Долгий путь термометров

Продолжение. Начало см. в № 4/2008

Реомюр и Делиль

Французский ученый-универсал – натуралист, биолог и физик, почетный член Петербургской академии наук – Рене Антуан Фершо Реомюр (1683–1757), прославившийся работами в области геометрии, биологии, ботаники, зоологии, металлургии, фарфорового и стекольного производства, автор шеститомного труда «Мемуары по естественной истории насекомых», заинтересовался метеорологией и в 1730 г. сделал свой водно-спиртовой термометр. Он, видимо, не был знаком с работами Фаренгейта и предложил новую шкалу температур. Реперными точками этой 80-градусной шкалы служили температуры таяния льда и кипения воды. Почему деление производилось на 80 интервалов, объясняется так: при нагревании от точки замерзания до точки кипения водно-спиртовой раствор увеличивается в объеме на 80 тысячных своего объема. Возможно, это связано с использованием в качестве рабочего тела 80-градусного спирта.

Термометр Реомюра первоначально имел большие размеры и низкую точность, метод его калибровки оказался неудобным, однако шкала была официально принята в России до 1917 г. Во Франции использование этой шкалы было отменено 1 апреля 1794 г. в связи с переходом на метрическую систему. Градус Реомюра обозначают °R.

Градусы Реомюра упоминаются во многих литературных произведениях классиков русской литературы. Известна даже шутка газеты «Одесский вестник» в начале 1829 г. о знаменитом оперном театре: «Театр будет открыт только тогда, когда сильная стужа не будет превышать 10 градусов Реомюрова Термометра» (т. е. температура станет выше 12,5 °С).

Французский астроном Жозеф Никола Делиль (1688–1768), почетный член Петербургской академии наук, в 1725–1747 гг. работал в России директором астрономической обсерватории, положил начало систематическим астрономическим наблюдениям и точным геодезическим измерениям, руководил составлением географического атласа России. Реперными точками разработанной им шкалы температур были температуры тех же фазовых переходов воды, что у Реомюра, только точка кипения принималась за нуль, а точка замерзания – за 150 °. Правда, сделано это было по предложению члена Петербургской академии наук медика Йозиаса Вайтбрехта (1702–1747). Шкала использовалась в России почти столетие, в градусах Делиля измерял температуру М.В.Ломоносов (1711–1765), поменяв местами значения для высшей и низшей реперных точек.

Цельсий и шведская шкала температур

Когда студент Андерс Цельсий (Цельсиус, 1701–1744) в шведском городе Упсала приступил под руководством профессора астрономии Э.Бурмана к метеорологическим наблюдениям, существовало множество разнообразных температурных шкал. Видимо, это и заставило астронома и физика обратиться к выбору и обоснованию наиболее надежной шкалы. Правда, окончательно это произошло гораздо позже, когда Цельсий стал известным ученым.

Термометр Линнея

В 1740 г. (по другим данным, в 1741 или 1742 г.) после посещения нескольких европейских обсерваторий он открыл и возглавил шведскую обсерваторию в г. Упсала. Для обсерватории потребовались точные инструменты.

В 1742 г. в статье «Наблюдения двух фиксированных положений на термометре» он описал шкалу, которая делила интервал жидкофазного существования воды на 100 равных градусов. При этом он сначала за нулевую отметку принял точку кипения воды, а за 100 ° – температуру таяния льда. Он не был первым в использовании стоградусной шкалы и, как предполагают, использовал предложение шведского естествоиспытателя, создателя классификаций животного и растительного мира Карла Линнея (1707–1778).

Линней сначала использовал шкалу Фаренгейта и лишь после знакомства с термометром Цельсия перешел на него. Будучи в Голландии, он в ботаническом саду г. Клиффорда в 1737 и 1739 гг. использовал термометры Фаренгейта. На фронтисписе книги Линнея с описанием этого сада изображены путти (маленькие мальчики) с термометром, внешний вид которого не отличается от современного настенного прибора.

Первый термометр Линнея был создан в 1744 г. для наблюдений за растениями в оранжерее ботанического сада г. Упсала. Но он был разбит, и Линней заказал второй, с гордостью продемонстрировав его в декабре 1745 г. университетским коллегам. В статье, опубликованной 16 декабря 1745 г., он отмечал, что от солнечных лучей температура в «калдариуме» (наиболее теплой части оранжереи) часто повышается до 30 °, а в примечании указывал: «Наш термометр показывает 0 (ноль) в точке замерзания воды и 100 ° в точке ее кипения». Среди тех, кому Линней показывал свой термометр, был и профессор М.Стремер.

В то время термометры были большой редкостью и цена каждого доходила до 30 шведских далеров (что эквивалентно месячному заработку кузнеца или стоимости мушкета). Шведскими инструментами с видоизмененной стоградусной шкалой для измерения температуры были снабжены экспедиции в Северную Америку (1747) и на Шпицберген (1758).

Основная часть термометра, принадлежавшего лично Цельсию

Шкала, предложенная шведскими учеными, оказалась удачной. Сначала ее называли «новой шкалой Цельсия», затем «шкалой Экстрема» (Дениэл Экстрем – мастер, которому заказывал свой термометр в 1743 г. Линней) и «шкалой Стремера». В 1749 г. секретарь Королевской академии наук Швеции П.Варгентин также называл создателями термометра Цельсия, Стремера и Экстрема. Лишь в 1948 г. с поправкой, что реперной считается тройная точка воды, она была официально названа шкалой Цельсия (хотя понятно, что определенный вклад в ее создание внес Линней, другие шведские ученые и мастера-стеклодувы). Градус Цельсия обозначают °С.

Эта шкала постепенно расширяла сферы применения, хотя в XVIII в. выпускались термометры, имевшие даже по четыре шкалы (в частности, включая ныне полностью забытые шкалы И.Ньютона или керамиста Д.Уэджвуда), а до 1841 г. сохранялось не менее 18 других температурных шкал (в том числе химика Д.Дальтона).

Английский метеоролог Джеймс Сикс (1731–1793) в 1782 г. изготовил первый термометр, фиксирующий наибольшую и наименьшую температуры («максимум-минимум-термометр»). Этот U-образный термометр был заполнен спиртом и ртутью, имел две шкалы и два стальных маркера, перемещаемых жидкостью. Когда температура становилась ниже или выше экстремальной величины (положительной или отрицательной), маркеры оставались на месте. Термометры Сикса оказались весьма удобными и используются в метеорологии и садоводстве до наших дней.

В 1852 г. был изобретен термометр, имеющий над резервуаром ртути сужение и показывающий наибольшую достигнутую температуру. В 1866 г. создан клинический термометр длиной всего
6 дюймов (чуть больше 15 см) и требующий для измерения всего 5 мин. Термометр со шкалой Цельсия быстро вошел в медицинскую практику. В 1868 г. врач Карл Вундерлих опубликовал результаты более одного миллиона измерений тела 25 тысяч пациентов и заключил, что нормальной для человека является температура от 36,3 до 37,5 °С. Для этих измерений еще использовался термометр длиной около 1 фута (примерно 30 см), помещаемый на 20 мин подмышку.

Газовые термометры

Французский механик и физик Гийом (Гильом) Амонтон (1663–1705), который известен своей работой «Заметки и физические опыты по конструированию новых водяных часов, барометров, термометров и гигрометров», в 1702 г. усовершенствовал прибор Галилея. Он сумел обеспечить измерения давления постоянного объема воздуха и положил тем самым начало современным газовым термометрам. В своих исследованиях Амонтон первым обнаружил связь температуры и давления, плотности и давления газа.

Газовый термометр постоянного объема. Давление в колбе А регулируется уровнем в резервуаре Б и колене В, а температура измеряется по шкале у колена Г

В 1780 г. французский физик, талантливый экспериментатор, увлекавшийся атмосферным электричеством и аэростатами, Жак Александр Цезарь Шарль (1746–1823) показал, что при одном и том же повышении температуры все газы расширяются на одну и ту же величину. Это свойство позволило создать температурную шкалу, имеющую всего одну реперную точку.

Интенсивные исследования газовых термометров постоянного давления или постоянного объема предпринял в 1887 г. П.Шаппиус. Основываясь на его результатах, Международный комитет весов и мер принял водородную шкалу.

Температура и тепло

Температура является интенсивной (качественной) величиной. В отличие от нее тепло – экстенсивная (количественная) величина, которую можно складывать и вычитать. Различие между температурой и теплом стало понятным после того, как один из самых выдающихся химиков XIX в., блестящий экспериментатор шотландец Джозеф Блэк (1728–1799) ввел в середине века понятия скрытой теплоты и теплоемкости. Он задумался над экспериментами, проведенными Фаренгейтом, и пришел к новым выводам. Чтобы лед растаял, надо подвести тепло; когда вода замерзает, тепло выделяется. При замерзании переохлажденной жидкости температура поднимается скачком, потому что выделяется скрытая теплота плавления. Чтобы нагреть равные объемы или массы различных жидкостей на один градус, требуется неодинаковое количество тепла, потому что жидкости имеют разную теплоемкость. Блэк, поставивший тепловые свойства в центр своего понимания химии, показал, как можно измерять количество тепла, и должен считаться основоположником калориметрии.

Летом 1783 г. французский астроном, математик, физик-теоретик, почетный член Петербургской академии наук Пьер Симон Лаплас (1749–1827) представил Королевской академии наук доклад о результатах первых тепловых измерений, проведенных совместно с французским химиком, одним из основоположников современной химии Антуаном Лораном Лавуазье (1743–1794). Эти измерения были выполнены с помощью сконструированного ими ледяного калориметра. Позднее Лавуазье и Лаплас пришли к выводу, что количество тепла, необходимое для разложения какого-либо соединения на его составные части, в точности равно количеству тепла, выделяющемуся при образовании того же соединения из составных частей. Химия приобрела новые возможности благодаря возникновению калориметрии (термин ввел Лавуазье в 1789 г.) и термохимии. Тепло из понятия превратилось в измеряемую величину.

Недавние термометры наших лабораторий

Есть термометр, с которым в свое время был знаком каждый студент-химик, а также многие техники и лаборанты многочисленных институтских и заводских лабораторий. Это – так называемый метастатический термометр, изобретенный немецким химиком Эрнстом Отто Бекманом (1853–1923), автором известной в органической химии «перегруппировки Бекмана».

Устройство термометра Бекмана

Термометр Бекмана имеет небольшую температурную шкалу, отличается высокой точностью относительных измерений и может перестраиваться на различные диапазоны температур. Для перестройки термометр имеет два резервуара со ртутью: нижний и верхний. Путем нехитрой операции переворачивания термометра и нагревания-охлаждения основного (при проведении измерений – нижнего) резервуара можно разрывать столбик ртути, оставляя в основном резервуаре тот или иной объем ртути.

Такой прибор позволяет точно измерять температуру вблизи точек замерзания или кипения и с использованием закона Рауля определять молекулярную массу растворенного вещества.

Французский профессор, работавший в области электрохимии, термохимии и аналитической химии, Франсуа Рауль (1830–1901) разработал метод криоскопии. Закон, названный его именем, гласит: при растворении грамм-молекулы любого вещества в 1000 г растворителя понижение точки замерзания постоянно. Разработано несколько методов ускорения измерений (метод Раста) и повышения их точности (методы Ландсбергера и Котрелла).

В СССР выпускался термометр ТЛ-1 со шкалой на 5 ^оС и с ценой деления всего 0,01 °С. Точность измерения лучших термометров Бекмана, по некоторым данным, достигала 0,001 °С. Сейчас продаются электронные термометры Бекмана, обладающие такой же точностью, что и обычные серийные приборы.

В отечественной термометрии и калориметрии был популярен высокоточный термометр конструкции Простякова, который изготавливался по индивидуальным заказам.

Продолжение следует

Материал подготовил Э.Г.РАКОВ