Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Устройство, сделанное по принципу расширения жидкости из резервуара в тонкую трубку, используется для измерения температуры. Оно называется «термометр» (от греческих слов, означающих «меру теплоты»). Такие термометры были сначала изобретены в XVII столетии; тогда в них использовались разнообразные жидкости. Вода, естественно, была одной из первых. К сожалению, при изменении температуры вода расширяется неравномерно. Фактически она достигает точки максимальной плотности и минимального объема при температуре, которая находится чуть выше ее точки замерзания. Если мы будем далее понижать температуру, то вода будет расширяться до тех пор, пока температура не достигнет точки замерзания; тогда она замерзнет (и при этом расширится еще больше, поскольку плотность льда меньше, чем плотность воды, почти на десять процентов). Кроме того, вода остается жидкостью в сравнительно маленьком температурном диапазоне и бесполезна для температур ниже ее точки замерзания или выше точки кипения. Этиловый спирт, также используемый в термометрах, остается жидкостью при температуре гораздо ниже той, при которой замерзает вода, однако кипит при температуре даже более низкой, чем температура кипения воды.

Кроме того, и вода, и этиловый спирт смачивают стекло. По мере того как высота жидкости падает с понижением температуры, какая-то часть жидкости остается на трубке, сцепившись со стеклом, а затем медленно опускается вниз. При этом происходит медленное повышение уровня жидкости и трудно решить, происходит это из-за повышения температуры или из-за того, что жидкость сочится вниз.

Первым, кто решил использовать в термометрах в качестве жидкости ртуть, был немецкий физик Даниель Габриель Фаренгейт (1686–1736), и это произошло в 1714 году. Точка замерзания ртути находится значительно ниже точки замерзания воды, а ее точка кипения — значительно выше; кроме того, при повышении температуры ртуть расширяется очень плавно. (Одним из путей оценки этого является то, что мы можем отметить согласованность между изменением объема ртути и другими изменениями в материи вещества, которые говорят об изменении температуры. Более разумно было бы предположить, что все эти изменения взаимосвязаны с изменением температуры, а не получены путем случайных совпадений.) Наконец, ртуть не смачивает стекло, а потому медленно стекающие остатки ртути не оказывают влияния на высоту ртутной колонки.

Как только мы получили легко видимое свидетельство изменения измеряемой температуры — посредством повышения и падения ртутного столбика в узкой трубке термометра, следующим этапом стало градуирование этого термометра, то есть необходимость связать некоторые определенные числовые значения с определенными положениями столбика термометра.

При нормальном атмосферном давлении, например, лед плавится при вполне определенной температуре, и резонно полагать, что эта температура одинакова везде и всегда. (По крайней мере, пока не будет доказано противоположное.) Точно так же при нормальном атмосферном давлении вода всегда кипит при определенной температуре, которая одинакова везде и всегда. Если поместить термометр в тающий лед, то можно поставить отметку на том уровне, на который поднимется ртутный столбик; можно также поставить другую отметку на том уровне, на который поднимается ртутный столбик, когда мы погружаем термометр в кипящую воду. Таким образом, все люди могут поставить эти две отметки на своих термометрах, и они будут «совместимы между собой», то есть «будут говорить на одном языке». Как только мы получили две такие отметки, мы можем поделить расстояние между ними на некие равные части, или, как их называют, «градусы».

К сожалению, метод, которым воспользовался Фаренгейт для установления точки отсчета, непосредственно не вовлекал ни точку таяния льда, ни точку кипения воды. Для определения нулевой точки он использовал смесь льда и соли, которая показала ему самую низкую точку замерзания, которую он мог получить, а для другой точки он использовал температуру человеческого тела. Он закончил тем, что связал точку замерзания чистой воды с числом 32, а точку закипания воды — с числом 212. (Как вы знаете, эти числа разделены 180 градусами.) Получившаяся шкала называется «шкалой Фаренгейта», а измерения по этой шкале делаются в «градусах Фаренгейта», или сокращенно «°F». Таким образом, точка замерзания воды равна 32 °F, а точка кипения воды равна 212 °F. Нормальная температура человеческого тела равна 98,6 °F, а комнатная температура, при которой человек чувствует себя комфортно, равна примерно 70 °F.

Если температура опускается ниже отметки 0 °F, то говорят, что «сейчас столько-то градусов ниже нуля», или используют для обозначения температуры знак «минус». Таким образом, этиловый спирт замерзает при температуре 179° ниже нуля по Фаренгейту, или при — 179 °F.

В 1742 году шведский астроном Андерс Цельсий (1701–1744) ввел в использование другую шкалу, в которой точка замерзания воды была связана с нулем, а точка кипения воды — с 100, таким образом, эти точки разделены величиной в сто градусов. Эта шкала называлась «стоградусной шкалой» (Centigrade — от латинских слов, означающих «сотня градусов»), но в 1950-х годах было принято решение увековечить память изобретателя, переименовав эту шкалу в «шкалу Цельсия». Когда мы используем «стоградусную шкалу», или «шкалу Цельсия», то обозначаем полученные значения в «°С». По шкале Цельсия точкой плавления льда, или точкой замерзания воды, является 0 °С, а точка кипения воды равна 100 °С.

Шкала Цельсия гораздо более удобна для различных ученых, потому что промежуток от 0 до 100 хорошо согласуется с десятичной природой метрической системы, а также потому, что на всем этом протяжении температур вода остается жидкой, что особенно важно для химиков. Именно шкала Цельсия является универсальной шкалой температур, которую используют все ученые.

Однако в повседневной жизни в Соединенных Штатах и Великобритании продолжают использовать шкалу Фаренгейта, которая имеет по крайней мере одно преимущество — диапазон от 0 до 100 градусов по шкале Фаренгейта охватывает весь обычный диапазон температур в мире. Метеорологи, использующие шкалу Цельсия, часто должны оперировать отрицательными числами, но, когда они используют шкалу Фаренгейта, необходимость в этом случается крайне редко.

Так как в Соединенных Штатах и Великобритании используются обе шкалы, полезно уметь конвертировать одну в другую. Итак, начнем с того, что в диапазоне температур между точкой замерзания воды и точкой кипения воды располагаются 180 градусов Фаренгейта и 100 градусов Цельсия. Очевидно, что градус Цельсия — больший из двух и равен 180/100, то есть 9/5 градуса Фаренгейта. И наоборот, градус Фаренгейта равен 100/180, или 5/9 градуса Цельсия.

Этого было бы достаточно, если бы обе шкалы имели общую точку отсчета, то есть нулевую точку, но это — не так. Если градусы Цельсия умножить на 9/5» то в результате мы получим число градусов Фаренгейта, но не выше 0 °F, а выше 32 °F (поскольку 32 °F эквивалентны 0 °С). По этой причине к полученному результату следует прибавить 32. Другими словами:

F = 9/5C + 32. (Уравнение 13.1)