властивості. Тому ми хотіли б вірити, що, так само як цим властивостям присвоєні назви, відмінні від назв інших, первинних і реальних явищ, так само і в дійсності вони від них відмінні ».

Щоб ще краще пояснити сказане, Галілей переходить незабаром до прикладів відчутних відчуттів, які укладені в нас, а не в тілах, до яких ми торкаємося, потім до запаху, смаку, звуку, «... які, я думаю, поза живої істоти не більше ніж найменування ».

Нарешті, «Тепло», тобто те, що ми тепер називаємо температурою, є для Галілея чуттєвим ознакою: «... я надто схильний думати, що тепло носить такий же характер і що ті речовини, які змушують нас відчувати тепло і які ми називаємо спільним ім'ям «полум'я», являють собою безліч дрібних частинок тієї чи іншої форми, що рухаються з тією чи іншою швидкістю, які, зустрічаючись з нашим тілом, проникають у нього з великою спритністю, їхній дотик, здійснюване при проходженні в нашу тканину і те, що відчувається нами, і є те вплив, який ми називаємо теплом, приємним або неприємним залежно від величини і більшій чи меншій швидкості цих малих частинок, які колють і пронизують нас ».

Тут ще немає кінетичної теорії тепла, оскільки галілеївських мінімальні тільця - це частинки вогню, а не матеріальні молекули. І все ж це був перший крок до кінетичної теорії, що затвердилася в наступному столітті.

Досвід з термоскопом

Особливої згадки заслуговує досвід Галілея з термоскопом, який також відноситься до Падуанському періоду, приблизно до 1597г. Експеримент важливий не тим, що послужив приводом для подальших дискусій про пріоритет у винаході термометра, а з-за нового антіарістотелева способу мислення, що проявляється і в задумі і в здійсненні досвіду. Досвід полягає в наступному. Руками зігрівають колбу розміром з яйце; колба має довге й тонке, як пшеничний стебло, шийку, опущена в чашу з водою. Якщо прибрати руки з колби, то вода з чаші в міру остигання судини почне підніматися в горло. Бенедетто Кастеллі, колишній учень Галілея, пише в 1638г.: «Цей ефект вищезгаданий синьйор Галілей використовував для виготовлення інструменту для визначення ступеня спеки та холоду ».

Жодному перипатетиків й на думку б не прийшла можливість вимірювання ступеня тепла і холоду, тому що, згідно з їх вченням, холод і тепло - це різні властивості, перемішані в матерії. Галілей же навчав, а пізніше (в 1623г.) І прямо написав у «Saggiatore» ( «Пробірщік»), що холод не є позитивною якістю, а є лише відсутність тепла, холод перебуває не в матерії, а в чутливому тілі.

Флорентійські термометри

Примітивний повітряний термоскоп Галілея Торрічеллі перетворив в рідинний (спиртовий) термометр. Його конструкція була настільки поліпшена Торрічеллі і членами Академії дослідів і виявилася настільки зручною для різних застосувань, що в XVII столітті «Флорентійські термометри» стали знамениті. Вони були введені в Англії Бойл і поширилися у Франції завдяки астроному Бульо (1605 ... 1694), що отримав в дар такий термометр від польського дипломата.

У 1694г. один з членів Академії дослідів Карло Ренальдіні (1615 ... 1698) першим запропонував прийняти як фіксованих температур при градуювання термометра температуру танення льоду і температуру кипіння води. Ренальдіні був підтриманий у 1742г. астрономом Цельсієм (1701 ... 1744), що запропонувала стоградусную шкалу з точкою «0», що відповідає кипіння води, і точкою «100», що відповідає її замерзання. Зміна напрямку шкали було вироблено в 1750г. іншим астрономом, Мартіном Штремером (1707 ... 1770).

Кільце Гравезанда

У процесі дослідження теплоти члени Академії дослідів, бажаючи довести, що всі тіла розширюються при нагріванні, запропонували досвід, який і зараз повторюється в школах і відомий як «кільце Гравезанда», але замість кулі, який в холодному стані може пройти крізь кільце, а в гарячому не проходить, члени Академії застосовували циліндр. Вони показали також, що теплове розширення рідин більше, ніж твердих тіл, і мали ясне поняття про теплоємності.

У 1702г. Гійом Амонтон (1663 ... 1703) удосконалив повітряний термометр Галілея, сконструювавши термометр, в основному збігається з сучасним газовим. Термометр Амонтона представляв собою U-подібну скляну трубку, більш короткий коліно якої закінчувалося резервуаром, що містить повітря; в довгу коліно наливалася ртуть у кількості, необхідній для підтримки сталості об'єму повітря в резервуарі. По висоті стовпа ртуті визначалася температура. Цікаво, що з цим інструментом, зустрінутим дуже несхвально, Амонтон прийшов до поняття абсолютного нуля, що за його даними відповідав -239,5 ° С. Ламберт повторив досліди Амонтона з більшою точністю і теж прийшов до поняття абсолютного нуля, яке він висловлює так: «Ступінь тепла, що дорівнює нулю, може бути фактично названа абсолютним холодом. Виходить, при абсолютному холоді обсяг повітря дорівнює або майже дорівнює нулю. Можна сказати, що при абсолютному холоді повітря стає настільки щільним, що його частинки абсолютно стикаються один з одним, так що повітря стає непроникним ».

Фаренгейт і Реомюр

Вирішальне удосконалення конструкції термометра зробив німець Габріель Даніель Фаренгейт (1686 ... 1736), який скористався ідеєю Олафа Ремер. Фаренгейт виготовляв ртутні і спиртові термометри тієї форми, яка застосовується і зараз. Успіх його термометрів слід шукати у введеному їм новий метод очищення ртуті; крім того, перед Запевняю він, що кипить рідина в трубці. Його термометричні шкала (у другому варіанті, прийнятому з 1714г.) мала три фіксовані точки: 0 ° відповідав температурі суміші води, льоду і нашатирю, 96 ° -- температурі тіла здорової людини (під пахвою або в роті). В якості контрольної температури для звірки різних термометрів було прийнято значення 32 ° для точки танення льоду.

Рене Антуан Фершо де Реомюр (1683 ... 1757) не схвалював застосування ртуті в термометрах внаслідок малого коефіцієнта розширення ртуті. У 1730г. він запропонував застосовувати у термометрах спирт і ввів шкалу, побудована не довільним чином, як шкала Фаренгейта, а у відповідності з тепловим розширенням спирту. І оскільки Реомюр знайшов, що застосовуваний ним спирт, змішаний в пропорції 5:1 з водою, розширюється відносно 1000:1080 при зміні температури від точки замерзання до точки кипіння води, то запропонував шкалу від 0 до 80 °. До цих двох шкалами додалася шкала Цельсія-Штремера. Під кінець століття кількість різних шкал швидко зросло. У «пірометрії» Ламберта наводиться 19 шкал. На щастя, зараз застосовуються лише три описані вище шкали, і цього теж дуже багато.

Історія встановлення метричної системи служить наочним прикладом того, як важко зупинитися на якусь систему заходів, подолавши для цього силу традицій, розходження інтересів виробників і національні почуття. Прикладом служить таблиця

У 1747г. голландець Петер ван Мушенбрек (1692 ... 1761), перший автор систематичного курсу фізики, використовував розширення залізного бруска для вимірювання температури плавлення ряду металів. Мушенбреку ми зобов'язані першими досвідченими дослідженнями теплового розширення твердих тіл, яке він реєстрував за допомогою механізму з зубчаток і важелів, схожого з демонстрованим зараз в школі.

Список літератури

Галілей Г. Пробірних справ майстер - М., 1987.

Голін Г.М., Філоновіч С. Р. Класики фізичної науки (з найдавніших часів до початку XX ст) М.: Висш. Шк., 1989.

Маріо Льоцці Історія фізики/Пер. з іт. Е. Л. Бурштейна М.: Світ, 1970.