Термометри и температура - Научете физика!
Въпросът "Какво е температурна скала?" - подходящ за всеки физик - от студент до професор. Пълният отговор на него ще отнеме цяла книга и може да послужи като добра илюстрация на промяната във възгледите и напредъка на физика през последните четири века. Температурата е степента на топлина в определена скала. За груба оценка, без термометър, човек може да използва чувствителността на собствената си кожа, но нашите усещания за топлина и студ са ограничени и ненадеждни.
Опит . Чувствителност на кожата към топлина и студ. Това преживяване е много поучително. Поставете три купи с вода: една много гореща, друга умерено топла и трета много студена. Потопете за 3 минути едната ръка в горещ, а другата в студен леген. След това спуснете двете си ръце в леген с топла вода. Сега попитайте всяка ръка какво ви "казва" за температурата на водата?
Термометърът ни казва точно колко горещо или студено е дадено нещо; с негова помощ можем да сравняваме степента на нагряване на различни обекти, като го използваме отново и отново, можем да сравняваме наблюдения, направени по различно време. Снабден е с определена непроменлива, възпроизводима скала - характерен аксесоар на всеки добър инструмент. Методът на производство на термометъра и самият уред ни диктуват скалата и измервателната система, която трябва да използваме. Преходът от груби усещания към инструмент със скала не е просто подобрение в нашето плетиво. Измисляме и въвеждаме ново понятие – температура. Нашата груба представа за топло и студено съдържа концепцията за температура в начален стадий. Проучванията показват, че при нагряване много от най-важните свойства на нещата се променят и. за изследване на тези промени са необходими термометри. Широкото използване на термометри в ежедневието засенчи значението на понятието температура. НиеСмятаме, че термометърът измерва температурата на нашето тяло, въздух или вода във ваната, въпреки че всъщност показва само собствената си температура. Считаме, че температурните промени от 60 до 70° и от 40 до 50° са еднакви. Явно обаче нямаме гаранции, че наистина са еднакви. Остава да ги считаме еднакви по дефиниция.Термометрите все още са ни полезни като верни слуги. Но наистина ли нейно превъзходителство Температурата е скрита зад тяхното предано „лице“?
Прости термометри и скала на Целзий Температурата в термометрите се показва чрез разширяваща се при нагряване капка течност (живак или оцветен алкохол), поставена в епруветка с деления. За да съвпадне скалата на единия термометър с другия, вземаме две точки: топене на лед и вряща вода при стандартни условия и им присвояваме деления 0 и 100 и разделяме интервала между тях на 100 равни части. Така че, ако според един термометър температурата на водата във ваната е 30 °, тогава всеки друг термометър (ако е правилно калибриран) ще покаже същото, дори ако има балон и тръба с напълно различен размер. В първия термометър живакът се разширява 30/100 от точката на топене до точката на кипене. Логично е да се очаква, че и в други термометри живакът ще се разшири в същата степен и те също ще показват 30°. Тук разчитаме на универсалността на природата 2>. Да предположим сега, че сме взели друга течност, като глицерин. Ще даде ли същата скала в същите точки? Разбира се, за да се съгласи с живачния термометър, глицериновият термометър трябва да има 0°, когато ледът се топи, и 100°, когато водата кипи. Но дали показанията на термометъра ще бъдат еднакви при междинни температури? Оказва се, че не когато живачен термометър показва 50,0 ° C, глицеринов термометър показва 47,6 ° C. В сравнение сживачен глицеринов термометър в първата половина на пътя между точката на топене на леда и точката на кипене на водата е малко назад. (Можете да направите термометри, които ще дадат още по-голямо несъответствие. Например, термометър с водна пара ще покаже 12 ° в точката, където живакът е 50 °!
Това води до така наречената скала на Целзий, която е широко използвана днес. В САЩ, Англия и някои други страни се използва скалата на Фаренхайт, на която точките на топене на лед и вряща вода са отбелязани с числата 32 и 212. Първоначално скалата на Фаренхайт е изградена върху две други точки. Температурата на сместа за замръзване беше приета за нула и числото 96 (число, което може да бъде разделено на голям брой фактори и следователно удобно за използване) беше сравнено с нормалната температура на човешкото тяло. След модификация, когато целите числа бяха сравнени със стандартните точки, температурата на тялото се оказа между 98 и 99. Стайна температура 68 ° P съответства на 20 ° C. Въпреки че преходът от една скала към друга променя числената стойност на единицата за температура, това не засяга самата концепция за температура. Последното международно споразумение въведе друга промяна: вместо стандартните точки на топене на лед и кипяща вода, които определят скалата, бяха приети "абсолютна нула" и "тройна точка" за водата. Въпреки че тази промяна в дефиницията на температурата е фундаментална, тя няма голямо значение за нормалната научна работа. За тройната точка числото е избрано така, че новата скала да съвпада много добре със старата. 2> Това разсъждение е донякъде наивно. Стъклото също се разширява Разширяването на стъклото влияе ли върху височината на живачния стълб? Какво по тази причина, освен простото разширяване на живака, показва термометърът? Да кажем, че два термометъра съдържат чист живак, но топките им са направени от различни видове стъкло.с различни разширения. Ще се отрази ли на резултата?