Термометри та температура - Вчи фізику!
Запитання «Що таке шкала температур?» — годиться будь-якому фізику — від студента до професора. Повна відповідь на нього зайняла б цілу книгу і могла б послужити гарною ілюстрацією зміни поглядів і прогресу фізика за останні чотири століття. Температура - це ступінь нагрітості за певною шкалою. Для грубої оцінки, без термометра, можна скористатися чутливістю власної шкіри, але наші відчуття тепла та холоду обмежені та ненадійні.
Досвід. Чутливість шкіри до тепла та холоду. Цей досвід дуже повчальний. Поставте три тазики з водою: один із дуже гарячою, друй із помірно теплою, а третій із дуже холодною. Опустіть хвилини на 3 одну руку в гарячий та іншу в холодний таз. Потім обидві руки опустіть у таз із теплою водою. Тепер спитайте кожну руку, що вона «скаже» вам про температуру води?
Термометр точно говорить нам, наскільки річ гаряча чи холодніша; з його допомогою можна порівняти ступінь нагрітості різних предметів, користуючись ним знову і знову, ми можемо порівняти спостереження, зроблені у час. Він має певну незмінну, відтворювану шкалу — характерну приналежність будь-якого гарного приладу. Спосіб виготовлення термометра і сам прилад диктують нам ту шкалу та систему вимірювань, якою ми маємо користуватися. Перехід від грубих відчуттів до приладу зі шкалою – не просто вдосконалення нашого всязання. Ми винаходимо і вводимо у вжиток нове поняття – температуру. Наше грубе уявлення про гаряче і холодне містить у зародку поняття температури. Дослідження показують, що з нагріванні багато хто з найважливіших властивостей речей змінюються, і. для вивчення цих змін потрібні термометри. Повсюдне поширення термометрів у побуті відсунуло другого план сенс поняття температури. Мивважаємо, що термометр вимірює температуру нашого тіла, повітря чи води у ванні, хоча насправді він показує лише власну температуру. Ми вважаємо зміни температури від 60 до 70 ° і від 40 до 50 ° однаковими. Однак жодних гарантій того, що вони справді однакові, у нас, мабуть, немає. Нам залишається вважати їх однаковими за визначенням Термометри все ж таки корисні нам як вірні слуги. Але чи справді за їхнім відданим «обличчям» — шкалою прихована її сяйво Температура.
Прості термометри і шкала Цельсія Температуру в термометрах показує крапелька рідини (ртуті або пофарбованого спирту), що розширюється при нагріванні, поміщена в трубку з поділками. Щоб шкала одного термометра збігалася з іншою, ми беремо дві точки: танення льоду та кипіння води в стандартних умовах і приписуємо їм поділу 0 та 100, а інтервал між ними ділимо на 100 рівних частин. Отже, якщо по одному термометру температура води у ванні дорівнює 30°, то будь-який інший термометр (якщо він правильно проградульований) покаже те саме, навіть якщо у нього пубрик і трубка зовсім іншого розміру. У першому термометрі ртуть розширюється на 30/100 розширення від точки плавлення до кипіння. Розумно очікувати, що і в інших термометрах ртуть розширюватиметься так само і вони також покажуть 30°. Тут ми покладаємося на Універсальність Природи 2>. Припустимо тепер, що ми взяли іншу рідину, наприклад гліцерин. Чи дасть це ту саму шкалу при колишніх точках? Звичайно, для узгодження з ртутним гліцериновий термометр повинен мати 0° при таненні льоду та 100° – при кипінні води. Але чи показання термометрів збігатимуться при проміжних температурах? Виявляється немає коли ртутний термометр показує 50,0 ° С, гліцериновий термометр показує 47,6 ° С.ртутним гліцериновим термометром на першій половині шляху між точкою танення льоду і точкою кипіння води трохи відстає. (Можна зробити термометри, які дадуть ще більшу розбіжність. Наприклад, термометр із парами води показав би 12° у точці, де по ртутному 50°!
При цьому виходить так звана шкала Цельсія, яка зараз широко використовується. У США, Англії та деяких інших країнах застосовується шкала Фаренгейта, на якій точки танення льоду та кипіння води позначаються цифрами 32 та 212. Спочатку шкала Фаренгейта будувалася на двох інших точках. В якості нуля бралася температура суміші, що заморожує, а числу 96 (число, що розпадається на велике число співмножників і тому зручне в обігу) зіставлялася нормальна температура людського тіла. Після модифікації, коли стандартним точкам були зіставлені цілі числа, температура тіла виявилася між 98 і 99. Кімнатна температура 68 ° Р відповідає 20 ° С. Незважаючи на те, що перехід від однієї шкали до іншої змінює числове значення одиниці температури, він не зачіпає самої концепції температури. Остання міжнародна угода запровадила ще одну зміну: замість стандартних точок танення льоду та кипіння води, що визначають шкалу, прийнято «абсолютний нуль» та «потрійну точку» для води. Хоча ця зміна у визначенні температури — фундаментальна, до звичайної наукової роботи вона практично не вносить жодної різниці. Для потрійної точки число вибрано так, що нова шкала дуже добре узгоджується зі старою. 2> Ця міркування дещо наївна. Адже скло теж розширюється Чи діє розширення скла на висоту стовпчика ртуті? Що, крім простого розширення ртуті, показує термометр? Припустимо, що два термометри містять чисту ртуть, але кульки їх зроблені з різних сортів скла.з різним розширенням. Чи вплине це на результат?