§ 3.2. Температура. Тепловое равновесие

Термометрами пользуются все. А что они измеряют? Конечно, температуру! Однако это еще не ответ. Что означают слова: «Я измерил температуру тела»? Что я при этом узнал? Что именно характеризует температура? Это не так просто, как может показаться на первый взгляд.

Субъективные представления о температуре

В геометрии вводят одну основную величину — длину. Остальные величины: площадь и объем — производные. В кинематике добавляют еще одну величину — время. Скорость, ускорение являются производными. В динамике еще одной основной величиной становится масса. В теории тепловых явлений единственная новая основная величина, которую надо ввести, — это температура.

В коже нашего тела, кроме чувствительных приемников, - реагирующих на прикосновение, давление и болевые раздражения, есть приемники, реагирующие на раздражение ощущением тепла и холода. Руководствуясь этим, можно все тела расположить в ряд по их способности вызывать ощущения тепла и холода. Причину способности тел по-разному воздействовать на органы чувств можно связать с различной степенью нагретости тел — температурой. Это только качественное, субъективное определение температуры, не содержащее указаний на способ ее измерения. В отличие от измерения длины, времени, массы и т. д. прошло длительное время, прежде чем на смену субъективным впечатлениям о температуре пришли точные и единые методы ее измерения. Развитие методов измерения температуры стало возможным лишь тогда, когда была установлена зависимость от температуры таких величин, как длина, объем и т. д., которые можно измерять непосредственно.

Происхождение терминов «температура» и «градус»

Врачи еще в древности заметили, что здоровье человека связано с теплотой его тела. Знаменитый античный врач Гален (ок. 130 — ок. 200) считал основным свойством лекарств их согревающее и охлаждающее действие. Наряду с этим лекарства должны регулировать противоположные качества: сухость и влажность. Все лекарства согласно Галену следует различать по «градусам» теплоты, холода, влажности и сухости (от лат. gradus — шаг, ступень). Каждое из этих качеств имеет четыре основных градуса, каждый из которых в свою очередь разделяется на три части. Требуемый градус лекарств можно получить путем их смешения в разных пропорциях. Именно отсюда берет начало термин «температура» (от латинского слова temperatura — смешение). Правда, ни сам Гален, ни его последователи не смогли определить количественную связь между градусом смеси и градусами компонентов. Но понятия «температура» и «градус» появились еще до изобретения термометра.

Первые термометры

Количественные методы измерения температуры тел начали развиваться в XVII в. Первый прообраз термометра демонстрировал на своих лекциях Г. Галилей в 1592 г. Термометр Галилея (термоскоп) состоял из трубки, частично заполненной водой, и стеклянного шарика. Конец трубки был опущен в открытый сосуд с водой (рис. 3.3). При нагревании шарика давление воздуха в нем увеличивалось и уровень воды в трубке опускался. При охлаждении, наоборот, уровень поднимался вверх. Таким образом, о температуре можно было судить по уровню воды в трубке. Первое применение термоскоп нашел в медицине.

Термоскоп Галилея

Термоскоп Галилея имел тот недостаток, что его показания зависели от атмосферного давления. При повышении давления уровень жидкости в трубке будет повышаться без увеличения температуры. Впоследствии во Флоренции были изготовлены полностью запаянные термометры, показания которых не зависели от атмосферного давления. Вода была заменена спиртом с более высокой температурой замерзания. Чтобы показания различных термометров можно было сравнивать, необходимо ввести температурную шкалу. Для этого надо прежде всего установить постоянные точки с фиксированной температурой. После многих попыток в качестве опорных точек были выбраны температуры таяния льда и кипения воды. Впервые это предложил сделать нидерландский ученый X. Гюйгенс (1629—1695) в 1655 г. До этого в качестве опорных точек использовались такие ненадежные и неопределенные точки, как температура здорового человека (по Ньютону), температура воздуха при первых заморозках в окрестностях Магдебурга (по Герике) и т. д.

Самой употребительной температурной шкалой в англоязычных странах до сих пор является шкала Фаренгейта. За 0° в этой шкале принимается температура смеси снега и нашатыря, а за 100° — нормальная температура человеческого тела. Температуре замерзания воды по этой шкале соответствует 32 °F, а температуре кипения 212 °F.

Современные термометры

термометр

Для измерения температуры можно воспользоваться изменением любой макроскопической величины в зависимости от температуры: объема, давления, электрического сопротивления и т. д.

Чаще всего на практике используют зависимость объема жидкости (ртути или спирта) от температуры. При градуировке термометра обычно за начало отсчета (0) принимают температуру тающего льда; второй постоянной точкой (100) считают температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении (шкала Цельсия). Шкалу между точками 0 и 100 делят на 100 равных частей, называемых градусами (1 °С) (рис. 3.4). Перемещение столбика жидкости на одно деление соответствует изменению температуры на 1 °С.

Обычный жидкостный термометр — очень «умный» прибор. Жидкости при нагревании незначительно увеличивают свой объем, и ее расширение было бы почти незаметным, если бы жидкость расширялась только в узкой трубке. Поэтому в термометре используется простой, но хитроумный механизм усиления. Бо́льшая часть жидкости находится в шарике на конце трубки, а не в самой трубке.

Поэтому даже 2%-ное изменение полного объема жидкости приводит к изменению длины столбика в 10 и более раз.

Так как различные жидкости расширяются при нагревании не совсем одинаково, то установленная таким образом шкала будет до некоторой степени зависеть от свойств жидкости. Опорные точки 0 °С и 100 °С будут, конечно, совпадать у всех термометров, но, скажем, отметки 50 °С совпадать не будут.

Какое же вещество выбрать, чтобы избавиться от этой зависимости? Было замечено, что в отличие от жидкостей все разреженные газы — водород, гелий, кислород — расширяются при нагревании одинаковым образом и одинаково меняют свое давление при изменении температуры. По этой причине в физике для установления температурной шкалы используют изменение объема определенного количества разреженного газа при постоянном давлении или изменение давления при постоянном объеме. Это так называемая газовая шкала температур. В интервале от 0 до 100 °С ртутная и газовая шкалы температур практически совпадают.

Подробнее с газовой шкалой температур мы познакомимся в дальнейшем.

Окончание параграфа >>>