§ 2. Термометри. шкала цельсія

У більшості термометрів використовують те, що зі зміною температури змінюються й інші характеристики тіл: розміри й об’єм, тиск, колір, електричні властивості та ін.

Винахідником термометра вважають Г. Галілея. У 1597 р. він винайшов термоскоп, який являв собою невелику скляну кульку із припаяною до неї скляною трубкою. Кульку трішки нагрівали, а кінець трубки опускали в посудину з водою (мал. 1.2). Через деякий час повітря в кульці охолоджувалося

до температури навколишнього середовища, його тиск зменшувався, і вода під дією атмосферного тиску піднімалася в трубці на деяку висоту. Якщо температура зовнішнього повітря підвищувалася, то тиск повітря в кульці збільшувався, а рівень води в трубці знижувався. При зменшенні температури повітря вода в трубці піднімалася. Термоскоп Галілея давав змогу порівнювати тепловий стан тіл. Проте його показання залежали від атмосферного тиску.

Температура безпосередньо не вимірюється. Вимірюється величина, що залежить від температури. У термоскопі Галілея використовувалася залежність об’єму повітря від температури. Проте об’єм повітря залежить і від атмосферного тиску.

Пізніше для вимірювання температури скористалися тим, що рідини теж змінюють свій об’єм під час нагрівання й охолодження. У рідинних термометрів об’єм рідин майже не залежить від атмосферного тиску. Сучасні рідинні термометри (мал. 1.3) — це скляні трубки-капіляри з маленьким резервуаром у вигляді кульки або балончика на одному кінці. У резервуар заливають підфарбований спирт або ртуть. Трубку запаюють, щоб зовнішній тиск не впливав на покази термометра, і закріплюють на шкалі. Коли резервуар термометра контактує із тілом, температуру якого вимірюють, рівень рідини

у трубці піднімається або опускається до досягнення стану теплової рівноваги.

Числові значення показань термометра залежать від обраної температурної шкали. Наприклад, збираючись на прогулянку і побачивши, що стовпчик термометра за вікном відповідає позначці 18 градусів вище нуля, англійський школяр тепло вдягнеться.

Український учень, побачивши таке саме значення температури, вдягнеться досить легко. Числові значення показань цих термометрів однакові, але свідчать про різні температури повітря. Річ у тому, що в Англії користуються термометрами із шкалою Фаренгейта, а в Україні — із шкалою Цельсія.

Понад триста років тому флорентійські вчені виявили, що температура суміші льоду й води завжди однакова. Через 50 років після них німецький фізик Даніель Фаренгейт (1686— 1736 рр.) помітив, що температура кипіння води не змінюється, якщо не змінюється тиск. Цим постійним температурам можна приписати певні числові значення. Температури, яким приписують певні значення й відповідні їм позначки рівня рідини на шкалах термометрів, називають реперними точками (від франц. гериге — мітка, позначка).

Температури кипіння і замерзання води (танення льоду) можна легко відтворити. Тому їх використовують як реперні точки для побудови температурних шкал. Відомо кілька температурних шкал, запропонованих різними вченими. У більшості країн, у тому числі й в Україні, застосовують термометри зі шкалою, запропонованою шведським ученим А. Цельсі-єм (1701—1744 рр.).

За нульове значення температури (0 °С) А. Цельсій прийняв температуру танення льоду (суміші льоду й води), а за 100 градусів (100 °С) — температуру кипіння води за нормального атмосферного тиску. Поділивши відстань на шкалі між реперними точками на 100 рівних частин, він одержав поділки, які

відповідають одному градусу Цельсія (1 °С). Залежно від призначення на шкалах термометрів відтворюється та чи інша частина температурного діапазону, у межах якого працює термометр (мал. 1.3, а—в). На мал. 1.3, а зображено термометр із шкалами Цельсія та Фаренгейта.

У Міжнародній системі одиниць CI одиниця температури називається кельвін і позначається літерою К. Зміна температури на один кельвін (1 К) відповідає зміні температури на один градус Цельсія (1 °С).

Слово “температура” виникло в ті часи, коли люди вважали, що в більш нагрітих тілах утримується більша кількість особливої невидимої речовини — теплецю, чим у менш нагрітих. Температура сприймалася як міцність суміші речовини тіла й теплецю. Тому за аналогією до одиниці міцності спиртних напоїв одиницю температури назвали так само — градус. Оскільки температура пов’язана з швидкостями й відтак з кінетичною енергією молекул, її краще було б вимірювати в одиницях енергії — джоулях. Але вимірювання температури почалося задовго до появи молекулярно-кінетичної теорії й загальноприйнятих систем одиниць фізичних величин. Тому за традицією ми продовжуємо користуватися терміном температура і вимірювати температуру в умовних одиницях — градусах, до яких усі звикли.

Німецький фізик Д. Фаренгейт одним із перших запропонував зручні для користування термометри. У 1709 р. він виготовив спиртовий термометр, а в 1714 р. — ртутний. У скляну трубку з кулькою на одному кінці він налив ртуть, відкачав з неї повітря й запаяв. Потім занурив трубку в суміш льоду, кухонної солі й нашатирю (найхо-лоднішу речовину в рідкому стані, яку він зміг одержати) і позначив висоту стовпчика ртуті як 0 градусів. Далі він помістив свій термометр у суміш води і льоду (без солі) й одержав відмітку на шкалі, яку прийняв за 32 градуси. Наступна реперна точка за Фаренгейтом — температура людського тіла — 96 градусів (це число добре ділиться на 32). За температуру кипіння води він прийняв 212 градусів. У Англії та США до цього часу користуються шкалою

Фаренгейта и вимірюють температуру в градусах Фаренгейта (позначають ⁰F^.

Зрозуміло, що жителі Англії й ми, українці, користуємось різними температурними шкалами, приписуючи однаковій температурі різні значення.

Французький вчений Рене Реомюр (1683—1757рр.) у 1730 р. описав винайдений ним спиртовий термометр, шкала якого теж визначалася точками кипіння і замерзання води, але відстань між ними він поділив на 80 градусів. Термометри зі шкалою Реомюра мають позначку or.

Як ви вже помітили, у термометрах Фаренгейта, Цель-сія, Реомюра значення реперних точок і початок відліку температури обиралися за уподобаннями винахідників. За шкалами цих термометрів можна порівняти температури різних тіл, визначити на скільки більшою чи меншою є температура того чи іншого тіла.

Проте вважати, що температура 50 ос у 5 разів більша за температуру 10 ос не можна, так само не можна дати відповідь на питання у скільки разів температура -10 ос нижча ніж 20 ос.

У 1848 р. видатний англійський вчений У. Томсон (за наукові досягнення удостоєний титулу лорд Кельвін) (1824—1907рр.) запропонував шкалу температур, в якій нульова точка, або абсолютний нуль температури, відповідає такому тепловому стану речовини, коли тепловий рух молекул припиняється. Власне,

У. Томсон визначив температуру

за якої газ не чинив би ніякого тиску. Так виникла температурна шкала Кельвіна (мал. 1.4).

Одиницею температури за цією шкалою є кельвін (К). Унаслідок розрахунків Кельвін отримав, що абсолютний нуль температури відповідає —273, 15 °С, тобто 0 °С = = 273,15 К. (На практиці 0 °С прирівнюють до 273 К.) Тому зміна температури на 1 К відповідає зміні температури на 1 °С. Щоб температуру, визначену у градусах Цельсія, виразити у кельвінах, потрібно до значення температури за шкалою Цельсія додати 273. Температуру, яку визначають за абсолютною шкалою, позначають літерою Т, тоді T= t+ 273 (t — температура, визначена у градусах Цельсія). У CI кельвін (1 К) — одна з семи основних одиниць фізичних величин.

На сьогодні використовують багато різних конструкцій термометрів. На мал. 1.5 зображено металевий термометр, в якому застосовують стрічку, виготовлену з двох різних металів, скручену в спіраль, — біметалеву стрічку. Унаслідок зміни температури така спіраль скручується або розкручується, і приварена до неї стрілка відхиляється. У рідкокристалічних термометрах (мал. 1.6) використовують залежність оптичних властивостей рідких кристалів від температури. Є також електронні інфрачервоні термометри (мал. 1.7), які при контакті з тілом миттєво показують температуру. Інфрачервоні лазерні термометри дають змогу визначати температуру на значній відстані, фіксуючи інфрачервоне випромінювання, яке тим інтенсивніше, чим тепліше тіло (мал. 1.8).

Добре відомий ртутний медичний термометр має особливість, якої немає в більшості інших термометрів (мал. 1.9). Річ у тому, що для визначення температури його доводиться підносити до очей. За цей час покази термометра можуть суттєво змінитися. Щоб стовпчик ртуті не опустився, канал біля балончика із ртуттю має звужену ділянку, на якій ртутний стовпчик розривається під час охолодження.

Тому ртуть самовільно униз не опускається. Щоб ртуть пройшла крізь звуження в балончик, термометр струшують, і тим самим він набуває робочого стану.

Верхня межа шкали медичного термометра — 42 °С. За температури, вищої ніж 42 °С, ртуть, розширюючись, може розірвати капіляр і термометр вийде з ладу.

З термометрами, особливо ртутними, треба дуже обережно поводитися. Випари ртуті отруйні. Необхідно оберігати балон і капіляр термометра від ударів, щоб їх не пошкодити.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.    Які фізичні явища можна використати для вимірювання температури?

2.    Чому висота стовпчика рідини в термоскопі Галілея навіть за однакової температури в різний час може бути різною?

3.    Чи можна стверджувати, що температура 20 °С у два рази більша за температуру 10 °С?

4.    Які точки називають реперними?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бойко