От Галилея до наших дней: как изобрели термометр
Для начала кратко расскажем, как вообще работают градусники. Жидкость или ртуть, находящая в маленьких колбочках, расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Следовательно, чем температура выше, тем больше будет высота столбика. Очень простой и, даже можно сказать, очевидный алгоритм, который ученые раскусили сразу.
Термоскоп Галилея
Изобретение термометра многие эксперты приписывают именно итальянскому физику, однако исследования в области термометрии проводились еще задолго до него. Древнегреческий ученый Герон Александрийский, живший в I веке нашей эры, в одном из своих дневников записал, что продумал концептуальное устройство, которое основывалось на расширении и сжатии воздуха для определения изменений температуры, однако рабочий прототип так и не создал.
Эти записи стали передаваться из поколения в поколение, и, наконец, в XVI веке они добрались до рук Галилео Галилея. Вдохновившись описанной технологией, ученый создал уникальный в те времена прибор — так называемый термоскоп. Принцип его работы был крайне простым: длинную тонкую трубочку со стеклянным шариком на одной стороне опускали в емкость с жидкостью свободным концом, предварительно подогрев дно шара. Когда шаровидный элемент остывал, давление воздуха в нем становилось меньше, из-за чего под воздействием атмосферного давления вода в сосуде начинала подниматься вверх по трубке. В зависимости от того, насколько высоко поднялась жидкость, можно было определить температуру воздуха снаружи — правда, значения часто были далекими от истины.
Почти 36.6
Прибор для измерения температуры человеческого тела был изобретен немного позднее. Итальянский врач Сантарио решил усовершенствовать термоскоп своего предшественника и добавил в устройство не воду, а винный спирт. И еще несколько непростых технологий.
Работало устройство несколько иначе: сначала шарик нагревали достаточно сильно, чтобы воздух внутри него стал разреженным и в результате практически полностью вышел наружу. Затем открытый конец стеклянной трубки с шариком на конце погружали в емкость со спиртом, который от таких условий стремительно поднимался вверх и окрашивал не только трубку, но и шарик. Следующим этапом шло охлаждение термометра до того момента, пока винный спирт не окажется примерно на середине трубки, а свободный конец запаивали. Таким прибором и измеряли температуру тела. В общем, система крайне сложная и неудобная, поэтому изобретение в народе не прижилось. К тому же, показатели также были совершенно неверными.
Как сделать измерение температуры более точным, понял Фердинандо II Медичи. Да, именно герцог практически нашел ключ к разгадке: всю свою жизнь он сильно увлекался наукой и основал Академию дель Чименто во Флоренции. И именно здесь, примерно в 1650 году, была разработана идея использования не воздуха в трубке термометра, а жидкости, которая расширяется под воздействием высоких температур. Идеальным кандидатом на эту роль был спирт, а чтобы сделать его видимым, его окрашивали в яркие цвета.
Однако, правда, спиртовые термометры имели два существенных минуса: во-певрых, в XVII веке было не так просто достать абсолютно чистый спирт; а во-вторых, у него была низкая температура кипения.
Ртуть и Фаренгейт
Поскольку термометры в разных видах уже начали активно использоваться как в медицине, так и в обычных домах (даже несмотря на их очевидные минусы), ученым было необходимо придумать единую шкалу измерения температуры. Но задачка эта оказалась непростая: ее не могли решить несколько десятков лет. В 1701 году Исаак Ньютон счел температуру человеческой крови хорошей нулевой точкой для температурной шкалы. А его современник Джон Фаулер хотел использовать в качестве верхней границы температурной шкалы максимально нагретую жидкость, которую человеческая рука могла бы выдержать, не отдернув ее.
В конце концов, в гонке за звание наиболее удобной температурной шкалы оказалось 35 участников, среди которых в «финал» вышли двое: немец Даниэль Фаренгейт и Андерс Цельсий. И, кстати, именно первый из них изобрел ртутный термометр.
В 1714 году Фаренгейт стал использовать этот тип термометра из-за того, что он мог измерять более широкий диапазон температур по сравнению со спиртовым аналогом и демонстрировал точные результаты. Позже он определили несколько ключевых точек своей температурной шкалы:
- 0 °F — абсолютный нуль, который ученый получил, погружав термометр в тающую смесь снега с нашатырем и поваренной солью.
- 32 °F — температура таяния льда;
- 98 °F — нормальная температура человеческого тела.
- 212 °F — температура кипения воды.
Термометры Фаренгейта получили широкое распространение в Англии и Нидерландах, но у них был серьезный конкурент.
В игру вступил Цельсий со своей шкалой: она начиналась с 0°C (точка замерзания воды) и заканчивалась 100°С (точка кипения воды). Представители многих стран посчитали ее более упрощенной, поэтому стали повсеместно пользоваться именно ей.
На этом эксперименты других физиков не закончились: с годами температурных шкал становилось все больше, в том числе в 1848 году была разработана шкала Кельвина, применяемая и до сих пор, в основном в термодинамике.