Кричевский И.Р. Понятия и основы термодинамики (Кричевский И.Р. Понятия и основы термодинамики.djvu), страница 5

Термометр состоял из стеклянного шарика и припаянной к нему узкой стеклянной трубки (рис. 2). Нагревали шарик в руках и опускали конец трубки в воду, налитую в сосуд. После охлаждения шарика вода поднималась в трубке выше уровня воды в сосуде. К трубке для удобства наблюдения прикрепляли шкалу с произвольно нанесенными делениями *. Прибор, изобретенный Галилеем, являлся, конечно, не термометром, а термоскопом.

Он позволял качественно судить о повышении или понижеск'п Г, и нии темпеРатУРы по понижению или повышению уровня воды в трубке. Впрочем, и качественное суждение об изменении температуры могло быть однозначным только тогда, когда при изменении температуры не изменялось атмосферное давление. И тем не менее можно без преувеличения сказать: научная термометрия и, следовательно, термодинамика ведут свое начало со времени изобретения Галилеем первого термоскопа е*. * Описание термометра, изобретенного Галилеем, дано в книге Бэкона [21.

Само слово «термометр» впервые появилось в 1б24 г. в кинге француза Лере- вона [171. Описание и рисунки старинных термометров, от Галилея до Фаренгейта,приведены в [2Ц. "* Ранняя история термометрии изложена в интересной книге [221. 23 Влияние изменяющегося давления воздуха на показания термоскопа могло быть учтено после изобретения барометра Торричелли (1644 г.) и открытия Бойлем (1661 г,) зависимости между давлением и объемом газа при постоянной температуре '. Но раньше, чем это случилось, был изобретен жидкостный термометр (точнее, тоже термоскоп). Показания его практически не зависели от изменения барометрического давления.

Для иллюстрации можно указать, что в современном ртутном стоградусном термометре изменение внешнего давления на одну атмосферу меняет показания термометра на О,!' С [24). Жидкостный термометр представлял собой перевернутый прибор Галилея, заполненный вместо воздуха на первых порах водой, потом спиртом, другими жидкостями и, наконец, ртутью "«. Конец трубки сначала оставался открытым, а потом догадались запаивать его.

Трубку делили на произвольное число равных частей (градусов). В жидкостном термометре полностью сохранена гениальная идея Галилея — судить об изменениях температуры по другим изменениям, происходящим в телах. Своим усовершенствованием, превращением в надежный прибор жидкостный термометр был обязан нестолько предполагаемым изобретателям — французскому врачу Рею (1631 г.) или великому герцогу Тосканскому Фердинанду 11 (1642 г.), сколько работам флорентинской академии экспериментальных исследований (! 657— 1667 гг.) **" Г[осле изобретения термоскопа возникла основная задача— превращение его в термометр.

Сам Галилей не решил этой задачи (он и не решал ее). На полное ее решение потребовалось 150 лет— с 1592 по 1742 г. Но Галилей четко формулировал общую задачу: «Измерять то, что измеряемо, и постараться сделать измеряемым то, что еще не является таковым» [251. Для превращения термоскопа в термометр надо было установить принцип (или принципы, как оказалось впоследствии) сопоставления уровня жидкости в трубке прибора с температурой тела.

Члены флорентинской академии [16, 26) — большинство из них в прошлом были учениками Галилея — не поняли, однако, что производимое ими деление трубки термометра на произвольное число равных частей и есть один из возможных принципов. Флорентинские академики, да и почти все последующие исследователи, занимавшиеся вопросами термометрии вплоть до начала Х[Х века, под- ' Бойль писал: «Эти термометры, подверженные действию атмосферы различного веса, а также тепла н холода, легко могут сбивать нас с толку, если мы не будем одновременно определять другим прибором (т, е.

барометром, И. К.) вес атмосферы (цит. по [23], стр. 85). " Ртуть оказалась очень удобным термометрнческим веществом. Один физик Х*т'11! столетия даже заявил в порыве восторга: «Определенно, природа создала ртуть для изготовленив термометровм [1б), '«' «Число флорентинских академиков не превышало числа муз» [1б), а научные заслуги академии весьма велики. твердили замечание: «Гораздо легче производить измерения, чем точно знать, что измеряется» ((27), стр.

22). При использовании указанного принципа для совпадения показаний различных термометров необходимо было все термометры калибровать по какому-нибудь одному, принятому за стандартный. Так, по-видимому, поступали флорентинские академики: они располагали термометрами с очень хорошо совпадавшими показа. пнями. Необходимость калибровки всех термометров по одному стандартному означает, что принцип не дает возможности воспроизвести данную температуру без применения термометра. Отсюда также следует, что нет возможности воссоздать стандартный термометр после его поломки или порчи. Но все это недостатки практического, а не принципиального характера.

Опыт применения термометров, однако, показал, что эти недостатки устранимы. Уже флорентинские академики знали, что в смеси воды и льда один и тот же термометр всегда дает одно и то же показание. Отсюда и возникло понятие о состояниях (точках) с постоянной температурой. Гораздо позже стало известно, что у любого тела можно воспроизводить одну и ту же температуру, если воспроизводить определенное число условий.

Например, воспроизведем плотность и давление воздуха. Тогда воспроизведется и его температура, — один и тот же термометр всегда даст одно и тоже показание. Вполне понятно, почему точка постоянной температуры впервые была открыта на примере смеси воды со льдом. В этом случае число условий, которые надо воспроизвести, минимально: необходимо только приготовить смесь. Температура смеси не зависит от соотношения между количествами воды и льда. При точности измерения температуры в ХЧП в. нельзя было заметить изменение температуры смеси при изменении барометрического давления *. Открытие второй постоянной точки — температуры кипения во. ды — потребовало гораздо больше времени. В этом случае температура кипения заметным образом зависит от барометрического давления.

Факт этот окончательно (1724 г.) установил стеклодув ** Фаренгейт 128). Открытие двух постоянных точек было использовано для сопоставления уровня жидкости в трубке термометра с температурой тела, Изменение длины столбика жидкости, вызываемое изменением температуры от точки плавления льда до точки кипения воды (при * Проверяли, не зависит ли температура смеси воды и льда от геогрефической широты. 'ь Йеучиые приборы, научная аппаратура ХЧП и первой половины ХЧ1Н ве. ке были почти исключительно стеклянными.

Поэтому уровень стекольной промышленности и искусство стеклодувов оказывали существенное влияние не достижения исследователей. «Не может ли высокий уровень стекольной промышленности пролить некоторый свет не научное превосходство Италии между 1550 и 1650 годеми» [29). 25 давлении в одну атмосферу), делили иа произвольное число равных частей — градусов.

Деление продолжили и ниже, и выше двух постоянных точек. Этот принцип построения термометрической шкалы с успехом применил Фаренгейт (28~, Окончательное торжество принципа связано с именем Цельсия (1742 г.). Цельсий обозначил температуру плавления льда через сто градусов, температуру кипения воды— через нуль градусов и ввел во всеобщее применение стоградусную шкалу температур (281.

Штремер [4) вскоре (!750 г.) переменил ме. стами числа градусов у температур плавления льда и кипения воды, и шкала стала уже полностью современной. Использование двух постоянных точек для построения термометрической шкалы имеет несомненные практические преимущества. Для изготовления термометров с совпадающими показаниями не надо было калибровать все термометры по стандартному термометру, Показания термометра не зависели от объема шарика термометра и диаметра трубки (одинакового по всей ее длине). Цельсий применял ртуть в качестве термометрической жидкости. Но опыты показали, что термометры, наполненные различными жидкостями и калиброванные по точкам плавления льда и кипения воды, ие дают, как правило, одинаковых показаний при прочих температурах.

Поэтому показания термометров, наполненных различными жидкостями, необходимо было сопоставлять на всем протяжении шкалы. Принцип построения термометрической шкалы по двум постоянным точкам, при всех его практических преимуществах, является только одним из многих (бесчисленно многих) возможных принципов. Бойль (1ббб г.) и Реомюр (1730 г.) предложили метод построения термометрической шкалы по одной постоянной точке (28). Градусу шкалы должна была соответствовать определенная (но произвольная) доля кажущегося приращения объема термометрической жидкости при изменении температуры. Метод Бойля — Реомюра тоже позволяет изготовлять термометры с совпадающими показаниями без калибровки по стандартному термометру, если только известны объемы шарика и трубки термометра.