2.1термоскоп.docx - Термоскоп Галилея и первые термометры. Почему термоскоп галилея нельзя проградуировать


Увлекательная физика: изобретение термометра - Великие физики

До того как был придуман первый термометр, температуру измеряли на ощупь. Ни о какой точности измерений речь даже не шла. И так продолжалось довольно долго, пока в 1597 г. Галилео Галилей не придумал первый прибор для измерения температуры.

Термоскоп Галилея

Прибор Галилея  был очень простым. Он состоял из стеклянной трубки, к концу которой был припаян стеклянный шарик. Немного подогрев шарик, свободный конец трубки Галилей опускал в сосуд с водой. Когда воздух в шарике остывал, давление воздуха в нём становился меньше, и вода под воздействием атмосферного давления поднималась вверх по трубке. И в зависимости от того, на какую высоту поднималась вода, можно было определить температуру. Этот прибор назвали термоскопом. Конечно, он тоже показывал весьма приблизительные значения температуры.  Кроме того, его показания зависели от величины атмосферного давления.

В 1657 г. термоскоп Галилея усовершенствовали флорентийские учёные. Они откачали воздух из стеклянного шарика и сделали шкалу из бусин. Показания термоскопа Галилея были приблизительными: высокая температура, низкая температура. Теперь же значения температуры измерялись более точно: одна бусинка, две бусинки и т. д.

Немного позже, в 1700 г., флорентийский учёный Торричелли перевернул термоскоп, а трубку с шариком заполнил подкрашенным спиртом. Кроме того, он удалил сосуд с водой. Новый прибор уже не зависел от атмосферного давления. Это был прообраз современного термометра.

Разновидности шкалы отсчёта

Но существовала одна проблема. Никто не знал, какую точку брать за начало отсчёта и как  градуировать шкалу. Первый шаг в этом направлении сделал немецкий физик Даниель Габриель Фаренгейт. В 1714 г. он придумал температурную шкалу. Вместо подкрашенного спирта Фаренгейт налил в трубку с шариком ртуть, откачал из трубки воздух и запаял её. Самой холодной, но ещё находящейся в жидком состоянии, была смесь поваренной соли и льда. Фаренгейт поместил трубку с шариком в эту смесь. А  высота столбика ртути на шкале была отмечена как 0 градусов. Следующей точкой на шкале Фаренгейта была точка 32 градуса. Она соответствовала температуре, при которой таял обычный лёд без соли. Затем было отмечена точка 96 градусов. Это была температура человеческого тела. Вода по шкале Фаренгейта кипела при температуре 212 градусов.

Разные учёные предлагали различную градуировку термометров. Так, французский физик Рене Антуан Реомюр исследовал тепловое расширение спирта. Если спирт смешать с водой в соотношении 5:1, то при нагревании от точки замерзания до точки кипения воды спирт расширяется в пропорции 1000:1080. Реомюр предложил шкалу на спиртовом термометре, где за нулевую точку отсчёта 0о R принималась температура, при которой таял лёд. А температура, при которой закипала вода, равнялась 80оR.

Но впервые принимать за основные точки отсчёта на шкале термометра точку таяния льда и точку кипения воды предложили в 1665 г. голландский физик Христиан Гюйгенс и английский физик Роберт Гук.

Шведский астроном Андерс Цельсий в 1742 г. придумал свою шкалу на ртутном термометре Фаренгейта. В отличие от современного термометра, ноль градусов на шкале Цельсия соответствовал точке кипения воды. А температуру таяния льда Цельсий принял за 100 градусов.

Вот в таком виде термометр Цельсия и дошёл да наших дней. Разница только в том, что у современного термометра шкала перевёрнута по отношению к шкале Цельсия. Точка таяния льда принимается за 0о, а температура кипения воды равняется 100о по Цельсию. И «перевернули» шкалу Цельсия астроном Мортен Штремер и ботаник Карл Линней.

Во всех описанных случаях точка отсчёта шкалы термометра устанавливалась произвольно. В 1848 г. английский учёный лорд Кельвин предложил понятие «абсолютный нуль». Абсолютным нулём он считал температуру, при которой прекращалось движение молекул. Абсолютный нуль соответствует -273,15о по шкале Цельсия.

Сегодня в большинстве стран принято использовать термометры со шкалой Цельсия. В некоторых англоязычных странах до недавнего времени применялась шкала Фаренгейта. В США ею пользуются до сих пор. А в научных исследованиях применяется шкала Кельвина.

www.phisiki.com

2.1термоскоп.docx - Термоскоп Галилея и первые термометры

понадобилось измерять температуры, превышающие точку кипения воды при нормальном давлении, в качестве термометрической жидкости стала широко использоваться ртуть, имеющая самую высокую температуру кипения (357 °С) среди всех веществ, находящихся в жидком состоянии при нормальных условиях. При этом точка замерзания ртути (– 39 °С) была достаточно низкой для использования ртутных термометров в метеорологических исследованиях, кроме редких случаев экстремально низких температур.Легко воспроизводимые фиксированные точки, пригодные как для спиртового, так и для ртутного термометра, после многочисленных экспериментов, проведенных в 1708­1724 годах предложил немецкий изобретатель и естествоиспытатель Даниэль Габриэль Фаренгейт. В качестве нижней фиксированной точки он взял температуру таяния льда, смешанного с нашатырём (примерно – 18 °С), в качестве верхней – температуру таяния чистогольда (0 °С), а промежуток между ними разделил на 32 градуса. Значительно позднее, в 1742 году шведский учёный Андерс Цельсий предложил свою шкалу с фиксированными точками, соответствующими таянию чистого льда (0 °С) и кипению воды при нормальном давлении (100 °С). Верхняя из этих точек была более удобна для ртутных термометров, но совершенно непригодна для спиртовых. Почему жидкостный термометр является квазитермометромПоскольку величиной, непосредственно измеряемой с помощью прибора Медичи, является выраженный в градусах соответствующей шкалы удельный объём термометрической жидкости, сделанное в дальнейшем объявление этого прибора термометром равносильно введению определения понятия градус теплоты, состоящему из двух частей: градус теплоты термометрической жидкости равна её удельному объёму, выраженному в градусах принятой шкалы; градус теплоты любого тела равна показанию жидкостного термометра, находящегося с ним в состоянии теплового равновесия.Первая часть этого определения основана на предположении, что изменение удельного объёма при нагреве протекает одинаково у всех жидкостей, так что совпадение показаний термометра в фиксированных точках автоматически обеспечит совпадение и во всех других точках шкалы. Однако позднее, в 1739 году французский исследователь Реомюр (René Antoinede Réaumur) обнаружил, что показания ртутного и спиртового термометров, вообще говоря, не совпадают, так что ртутный термометр показывает «ртутный градус теплоты», а спиртовый – «спиртовый градус теплоты» [Quinn, N.J. Temperature. London ­ San Diego. Academic Press. 1990.­ 495 p.]. Более того, если учесть, что удельный объём жидкостей зависит не только от градуса теплоты (или, в современной терминологии, от температуры), но и от давления, а давление в полости, занятой термометрической жидкостью, может при нагреве или охлаждении жидкости меняться в широких пределах, зависящих от конструктивных параметров прибора, то окажется, Ferchault

znanio.ru

От термоскопа Галилея к оптоволокну, или Чем и как измеряют температуру

Перед тем как выйти на улицу, мы обычно смотрим на термометр за окном, чтобы выбрать одежду по погоде. Можно, конечно, этого не делать, но тогда есть вероятность простудиться, и поневоле придётся воспользоваться термометром. Сейчас, правда, многие предпочитают узнавать температуру «за бортом» с экрана телевизора, смартфона или планшета. Но чтобы градусы Цельсия появились на экране, кто-то должен измерить температуру на улице, ведь не интернет же это делает? Хотя, к слову сказать, температуру можно определить и «интернетом» — с помощью оптоволоконных линий. Об этом мы расскажем чуть позже, а пока разберёмся с классическими методами.

Огромный термометр на одной из башен главного здания Московского государственного университета на Воробьёвых горах внешне похож на механический термометр со стрелкой, но устроен совсем по-другому. Шестиметровую стрелку приводит в движение электродвигатель через систему механических приводов. Показания температуры выставляются по сигналу с терморезистивного датчика, установленного на высоте 2 м в сквере МГУ. Фото Андрея Лисинского.

Термометр Галилея в современном исполнении. Фото: Ali@gwc.org.uk/Wikimedia Commons/CC-BY-SA-2.5.

Температуру внутри бифштекса, приготовленного на углях, легко измерить с помощью механического термометра, внутри которого находится биметаллическая спираль. Фото: Wavebreak Media / Фотобанк Лори.

Терморезистивный датчик температуры (слева) и термопарный датчик (справа) используют разные эффекты, связанные с изменением электрических свойств объекта при нагревании.

Гремучая змея регистрирует инфракрасное излучение, которое испускают все нагретые тела, точно так же, как современный инфракрасный термометр.

Конусы Зегера (слева) и индикаторные полоски для контроля температуры при паровой стерилизации.

Самый простой способ измерить температуру, которым пользовались ещё в древности, называется «потрогать». Однако у него есть два существенных недостатка. Во-первых, этот способ далеко не всегда безопасен — можно обжечься. А во-вторых, измерения, основанные на субъективных ощущениях, неточны: для одного море с температурой воды +10оС — это всего лишь «прохладно», а для другого и +20оС сродни купанию у берегов Антарктиды. Тут показателен классический опыт: возьмите три ёмкости — с горячей, холодной и тёплой водой. Одну руку опустите в сосуд с горячей водой (естественно, вода не должна быть кипятком!), а другую — в сосуд с холодной, подержите их там некоторое время, а затем опустите обе руки одновременно в ёмкость с тёплой водой. В этот момент одна рука «скажет» вам, что вода холодная, другая — что горячая, а истина окажется, как это часто бывает, где-то посередине.

Способ «потрогать» удовлетворял далеко не всех. Измерять температуру нужно было как можно точнее и в цифрах. А значит, предстояло изобрести иной способ, который опирался бы не на ощущения, а на беспристрастные физические законы.

Стоит напомнить, что температура влияет на самые разные свойства материи: вещества могут плавиться и испаряться, менять цвет, форму и размер, вступать в химические реакции. Первые приборы для измерения температуры были основаны на том, что при нагревании большинство тел расширяются, а при охлаждении, наоборот, сжимаются. Известно, например, что во время полёта сверхзвуковой пассажирский лайнер «Конкорд» из-за нагрева фюзеляжа увеличивался в длину на 20 см. Так что, имея соответствующую таблицу, температуру самолёта можно было бы измерять обычной рулеткой.

Первым, кто заметил, что вещества меняют объём в зависимости от температуры, был Галилео Галилей. Нагревал он, правда, не сверхзвуковые «Конкорды», а самые обыкновенные жидкости. Если взять фиксированное количество жидкости, то при нагревании она начнёт расширяться, а при охлаждении сжиматься. Соответственно будет меняться и её плотность — холодные жидкости более плотные, чем горячие. На этом принципе — изменении плотности вещества при нагревании — был построен один из первых приборов для измерения температуры — термоскоп. Галилей изобрёл его в 1597 году. Термоскоп не давал точного значения температуры, а свидетельствовал об изменении степени нагретости тела. Жидкость в термоскопе поднималась и опускалась по стеклянной трубке не за счёт собственного расширения или сжатия, а из-за изменения объёма воздуха, находящегося в стеклянном шарике, который был припаян к концу трубки. Здесь использовался принцип зависимости давления газа от его температуры: чем выше температура, тем выше давление, а следовательно, газ стремится занять больший объём, вытесняя жидкость из трубки. Главный недостаток прибора состоял в том, что показания зависели не только от самой температуры, но ещё и от атмосферного давления.

Через полвека конструкцию термоскопа усовершенствовали флорентийские учёные. Они перевернули его с ног на голову, заменили газ жидкостью, откачали из стеклянного резервуара воздух, сделав прибор независимым от каких-либо перепадов давления, и снабдили шкалой. Здесь уже температуру определяли по уровню столба жидкости, который тем выше, чем выше сама температура. Это был описанный в 1667 году первый жидкостный термометр, который получил название «термометр Галилея». В слегка изменённом виде он дожил до наших дней, им продолжают измерять температуру за окном или температуру тела и по традиции называют градусником.

Обычные ртутные термометры до сих пор используют не только в быту, но и в экспериментальных лабораториях, поскольку они просты, надёжны и недороги.

Может возникнуть вопрос: почему вредная ртуть получила такое широкое распространение в термометрах? Причина в том, что ртуть, в отличие от органических жидкостей вроде спирта или глицерина, остаётся жидкой в большом интервале температур: от –39оС до +357оС. Но что ещё более важно, так это практически линейный рост её объёма с увеличением температуры. Что это значит? Например, вы взяли два термометра: ртутный и глицериновый, откалибровали их по двум точкам: 0оС и +100оС, а затем погрузили их в жидкость с температурой +50оС. Думаете, оба термометра покажут +50оС? А вот и нет! Показания ртутного термометра будут действительно практически совпадать с отметкой +50оС, а глицериновый покажет +47,6оС. Опустим теперь оба термометра в жидкости с температурами 0оС и +100оС — их показания совпадут. Почему? Ответ на эту загадку кроется в коэффициенте температурного расширения жидкостей. Как мы говорили, у ртути он практически не зависит от температуры, а вот у глицерина — зависит. Это значит, что при разных значениях температуры жидкость по-разному реагирует на изменение этой самой температуры: например, холодный глицерин, как мы видим, расширяется чуть медленнее, чем горячий.

Кроме бытовых жидкостных встречаются термометры другого типа — механические. В них вместо жидкости используется металлическая спираль с закреплённой на ней стрелкой. Работают механические термометры, хотя на первый взгляд это может показаться странным, по тому же принципу, что и жидкостные, — по принципу расширения вещества при нагревании. Вспомните про удлиняющийся от нагрева самолёт. Можно было бы, конечно, вместо самолёта взять небольшую проволочку и измерять, насколько она удлинится при нагревании на несколько градусов, но тогда пришлось бы воспользоваться микроскопом. Согласитесь, это не очень удобно, поэтому инженеры придумали ухищрение: они взяли две металлические ленты из разных материалов, соединили их вместе и скрутили в спираль. Если такую конструкцию нагревать, то за счёт разной величины расширения двух разных металлов спираль начнёт раскручиваться, а при охлаждении будет закручиваться обратно. Оставалось только закрепить один конец спирали на корпусе, а на другой установить стрелку и проградуировать шкалу. Простой механический термометр готов!

Но технический прогресс не стоял на месте. С развитием промышленности во многих областях измерение температуры стало насущной необходимостью. Взять хотя бы современный автомобиль, в котором можно навскидку найти десяток различных температурных датчиков, и сделаны они, к счастью, не из стекла и ртути.

Если в жидкостных и механических термометрах используется свойство тел расширяться при нагревании, то большинство современных температурных датчиков основано на принципе зависимости электрических свойств вещества от температуры. Самые распространённые — терморезистивные датчики. Их действие основано на том, что электрическое сопротивление проводника растёт с увеличением температуры. Чтобы такой датчик заработал, достаточно включить его в цепь, состоящую из источника тока и амперметра.

Другой принцип работы у термопарных датчиков. По сути, они представляют собой маленькую «батарейку», напряжение которой зависит от температуры. Эта «батарейка» состоит из двух металлических проводников, спаянных в одной точке. Если место спайки поместить в зону с высокой температурой, а свободные концы проводов оставить при комнатной, то, подключив к ним вольтметр, можно увидеть, что «батарейка» начала вырабатывать ток. Конечно, возникает соблазн использовать термопару для выработки электричества, а не просто для измерения температуры, однако из этой затеи ничего не выйдет: напряжение на выводах термопары составляет всего несколько милливольт, что в тысячу раз меньше, чем напряжение самой обычной пальчиковой батарейки. Зато температуру с помощью термопар можно измерять весьма точно и в большом диапазоне: от –250оС до +2500оС.

И жидкостные термометры, и терморезисторы, и термопары требуют физического контакта с объектом. Термометр необходимо погрузить в жидкость или другую среду либо обеспечить ему плотный контакт с телом. А как поступить, если нужно измерить температуру на расстоянии? Оказывается, в этом нет ничего невозможного.

Вспомните одно свойство материи: все вещества при нагревании испускают электромагнитное излучение. Вы наверняка видели, как выглядит раскалённое железо — оно светится красным, жёлтым или белым цветом. По цвету свечения можно определить температуру металла — этим пользуются кузнецы, чтобы соблюсти технологию ковки изделий. Однако не все нагретые тела светятся ярким светом, вернее, не всё излучение от нагретых тел мы способны увидеть невооружённым глазом. Например, горячий и холодный паяльники выглядят одинаково, хотя, будь наш глаз чувствителен к инфракрасным волнам, мы без проблем отличили бы горячий предмет от холодного.

А вот гремучие змеи могут «видеть» тепло — у них для этого есть специальный орган: два углубления на голове, чувствительные к инфракрасному излучению. Другими словами, рептилии могут найти добычу, например какого-нибудь теплокровного грызуна, в полной темноте, ориентируясь только на тепловые волны, которые испускает жертва. Надо сказать, что змея не видит мышь, как мы видим изображение на экране тепловизора, она лишь может определить направление и силу тепловыделения. По принципу зависимости состава спектра излучения тела от его температуры работают инфракрасные термометры. Чтобы измерить температуру объекта, достаточно направить на него прибор, и спустя буквально доли секунды он покажет температуру с высокой точностью. Быстро и удобно, правда, стоимость такого устройства из-за относительной сложности его конструкции выше, чем обычных термометров.

А как измерить температуру с помощью «интернета»? Развитие волоконно-оптических технологий передачи информации ушло так далеко вперёд, что оптоволокно стало основным каналом передачи трафика от локальных сетей до трансатлантических подводных кабелей. Как оказалось, форма сигнала, который передаётся по световоду, зависит от его температуры — это связано с особенностями рассеяния света на стенках оптического волокна. По виду сигнала, прошедшего через весь световод, можно узнать температуру на каждом его участке. К примеру, если вы проложили оптическую линию длиной 100 км, то даже на таком большом протяжении можно зафиксировать изменение температуры на один градус на отметке, скажем, 62 км 350 м.

Такие системы широко применяются в тех областях промышленности, где требуется непрерывный мониторинг температуры на большом протяжении. Огромный плюс — их надёжность и безопасность, к тому же им не страшны электрические и магнитные помехи. Достаточно один раз проложить оптоволоконный кабель, и в течение десятков лет он будет давать информацию о температуре, при этом систему не нужно обслуживать или менять вышедшие из строя датчики. Правда, и стóят подобные системы несравнимо дороже любого другого термометра.

И напоследок расскажем о самых дешёвых способах измерения температуры. Часто для решения многих задач нужно лишь знать, достигла температура заданного значения или нет. Например, обжигаете вы кирпичи в печи либо стерилизуете медицинские инструменты в автоклаве — и в том и в другом случае нужно убедиться, что объект прогрелся до определённой температуры. Чтобы кирпичи не получились по цене золотых слитков, придётся отказаться от идеи воткнуть в каждый из них по термопаре или дежурить сутками у печи с инфракрасным термометром. Для этих целей придуманы так называемые термоиндикаторы — дешёвые одноразовые устройства, единственная задача которых состоит в том, чтобы показать, достигнута требуемая температура или нет. Например, при обжиге глиняных изделий применяются конусы Зегера — небольшие пирамидки, которые меняют свою форму при достижении определённой температуры. Для автоклавной стерилизации применяют специальные индикаторы — полоски бумаги с нанесённым на них веществом, которое меняет цвет при заданной температуре.

www.nkj.ru

Термоскоп Галилея и первые термометры

Что показывает жидкостный термометр?

   Термоскоп Галилея и первые термометры

    В 1592 году Галилео Галилей, которому тогда было 28 лет, получил место профессора математики в престижном и богатом университете г. Падуя. Однако круг интересов Галилея отнюдь не ограничивался математикой. Он активно занимался вопросами астрономии, механики и именно его работы положили начало развитию физики как науки.

    Галилей был блестящим преподавателем и его лекции всегда проходили в переполненных аудиториях. Заинтересовать студентов Галилею помогал, в частности, талант изобретателя, позволявший ему создавать прекрасные наглядные пособия. Одним из таких пособий был термоскоп – прибор, предназначенный для демонстрации известного ещё древним грекам свойства воздуха расширяться при нагревании.  

    Главной частью термоскопа Галилея (см. Рис. 1) был стеклянный шар размером примерно с куриное яйцо с припаянной к нему и опущенной в окрашенную жидкость (обычно это было красное вино) тонкой стеклянной трубкой. Когда воздух в шаре разогревался ладонями профессора, уровень жидкости в трубке опускался на величину, пропорциональную отношению объёма шара к площади сечения трубки. В этом и состояла главная суть изобретения Галилея, использованная затем всеми создателями термометров, основанных на тепловом расширении – делая трубку достаточно тонкой, можно получить вполне ощутимое снижение уровня даже при незначительных изменениях объёма газа. 

 

 

 

Рис. 1. Термоскоп Галилея

    Позднее Галилей существенно упростил конструкцию термоскопа - он использовал трубку настолько малого диаметра, чтобы капиллярные силы могли удерживать каплю жидкости в подвешенном состоянии, установил эту трубку над шаром и ввёл в неё сверху каплю подкрашенной воды, перемещение которой свидетельствовало о расширении воздуха.

    Демонстрации термоскопа на лекциях проводились Галилеем в первом десятилетии XVII века, а уже во втором десятилетии были сделаны попытки превратить его термоскоп в прибор, измеряющий нагретость воздуха, нанеся на трубку прибора шкалу – равноудалённые друг от друга метки.

 /*Известны публикации на эту тему старшего по возрасту коллеги Галилея по университету в Падуе профессора медицины Санторио и жившего в Венеции друга Галилея математика Сагредо*/.

    Авторы этих изобретений незаметно для себя дали первое количественное определение температуры воздуха – они предложили считать мерой нагретости  объём фиксированной массы воздуха, находящегося  в шаре и в прилегающей к нему части трубки, а величину объёма измерять положением уровня жидкости в трубке по шкале в некоторых условных единицах (градусах).

    Как мы знаем теперь, такое определение температуры некорректно, т.к. объём воздуха в шаре прибора зависит не только от степени нагрева, но и от атмосферного давления, которое может вполне ощутимо меняться как во времени, так и в зависимости от места измерения. Однако, в начале XVII века, когда ещё даже не было отчётливого представления об атмосферном давлении, воздушные термометры Санторио и Сагредо не получили распространения из-за их громоздкости и неудобства использования, а не по каким-либо теоретическим соображениям.

    Жидкостные термометры

    Следующий важный шаг был сделан в 1641 году жившим во Флоренции естествоиспытателем и изобретателем Фернандо Медичи, который был учеником и почитателем Галилея, а также, по случайному стечению обстоятельств, Великим герцогом Тосканским Фердинандом II.

    Медичи взял за основу главную находку Галилея, обеспечивавшую высокую чувствительность прибора – шар, соединённый с узкой трубкой. Как и в окончательном варианте термоскопа Галилея, трубка в приборе Медичи была расположена вертикально, шар подсоединялся к ней снизу, а верхний конец тубки был открыт в атмосферу. Главное же отличие изобретения Медичи от прототипа состояло в том, что шар наполнялся не воздухом, а специальной термометрической жидкостью, изменение объёма которой при нагреве определялось, как и в термометрах Санторио и Сагредо, с помощью равномерной шкалы, нанесенной на трубку.

    Интервал температур, в котором может работать жидкостный термометр, ограничен снизу точкой замерзания жидкости, а сверху – точкой кипения при атмосферном давлении. Поскольку главным назначением своего прибора Медичи видел измерение температуры атмосферного воздуха, он выбрал в качестве термометрической жидкости винный спирт, точка кипения которого (78 °С) вполне устраивала, а точка замерзания (– 114 °С) была в то время недостижима, так что он считался незамерзающей жидкостью. 

    В термометрах, изготовлявшихся в принадлежащих Медичи мастерских, роль шкалы играли бусинки, припаянные к трубке, или точки, нанесенные на разогретую трубку расплавленной эмалью. Обычно шкала имела 50 делений, который выбирались так, что 10 примерно соответствовало таянию снега, а 40 – максимальному нагреву прибора на солнце.

 

Рис. 1. Жидкостной термометр Медичи

    Заметив, что градуировка шкалы постоянно сбивается из-за испарения термометрической жидкости, Медичи в 1654 году решил верхний конец трубки запаять. Так появилась конструкция жидкостного термометра, широко используемая и в наши дни. Дальнейшие усовершенствования, проведенные во второй половине XVII и всего XVIII века  касались исключительно способов построения шкалы и, в частности, выбору двух фиксированных контрольных точек, температуру которых можно считать постоянной и стабильно воспроизводимой в различных условиях эксперимента. После нанесения на шкалу рисок, соответствующих обеим фиксированным точкам, оставалось только разделить промежуток между ними на заранее обусловленное число равных частей, называемых градусами. 

    В дальнейшем различными исследователями был опробован целый ряд вариантов термометрической жидкости. Так, например, Исаак Ньютон проводил эксперименты с льняным маслом. Позднее, уже в XVIII веке, когда активно проводились работы по созданию и использованию паровых машин и понадобилось измерять температуры, превышающие точку кипения воды при нормальном давлении, в качестве термометрической жидкости стала широко использоваться ртуть, имеющая самую высокую температуру кипения (357 °С) среди всех веществ, находящихся в жидком состоянии при нормальных условиях. При этом точка замерзания ртути (– 39 °С) была достаточно низкой для использования ртутных термометров в метеорологических исследованиях, кроме редких случаев экстремально низких температур.

    Легко воспроизводимые  фиксированные точки, пригодные как для спиртового, так и для ртутного термометра, после многочисленных экспериментов, проведенных в 1708-1724 годах предложил немецкий изобретатель и естествоиспытатель Даниэль Габриэль Фаренгейт. В качестве нижней фиксированной точки он взял температуру таяния льда, смешанного с нашатырём (примерно – 18 °С), в качестве верхней – температуру таяния чистого льда (0 °С), а промежуток между ними разделил на 32 градуса. Значительно позднее, в 1742 году шведский учёный Андерс Цельсий предложил свою шкалу с фиксированными точками, соответствующими таянию чистого льда (0 °С) и кипению воды при нормальном давлении (100 °С). Верхняя из этих точек была более удобна для ртутных термометров, но совершенно непригодна для спиртовых. 

    Почему жидкостный термометр является квазитермометром

   Поскольку величиной, непосредственно измеряемой с помощью прибора Медичи, является выраженный в градусах соответствующей шкалы удельный объём термометрической жидкости, сделанное в дальнейшем объявление этого прибора термометром равносильно введению определения понятия градус теплоты, состоящему из двух частей:

         градус теплоты термометрической жидкости равна её удельному объёму, выраженному в градусах принятой шкалы;

         градус теплоты любого тела равна показанию жидкостного термометра, находящегося с ним в состоянии теплового равновесия.

    Первая часть этого определения основана на предположении, что изменение удельного объёма при нагреве протекает одинаково у всех жидкостей, так что совпадение показаний термометра в фиксированных точках автоматически обеспечит совпадение и во всех других точках шкалы. Однако позднее, в 1739 году французский исследователь Реомюр (René Antoine Ferchault de Réaumur) обнаружил, что показания ртутного и спиртового термометров, вообще говоря, не совпадают, так что ртутный термометр показывает «ртутный градус теплоты», а спиртовый – «спиртовый градус теплоты» [Quinn, N.J. Temperature. London - San Diego. Academic Press. 1990.- 495 p.]. Более того, если учесть, что удельный объём жидкостей зависит не только от градуса теплоты (или, в современной терминологии, от температуры), но и от давления, а давление в полости, занятой термометрической жидкостью, может при нагреве или охлаждении жидкости меняться в широких пределах, зависящих от конструктивных параметров прибора, то окажется, что, строго говоря, показания каждого конкретного термометра не совпадают с показаниями других термометров.

   Что же касается второй части определения, то оно предполагает возможность состояния теплового равновесия между термометрической жидкостью и объектом измерения. В этом состоянии градус теплоты термометрической жидкости должен быть одинаков во всём занимаемом ею объёме и совпадать с градусом теплоты стеклянной оболочки термометра и градусом теплоты измеряемого объекта во всех точках области, прилегающей к поверхности термометра. Однако, поскольку такое равновесное состояние в макроскопических объёмах никогда не достигается, вся вторая часть определения теряет какой-либо смысл.

    Таким образом, жидкостные термометры основаны на некорректном определении понятия «градус теплоты» и являются квазитермометрами.

    Нужно отметить, что для подавляющего большинства имевших место в дальнейшем практических применений термометра (в метеорологии – для измерения температуры воздуха, в медицине – для измерения температуры тела и т.д.) абсолютно безразлично, что на самом деле этот прибор измеряет и каков физический смысл понятия «градус теплоты» или «температура». Важно только, чтобы в сходных условиях результаты измерений разными приборами, а также одним и тем же прибором, но в разное время, совпадали с приемлемой точностью. Жидкостные термометры этим требованиям удовлетворяли, что и обусловило их успешное применение на протяжении трёх с половиной веков, прошедших после изобретения.

Дата последнего обновления:  17.06.10

Мифы физики

 

multiurok.ru

Читать книгу Физика С. Каплун : онлайн чтение

Текущая страница: 8 (всего у книги 21 страниц) [доступный отрывок для чтения: 14 страниц]

Биография термометра

Что такое термометр, мы знаем с детства. А известно ли вам, что термометрия – наука об измерениях температуры – составляет целый раздел физики и уходит своими корнями в глубину веков?

Изобретению термометра предшествовало создание термоскопа – прибора, который отмечал снижение или повышение температуры. Первые термоскопы (греч. «терме» – тепло, жар и «скопео» – смотрю) были построены еще до нашей эры в Древней Греции и в Древнем Египте. Работали они просто: при потеплении воздух внутри некоего шара расширялся и вытеснял воду из шара в трубку. По изменению уровня воды и судили об изменении температуры.

Чаще открытием называют ознакомление с новым фактом. Но я считаю, что в открытии главную роль играет идея, связанная с этим фактом. Любое экспериментальное начинание заключается в идее.

К. Бернар

Прибор Филона из Византии (примерно II в. до н. э.) представлял собой пустотелый шар со свинцовой трубкой, доходящей до его дна. Второй конец трубки был опущен в открытую емкость. В свинцовый шар наливали воду (до половины) и выставляли на солнце. Воздух расширялся, вытеснял воду из шара, и эта вода через трубку перетекала в открытую емкость. Когда прибор переносили в тень, воздух сжимался, и вода из сосуда снова переходила в шар.

Понятно, что физическое объяснение процессов, происходящих в этом приборе, не соответствовало нашим современным представлениям.

Термоскоп Галилея

Особого внимания заслуживает опыт Галилея с термоскопом, который он провел примерно в 1597 г. (некоторые историки считают, что это произошло раньше, примерно в 1592 г.).

Термоскоп Галилея был значительно проще по конструкции: это стеклянный шарик с припаянной узкой стеклянной трубочкой.

Термоскоп Галилея

Опыт был таков. Руками согревали колбу и опускали конец трубки в воду, налитую в открытую емкость. Затем, когда убирали руки с колбы, вода из чаши по мере остывания сосуда начинала подниматься в трубочку. К трубочке прикрепляли шкалу из бусинок, которые размещали произвольно.

Этот термоскоп позволял отслеживать повышение или понижение температуры на качественном уровне. Но так мы говорим сейчас.

Бенедетто Кастелли, который был учеником Галилея, писал в 1638 г.: «Этот эффект вышеупомянутый сеньор Галилей использовал при изготовлении инструмента для определения степени жары и холода».

Ранее никому и в голову не приходила мысль о возможности измерения степени тепла и холода, потому что считали: холод и тепло – это различные свойства, перемешанные в материи.

Кстати, не знакомый с работой Галилея врач Санкториус из Падуанского университета, который в то же время начал измерять температуру человеческого тела, создал термоскоп, очень похожий на термоскоп Галилея.

Флорентийские термометры

Для того чтобы превратить термоскоп в термометр, необходимо было продвинуться дальше в изучении тепловых явлений. Выдающийся ученый Р. Бойль (1627–1691) писал о термоскопах: «Эти термоскопы, подверженные влиянию атмосферы, а также тепла и холода, легко могут сбить нас с толку, если мы не будем определять другим прибором вес атмосферы».

Флорентийские термометры

Под весом атмосферы здесь подразумевалось атмосферное давление, а «другой прибор» – это барометр, который в 1644 г. изобрел Э. Торричелли (1608–1647). А сам Бойль открыл в 1661 г. зависимость между объемом газа и давлением при постоянной температуре. Таким образом, барометр и закон Бойля позволяли учитывать, как именно изменения давления воздуха влияют на показания термоскопа. (Кстати, во времена Галилея сама идея о том, что воздух может давить на землю, казалась просто дикой!)

Надо было создать термоскоп, которому не нужны поправки, связанные с атмосферным давлением. И он был создан!

Примитивный воздушный термоскоп Галилея ученик Галилея Э. Торричелли преобразовал в жидкостный (спиртовой) термометр. Его конструкция была существенно улучшена Торричелли и членами Флорентийской академии исследований (ее еще называют «Академия экспериментальных исследований») и оказалась настолько удобной для различных применений, что в XVII в. «флорентийские термометры» приобрели известность.

Они представляли собой герметично запаянную трубку, заполненную ртутью или спиртом. Об изменениях температуры свидетельствовало изменение в их уровне.

Эти термометры ввел в практику в Англии Р. Бойль, во Франции они распространились благодаря астроному Бульо (1605–1694), получившему в подарок такой термометр от польского дипломата.

С этих пор показания термоскопов перестали зависеть от атмосферного давления. Опыты с ними стали общим увлечением; ими даже украшали комнаты, потому что они были очень красивыми. Но после флорентийских академиков так искусно изготавливать термометры уже никто не умел.

От термоскопа до термометра

Чтобы термоскоп стал термометром, следовало научиться выражать его показания в виде числа, то есть изобрести шкалу.

Исследователь Отто фон Герике – магдебургский бургомистр, известный своим интересом к научным исследованиям, – создал собственный термоскоп, который можно считать предшественником термометра.

Этот термометр состоял из медного шара с U-образной трубкой, в которую был налит спирт. На поверхности спирта в открытом колене плавал поплавок, а от него шла нить, перекинутая через блок. На конце нити была подвешена фигурка ангела, держащего в руке палочку, которой он показывал на деления шкалы, нарисованной на стене дома. Шар был окрашен в голубой цвет, на нем были нарисованы звезды и выведена гордая надпись «Perpetuum mobile» («вечный двигатель»).

За ноль Герике выбрал температуру… того осеннего дня 1660 г., когда были первые заморозки в городе Магдебурге!

Термометр Герике имел тот же недостаток, что и термометр Галилея, и назовем его термоскопом, потому что показания на нем зависели от атмосферного давления. Но попытка создать шкалу достойна внимания потомков!

Известно, что в 1701 г. И. Ньютон опубликовал работу «О шкале степеней тепла и холода», в которой была описана двенадцатиградусная шкала. Ноль он поместил там, где находится точка замерзания воды, а 12 градусов соответствовали температуре здорового человека. Важно, что Ньютон достаточно четко говорил о температурной шкале.

Усовершенствовал конструкцию термометра немец Габриэль Даниэль Фаренгейт (1686–1736), использовавший идею Олафа Ремера. Фаренгейт изготовлял ртутные и спиртовые термометры такой формы, какие применяются и сейчас. Успех его термометров объясняется тем, что он ввел новый метод очистки ртути, кроме того, перед запайкой он кипятил жидкость в трубке.

Современники Фаренгейта всегда удивлялись тому, что различные его термометры давали одинаковые показания. «Секрет» Фаренгейта заключался в том, что он очень аккуратно наносил деления шкалы, используя для этого всегда одни и те же «опорные» точки.

Его термометрическая шкала (во втором варианте, принятом с 1714 г.) имела три фиксированные точки: нулевая точка соответствовала температуре смеси воды, льда и нашатыря, 96° – температуре тела здорового человека (под мышкой или во рту). В качестве контрольной температуры для сверки различных термометров было принято значение 32° для точки таяния льда. Точка кипения воды приходилась на 212 °Б (именно так обозначают температуру по шкале Фаренгейта).

Во Франции популярной стала другая термометрическая шкала, которую в 1740 г. предложил Рене Реомюр (1683–1757). Реомюр обнаружил, что применяемый в термометре спирт, смешанный в пропорции 5:1 с водой, расширяется в отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды. На этом основывается предложенная им шкала – от 0 до 80 °Л..

Современная шкала Цельсия была создана в 1742 г. шведским астрономом и физиком Андрисом Цельсием (1701–1744).

Цельсий предложил стоградусную шкалу термометра, в которой за ноль градусов принимается температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении, а 100 градусов – температура таяния льда. Деление шкалы составляет 1/100 этой разницы.

Когда начали использовать термометры, оказалось удобнее поменять на шкале местами 0 и 100 градусов. Возможно, в этом участвовал ботаник Карл Линней (он преподавал медицину и естествознание в том же Упсальском университете, где Цельсий преподавал астрономию), предложивший еще в 1738 г. за ноль температуры принять температуру плавления льда, но похоже, что он не додумался до второй реперной («опорной») точки.

Вообще существовало более десятка различных термометрических шкал. В России XVIII в. была распространена шкала Делиля, которую затем заменили шкалой Реомюра. Только в тридцатые годы ХХ в. в СССР шкала Цельсия вытеснила другие термометрические шкалы.

Приведем формулу, с помощью которой вы сможете переводить значение температуры из шкалы Фаренгейта в шкалу Цельсия:

где t – значение температуры по шкале Цельсия, а F – значение температуры по шкале Фаренгейта.

Позже, когда физики поняли, что температура является мерой средней кинетической энергии движения молекул, стало очевидным, что температуру можно измерить даже в джоулях! Кроме того, пришли к выводу, что существует состояние, при котором температура вещества является самой низкой и уже ниже быть не может. Если выразить эту наиболее низкую температуру по шкале Цельсия, то ее значение будет -273,16 °C.

Из этого следует, что можно создать такую температурную шкалу, в которой это значение принимается за ноль, а все остальные находятся выше. Такая шкала называется абсолютной шкалой температур, или шкалой Кельвина (она названа так в честь выдающегося английского ученого Уильяма Томсона – лорда Кельвина).

Один градус по этой шкале равен одному градусу по шкале Цельсия. Таким образом, связь между значением температуры по шкале Цельсия и температуры по шкале Кельвина имеет следующий вид:

T = t + 273,

где Т – значение температуры по шкале Кельвина, а t – значение температуры по шкале Цельсия.

В заключение этого краткого обзора сделаем важное замечание. Температура – это такая физическая величина, которую невозможно измерять так же, как, например, длину, объем, массу. Поясним это следующим образом.

Длина ряда из нескольких палок равна сумме длин каждой из них. Измерение длины – это сравнение ее с определенным эталоном.

К температуре это применить невозможно. Например, если мысленно разделить нагретый стержень на несколько частей, то это не означает, что его температура равна сумме температур каждого куска! Недаром задача измерения температуры как физической величины решалась несколько веков!

Сейчас существуют десятки новых методов измерения температуры и в обычных, и в экстремальных условиях. Все они основываются на современных научных идеях и технологических достижениях.

Холодно и жарко

Температурные условия в разных уголках Земли, в околоземном пространстве, на звездах существенно различаются.

Взгляните на средние значения температуры земной атмосферы на разных высотах от поверхности Земли:

Температура вещества внутри Земли определена недостаточно точно, поэтому приведенные ниже данные являются ориентировочными (для того чтобы вы привыкли к шкале Кельвина, которой пользуются в Международной системе единиц, эта температура приведена именно в кельвинах):

А теперь сравните между собой некоторые значения температуры, которые встречаются в природе и технике:

температура горения соломы – 800 °C, дров – 1000 °C, антрацита – 1300 °C;

температура пламени газовой горелки 1600–1850 °C;

температура вольфрамовой нити лампочки накаливания – 2530 °C и выше;

температура газов в камере сгорания ракетного двигателя – 2200–3700 °C;

наиболее высокая температура, зарегистрированная на Земле в 1922 г. в Северной Африке – 58 °C; самая низкая температура, зарегистрированная на Земле (Антарктида, научная станция «Восток», 1960 г.), – 88,3 °C.

Жаркая пустыня

Холодная Антарктида

Тепловые машины
Прообраз двигателя

Как известно, тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу.

Первым устройством для преобразования тепла в механическую работу могла быть паровая пушка «Архитронито» (в переводе – сильный гром). Описание этого прибора найдено в записях Леонардо да Винчи, который приписывает это изобретение Архимеду. Некоторые специалисты считают, что речь идет не об известном всем Архимеде и изобретение относится к более позднему периоду. Такая пушка вполне могла существовать, но ее нельзя, конечно, считать двигателем.

Поэтому прообразом теплового двигателя считается созданный в I в. до н. э. выдающимся ученым и изобретателем того времени Героном Александрийским так называемый эолипил. Устройство представляло собой полый шар. В вертикальной плоскости шар имел две выступающие, расположенные диаметрально противоположно друг к другу, изогнутые трубки. Под шаром был установлен сосуд, частично заполненный водой. Когда под сосудом разводили огонь, вода в нем закипала. Выделявшийся пар, поступал во внутреннюю полость шара по паропроводам и вытекал из нее посредством изогнутых трубок, вызывая вращение шара. Отметим, что это устройство было сделано только для развлечения: его назначение – быть просто интересной игрушкой.

Первая паровая машина – эолипил

Промежуток времени от создания эолипила до устройств, превращающих силу огня в полезную работу, был огромен.

Первые тепловые двигатели

Потребность в создании механизмов для откачки воды из шахт возникла в связи с интенсификацией добычи угля и минералов, вызванной резким ростом производства в ходе первой промышленной революции. На некоторых шахтах Великобритании количество лошадей, используемых для привода водоотливных колес, достигало 500 голов, а расходы на их содержание были огромными. Поэтому и появились первые двигатели.

Прототип паровой турбины (1629 г.)

Двигатель Христиана Гюйгенса (1629–1695) представлял собой цилиндр с поршнем, соединенным с механической тягой. На нижнюю полость цилиндра насыпали порох, сжигание которого приводило к падению давления воздуха и обеспечивало разность давлений на поверхности движущегося поршня.

Эта модель не нашла практического применения, хотя изобретение было действующим и имело признаки, присущие всем газовым двигателям. Именно начиная с двигателя Гюйгенса в энергетике появляются понятия цилиндр и поршень.

Первый двигатель Дени (Дениса) Папена (1647–1714) создавали как замену двигателю Гюйгенса, ассистентом которого Папен был в период с 1671 по 1674 год.

Дени (Денис) Папен

Папен установил, что после взрыва пороха в цилиндре остается до двадцати процентов исходного объема воздуха, и предложил заменить порох на воду, которая, испаряясь при нагревании, приобретает «эластичность (давление), подобную воздушной», а после охлаждения цилиндров создает «более совершенный вакуум», чем при применении пороха.

Паровой двигатель Папена

В двигателе Папена пар служит для получения разряжения под поршнем, а полезная работа осуществляется с помощью атмосферного воздуха. Чтобы заставить поршень поднять груз, необходимо манипулировать стержнем, клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой.

Однако сложность управления механизмом Папена привела к тому, что первым большое распространение получил паровой насос английского инженера Томаса Севери (1650–1715), предложившего использовать насос для откачки воды из шахт.

Принцип работы насоса был разработан с учетом опыта работы паровых устройств английского маркиза Эдварда Сомерсета.

Эдвард Сомерсет II, маркиз Уорчестерский, первым в Европе спроектировал и установил в своем имении «промышленную» водонапорную систему для фонтана (1664) и систему подачи воды в башни замка (1665).

Томас Севери

Насос Севери

Технологическую основу системы составляли два сообщающихся сосуда, в одном из которых образовывался нагретый пар, вытесняющий воду из второго сосуда до заданного уровня. Подпитывание водой парового и водяного сосудов осуществлялось вручную.

Насос Томаса Севери работал следующим образом.

На первом этапе рабочая емкость целиком заполняется паром. После отсоединения емкости от источника пара последний конденсируется, создавая разрежение, обеспечивающее всасывание воды в рабочую емкость после открытия приемного клапана. Затем приемный клапан закрывается и открывается напорный клапан, соединяющий емкость с источником пара. Давление пара котла вытесняет воду из емкости через отливной клапан вверх. В последних версиях насоса использовались две емкости, что обеспечивало непрерывность процесса откачки воды.

Английский механик Томас Ньюкомен (1663–1729), применив идеи Папена и Севери, создал в 1705 г. паровую машину для откачивания воды. Его устройство стало очень популярным на производствах, связанных с откачиванием воды из шахт.

Паровая машина конструкции Томаса Ньюкомена (1817 г.)

Принцип действия машины Ньюкомена был таков. Пар из котла поступал в цилиндр с поршнем и поднимал этот поршень. (Поршень через коромысло был связан с грузом, который уравновешивал его.) После впрыскивания в цилиндр холодной воды из специального резервуара пар конденсировался и поршень опускался. При этом с помощью коромысла груз поднимался, что давало возможность воде из шахты подниматься по трубе.

Универсальный двигатель Джеймса Уатта

В 1765 г. англичанин Джеймс Уатт (1736–1819) создает первую действующую модель двигателя, рабочий ход которого обеспечивался не созданием вакуума, а избыточным давлением.

В период с 1765 по 1769 год Уатт создает последовательный ряд все более и более мощных моделей и в 1769 г. получает патент на свое изобретение. Несмотря на то, что первые двигатели Уатта были одностороннего действия (для шахтных подъемников не было необходимости обеспечивать полезную нагрузку обратного хода), преимущество перед двигателем Ньюкомена было очевидным – мощность двигателя определялась уже не только габаритами цилиндра, но и давлением пара.

С 1774 г. на заводе М. Болтона близ Бирмингема начинается выпуск насосов Дж. Уатта, представляющих модернизированный вариант насоса Ньюкомена.

Начало эпохи транспортного машиностроения относят к 1781 г., когда Уатт создает двигатель с вращающим моментом на валу, на котором впервые применяются механизм преобразования поступательного движения, регулятор частоты вращения и водомерное стекло на котле.

В 1784 г. Уатт создает первый двигатель двойного действия с кривошипно-шатунным механизмом, который на долгие годы стал основной энергетической установкой морских паровых судов. Таким образом машины Уатта могли не только откачивать воду, но и приводить в движение станки и корабли!

Кто же он такой – создатель двигателя Джеймс Уатт?

Джеймс Уатт

Детство и отрочество Джеймса проходили в тихом патриархальном шотландском городке Гринвок, находящемся в тридцати километрах от Глазго. Любовь к ремеслу ребенок унаследовал от отца, который работал на строительстве кораблей, а тягу к знаниям – от деда, преподавателя математики. В восемнадцать лет юноша отправился приобрести специальность в Глазго. Став учеником в мастерских, Уатт за первые два года получил квалификации чеканщика, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов.

По совету дяди – профессора Мюирхеда, молодой изобретатель поступает в университет Глазго, где он получает должность механика. Именно здесь он начал изучать, улучшать модели паровых машин. С тех пор тепловой двигатель стал главным содержанием его исследований.

Схема паровой машины Уатта (1775 г.)

О точной дате появления универсального двигателя историки спорят до сих пор. Однако на этот вопрос, наверное, и нельзя дать однозначного ответа, поскольку сам процесс создания изобретателем своего детища имеет большую продолжительность. Формальными ориентирами могут быть 1769 г., когда Уатт запатентовал первый вариант двигателя, и 1782 г., когда был внедрен в практику усовершенствованный образец.

Уатт легко сходился с людьми и как никто другой умел располагать их к себе. За короткий срок он приобрел в университете немало друзей и знакомых.

Но жизнь диктовала свои условия. Приходилось поддерживать отношения не только с учеными, но и с промышленниками, банкирами, членами парламента. Реальные владельцы капитала были необходимы Уатту. Безмерно устав от материальной нужды, уже широко известный изобретатель однажды с горечью признался: «Я предпочел бы стоять перед заряженной пушкой, чем иметь дело со счетами и сделками».

Финансовые трудности заставили Уатта уже в зрелом возрасте проводить геодезические исследования, работать на строительстве каналов, сооружать порты и пристани, пойти, наконец, на экономически невыгодный союз с предпринимателем Джоном Ребеком, которого вскоре постиг полный финансовый крах.

Материальное положение Уатта улучшилось после того, как он вступил в деловые отношения с уже упомянутым бирмингемским промышленником Метью Болтоном. Но этому предшествовал один весьма интересный эпизод.

Российский царский двор и Академия наук знали, во что вкладывать деньги, и не жалели их, чтобы привлечь к себе талантливых европейских ученых. В золотой для науки век ученые ехали в Россию, а не из нее. И вполне естественно, что одним из тех, кто попал в поле зрения радетелей о благе российской науки и техники, был Джеймс Уатт. Предложенная ему оплата была и большой, и крайне ему необходимой.

Существует достаточно света для тех, кто хочет видеть, и достаточно мрака для тех, кто не хочет.

Б. Паскаль

Намерение Уатта уехать в Россию вызвало неслыханный переполох у него на родине. «Боже, – писал поэт Дарвин, дед известного натуралиста, – как я был напуган, когда услышал, что русский медведь зацепил Вас своей громадной лапой и тянет в Россию! Умоляю не ездить, если только это возможно… Я надеюсь, что Ваша огненная машина оставит Вас здесь».

Не высокие патриотические чувства, а экономический интерес и четкий расчет заставили англичанина Болтона сделать все возможное, чтобы Уатт подписал договор, подготовленный моторным заводчиком. Еще бы! Ведь согласно документу, две трети доходов от использования уаттовских машин на предприятиях промышленника шли последнему.

Существует мнение, что Уатт – инженер, изобретатель, конструктор, но не более того. Это совсем не так. Он был талантливым и эрудированным ученым, внесшим большой вклад в теоретические основы теплотехники. Он следил за тем, что уже сделано и что происходит в исследуемой им области. Уатт специально овладел немецким и французским языками – для чтения необходимых научных трудов. Из большого теоретического наследия Уатта можно выделить три главных направления его поисков: исследование свойств воды и водяного пара, изучение теплоты парообразования, определение взаимосвязи между давлением и температурой водяного пара.

В личности Уатта впервые гармонично проявился симбиоз ученого-исследователя и инженера-конструктора, что позже переросло в норму для представителей прикладной науки.

Научно-исследовательская и конструкторская активность Уатта в преклонные годы заметно снизилась. Силы таяли, возраст брал свое. «Будем в дальнейшем изготовлять те вещи, – писал в 1785 г. ученый Болтону, – которые мы уже умеем делать, а все остальное предоставим молодым людям, которым не грозит потеря денег или имени». А чтобы обеспечить стабильные и гарантированные доходы от паровой машины, Уатт по подсказке Болтона получил патент, который юридически обезопасил вплоть до 1800 г. ее создателя и его компаньона-промышленника от энергичных и ловких конкурентов, дышащих в затылок.

Уатт прожил удивительную и долгую жизнь. Умер он в возрасте восьмидесяти трех лет и был похоронен в приходской церкви в Хэндс-Уорти рядом с прахом его многолетнего сподвижника Болтона. Вскоре в Вестминстерском аббатстве в благодарность соотечественники возвели славному сыну Англии замечательный памятник, где есть надпись:

Не для того, чтобы увековечить имя, которое будет жить, пока процветают мирные искусства, но чтобы показать, что человечество отдает почести тем, кому оно обязано, с благодарностью король, его слуги, а также многочисленные дворяне и граждане королевства возвели этот памятник Джеймсу Уатту.

Его гений путем опыта усовершенствовал паровую машину. Благодаря этому он приумножил богатства своей родины, мощь людей и поднялся до высоких ступеней среди великих деятелей науки, этих истинных благодетелей человечества.

От универсального двигателя к железной дороге

Роберт Фултон

Со временем тепловые двигатели «научили двигаться» и тележки, и корабли. Американец Роберт Фултон (1765–1815) применил такой двигатель в построенном им пароходе.

Этот пароход «Клермонт» в 1807 г. совершил свое первое плавание по реке Гудзон.

А 25 июля 1814 г. локомотив Джорджа Стефенсона (1781–1848) совершил первую поездку по узкоколейке со скоростью 6,4 км/ч. Затем в 1823 г.

Схема паровой тележки Мердока (1786 г.)

Стефенсон основал первый паровозостроительный завод. Так началась эра железных дорог в Европе и во всем мире. В сентябре 1825 г. лучший из паровозов, сконструированных Стефенсоном, совершил поездку по линии длиной 21 км Стоктон – Дарлингтон со скоростью уже 12 км/ч.

Первый паровоз Р.Тревитика (1803 г.)

В России первую железную дорогу с паровой тягой построили отец и сын Черепановы (Ефим Алексеевич и Мирон Ефимович). Паровоз Черепановых начал ходить в августе 1834 г. в Нижнем Тагиле на заводе семьи Демидовых. Там по железной дороге длиной около 1 км перевозили грузы массой до 3,5 т со скоростью 13–16 км/ч.

Джордж Стефенсон

В 1836–1838 гг. была построена Царскосельская железная дорога (27 км) общего пользования.

Сейчас общая протяженность железных дорог во всем мире достигает уже 1,3 млн км; они есть почти в каждой стране.

iknigi.net

Термометр Галилея - это... Что такое Термометр Галилея?

Термометр Галилея

Термометр Галилея представляет собой запаянный стеклянный цилиндр, наполненный жидкостью, в которой плавают стеклянные сферические сосудики-буйки. К каждому такому сферическому поплавку прикреплена снизу золотистая или серебристая бирка с выбитым на ней значением температуры. В зависимости от размера термометра количество поплавков внутри бывает от 3-х до 11-ти. В настоящее время термометр представляет эстетическую ценность в качестве эффектного предмета интерьера.

История изобретения

Термометр Галилея вблизи

Название происходит от имени итальянского физика Галилео Галилея, который в 1592 году изобрел термоскоп, ставший прародителем всех термометров. Согласно одним источникам, сам Галилей имел весьма косвенное отношение к созданию этого прибора, который чаще используется в качестве сувенира[1], по другим данным, мир этим изобретением конца 16 века обязан именно Галилею[2][3][4].

Принцип действия

Поплавки по-разному наполнены жидкостью таким образом, что их средняя плотность различна: самая маленькая плотность у верхнего, самая большая – у нижнего, но у всех близка к плотности воды, отличаясь от неё незначительно. С понижением температуры воздуха в помещении соответственно понижается температура воды в сосуде, вода сжимается, и плотность её становится больше. Известно, что тела, плотность которых меньше плотности окружающей их жидкости, всплывают в ней. При понижении температуры в помещении плотность жидкости в цилиндре увеличивается и шарики поднимаются вверх один за другим, при повышении - опускаются. Такой эффект достигается за счет очень высокой точности изготовления термометров. Все шарики калибруются по температуре всплытия в интервале 0,4 °С. Диапазон температур, измеряемых термометром, находится в районе комнатной температуры: 16-28°, шаг: 1 °С. Текущее значение температуры определяется по нижнему из всплывших шариков.

Схематический принцип действия

См. также

Примечания

dic.academic.ru

Раздел 1. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ - PDF

ОБЩАЯ ФАРМАКОПЕЙНАЯ СТАТЬЯ

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ОБЩАЯ ФАРМАКОПЕЙНАЯ СТАТЬЯ Температура плавления ОФС.1.2.1.0011.15 Взамен ГФ XII, ч.1, ОФС 42-0034-07 Температурой плавления называют температуру, при

Подробнее

Строение вещества. Тепловые явления

Физика. 9 класс. Тренинг «Строение вещества. Тепловые явления» 1 Строение вещества. Тепловые явления Вариант 1 1 В одинаковые сосуды с равными массами воды при одинаковой температуре погрузили латунный

Подробнее

Уважаемый термометр,...

Кузьмичев Сергей Дмитриевич Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики Московского физико-технического института (МФТИ), преподаватель лицея 11 «Физтех», г. Долгопрудный. В статье

Подробнее

Задание 1 (5 минут) Решение

Задание 1 (5 минут) В сосуде с водой плавает опрокинутая вверх дном кастрюля Будет ли изменяться уровень воды в кастрюле с изменением температуры окружающего воздуха? (Тепловым расширением воды, кастрюли

Подробнее

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5.13

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5.13 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ Цель работы: экспериментальное определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости и его зависимости от температуры.

Подробнее

Тепловые явления ВАРИАНТ 1 Уровень А

Тепловые явления ВАРИАНТ 1 Уровень А 1. Теплообмен путем конвекции может осуществляться 1) в газах, жидкостях и твердых телах 2) в газах и жидкостях 3) только в газах 4) только в жидкостях 2. Перед горячей

Подробнее

К УЧЕНИКУ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

К УЧЕНИКУ Юный друг! Ты только начинаешь изучать физику. Можно только позавидовать тебе так много нового и интересного ждет на этом пути. Этот путь не пройден и никогда не будет пройден до конца Природа

Подробнее

Открытая олимпиада Физтех-лицея 2015

И. В. Яковлев Материалы по физике MathUs.ru Открытая олимпиада Физтех-лицея 2015 Физика, 9 класс 1. Масса до краёв заполненной пробирки с водой M 1 = 160 г. После того как в неё поместили кусочек металла

Подробнее

8 класса. Тема 1: «Тепловые явления»

Задания для подготовки к годовой промежуточной аттестации по физике. 8 класса Тема 1: «Тепловые явления» 1. При нагревании спирт в термометре расширился. Означает ли это, что расширилась и каждая молекула

Подробнее

Тесты для самоконтроля ТСК 8.1.7

ТСК 8.1.7 1.Парообразование это 1) нагревание жидкости до ее полного превращения в пар 2) переход жидкости в другое состояние 3) превращение жидкости в пар 2.Известны два вида парообразования 1) испарение

Подробнее

Лекция 2 Идеальный газ

Лекция 2 Идеальный газ 1. Давление газа. 2. Абсолютная температура 3. Молекулярно кинетический и термодинамический смысл температуры. 4. Температура и давление, как статистические величины. 5. Измерение

Подробнее

От термоскопа к термометру

История термометра Температура и тепло Температура является интенсивной (качественной) величиной. В отличие от нее тепло экстенсивная (количественная) величина, которую можно складывать и вычитать. Различие

Подробнее

7Ф Раздел 1. Понятия, определения

7Ф Раздел 1. Понятия, определения 1.1 Продолжите фразу: «Материя это всё, что..». 1.2 Продолжите фразу: «Молекула-это.» 1.3 Продолжите фразу : «Диффузия-это явление» 1.4 Продолжите фразу: «Масса-это физическая

Подробнее

Открытый банк заданий ЕГЭ

Воздушный шар объемом 2500 м 3 с массой оболочки 400 кг имеет внизу отверстие, через которое воздух в шаре нагревается горелкой. Какова максимальная масса груза, который может поднять шар, если воздух

Подробнее

САМОДЕЛЬНЫЙ КОНДИЦИОНЕР

1 САМОДЕЛЬНЫЙ КОНДИЦИОНЕР Автор адаптации на русский: MaximaN http://x-faq.ru форум по альтернативной энергетике. Главные материалы, используемые для конструирования: Алюминиевый лист Стойки, болты, винты

Подробнее

Ионова Таисия, Парыгина Ксения, 7Б класс

Ионова Таисия, Парыгина Ксения, 7Б класс История термометра Руководитель: Гуленко Т. Н. Целью работы является изучение истории создания первых образцов термометров, их изобретателей и областей применения.

Подробнее

Работа 2.5 Определение вязкости газов

Работа.5 Определение вязкости газов Введение Газы, как и жидкости, обладают вязкостью, хотя величина коэффициента вязкости в них значительно меньшая, чем в жидкостях. Физические причины возникновения вязкости

Подробнее

Научно исследовательская работа

Научно исследовательская работа Тема работы: «Исследование теплопроводности различных веществ» Выполнил: Беляевский Иван Андреевич Учащийся 8/1 взвода Университетского казачьего кадетского корпуса-интерната

Подробнее

Лабораторная работа 9

КАЛМЫЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра общей физики Лабораторная работа 9 «Определение теплоты перехода воды в пар при температуре кипения» Лаборатория 211 Лабораторная работа 9 «Определение теплоты

Подробнее

Будем изучать физику вместе

Расскажи мне и я забуду, Покажи мне и я запомню, Вовлеки меня и я научусь! Конфуций (6-й век до нашей эры) Будем изучать физику вместе Учебник реализует системно-деятельностный поход к изучению физики.

Подробнее

С1 «МКТ и термодинамика»

С1 «МКТ и термодинамика» Три одинаковых сосуда, содержащих разреженный газ, соединены друг с другом трубками малого диаметра: первый сосуд со вторым, второй с третьим. Первоначально давление газа в сосудах

Подробнее

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ

Утвержден и введен в действие Постановлением Госстандарта СССР от 17 мая 1974 г. N 1219 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР МАТЕРИАЛЫ ЛАКОКРАСОЧНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСЛОВНОЙ ВЯЗКОСТИ Paint and Lacquer

Подробнее

Инструкция по выполнению работы

Инструкция по выполнению работы На выполнение контрольной работы по физике отводится 1 урок (45 минут). Работа состоит из 3 частей и включает 11 заданий. Часть 1 содержит 7 заданий (1 7). К каждому заданию

Подробнее

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

ГОСТ 17.2.4.07-90 УДК 502.3:006.354 Группа Т58 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ Охрана природы. АТМОСФЕРА Методы определения давления и температуры газопылевых потоков, отходящих от стационарных источников

Подробнее

Лабораторные работы 7 класс. I часть

0 Лабораторные работы 7 класс I часть СОДЕРЖАНИЕ Лабораторная работа 1 Определение цены деления измерительного прибора Лабораторная работа 2 Определение размеров малых тел способом рядов Лабораторная работа

Подробнее

12.1 Фазовые превращения

12. Фазовые превращения 12.1 Фазовые превращения В стеклянном стакане с водой находится включенный в сеть электрокипятильник. Мы измеряем температуру воды, рис. 12.1. Электрокипятильник поставляет в воду

Подробнее

9 класс Задачи для повторения

9 класс Задачи для повторения 1 Какое количество теплоты (Q) пойдет на нагревание воды массой 3,5 тонны от 20 до 50 С? Удельная теплоёмкость воды С = 4200 Дж/(кг С). 2 Используя психрометрическую таблицу

Подробнее

МЕТАНОЛ-ЯД ТЕХНИЧЕСКИЙ

ГОСТ 25742.1-83 М Е Ж Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н Ы Й С Т А Н Д А Р Т МЕТАНОЛ-ЯД ТЕХНИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРЕДЕЛОВ ПЕРЕГОНКИ Издание официальное Москва Стандарта нформ 2010 вязание кружева

Подробнее

docplayer.ru