Что измеряет термометр. Что же показывает термометр? Правила измерения температуры тела при помощи электронного термометра

Одним из анахронизмов, перекочевавшим в жизнь современного человека, является уличный термометр, по установившейся привычке прикручиваемый или приклеиваемый на оконную раму с целью определения температуры воздуха на улице. Почему анахронизм и почему он не нужен? Мы попытаемся рассказать в предлагаемой вашему вниманию статье. Уличные градусники на пластиковые окна устанавливают повсеместно. В большинстве случаев даже не задумываясь о том, есть ли смысл тратить время на это бесполезное занятие.

Но, коль такая потребность у определенной категории граждан существует, мы, конечно же, ответим на вопросы, как это лучше сделать.

Нужен ли градусник за пластиковым окном?

Со времени своего изобретения и до недавнего исторического прошлого уличные градусники худо-бедно справлялись со своими обязанностями – показывать температуру воздуха на улице. Так же как и сегодня и пятьдесят и сто лет назад они безбожно врали. Связано это было не с особенностями самих приборов, а с тем, что их устанавливали, где попало и как попало. Поэтому не редки были случаи споров о том, насколько холодно или жарко в конкретный день. Спорщики просто забывали, что уличные градусники, на показания которых они ориентировались, были размещены в различных условиях. У одних — на окне с утра освещаемом Солнцем, у других – на раме вечно затененного балкона, а у третьих – на столбике во дворе частного дома.

В XXI веке начисто отпала потребность в этом приборе за окном. Почти каждый имеет сотовый телефон или смартфон, который в одно касание может показать на дисплее абсолютно точные и объективные данные о температуре воздуха, влажности, силе ветра и «субъективных» ощущениях погоды, при необходимости добавив к показаниям величину атмосферного давления и прогноз по осадкам на ближайшие сутки или целую неделю.

Но сила инерции мышления и привычки столь сильны, что вместо того, чтобы, не вставая с постели узнать, какая погода ждет вас на улице, многие бредут к уличному градуснику за окном и с радостью или скорбью узнают, что на улице совсем не такая погода, какая им приснилась во сне.

Немного о градусниках (термометрах)

Традиционно в быту для измерения температуры воздуха на улице применяются два вида термометров: спиртовые и биметаллические.
Первые представляют собой герметично запаянную капиллярную трубочку с окрашенным спиртом, который по мере повышения или понижения температуры воздух либо расширяется, либо сжимается, скользя по капилляру вдоль нанесенной метрической шкалы.

Биметаллические градусники – это пружина, состоящая из сплава двух металлов имеющих различный коэффициент расширения, на конце которой установлена стрелка. При нагревании или охлаждении пружина либо сжимается, либо раскручивается. В соответствии с этим перемещается и стрелка, расположенная на конце такой пружины, показывая определенное значение на дугообразной градусной шкале.

Третьей разновидностью уличных градусников являются электронные, которые получаю сигналы от расположенного вне помещения датчика и передают его на электронное устройство, отображающее температуру в цифровом виде на ЖК дисплее.

В настоящее время эти три модели распространены примерно в одинаковой мере и служат предметом бесконечных сетований владельцев на качество приборов и поводом для математических вычислений среднего арифметического, в случае несовпадения показаний на двух или более термометрах.

Наиболее точные показания при всех равных условиях дают электронные градусники. Поскольку их выносные теплоизмеряющие элементы проходят более строгий метрологический контроль (кроме китайских) и их термодатчики можно прикрепить в местах, недоступных прямым солнечным лучам.

Наименьшей степенью достоверности отличаются биметаллические градусники. Среднее и наиболее популярное среди населения положение занимают спиртовые градусники. Но следует учитывать возраст прибора. Чем дольше он служит вам, тем больше он вас обманывает. Связано это с постепенным испарением спиртовой жидкости и конденсацией её в верхней части капилляра.

В результате чего столбик окрашенной жидкости становится постепенно все короче и короче, а температура на улице все «ниже» и «ниже».

Что делать, чтобы термометр не врал?

Получить абсолютно достоверные сведения о температуре воздуха с уличного термометра, расположенного на раме пластикового окна практически невозможно. Первой причиной является тепловое излучение, исходящее от дома. Если известно, что до 30% тепла теряется через окна, то соответственно, излучаемое тепло будет вносить коррективы в показания градусника в сторону повышения температуры.

Вторым фактором является неправильная установка термометра. Обычно их монтируют на окнах, к которым обеспечен самый легкий и постоянный доступ. Это кухонные окна или окна в спальне. При этом мало кто задумывается о том, чтобы перед установкой градусника сверится с компасом или программой 2ГИС и определить, в каком направлении ориентированы ваши пластиковые окна. Если в восточном – градусник будет «врать» с утра, если в западном – ближе к вечеру, если в южном – на протяжении всего дня. Связано это с Солнечной активностью. Даже в пасмурную погоду южная стена дома будет прогреваться сильнее и исходящее от неё тепло не позволит вашему градуснику показать достоверную температуру.

Самые точные, насколько это возможно, показания дают уличные градусники, расположенные с северной стороны. Они объективны потому, что на них не воздействует прямой солнечный свет.
Третьей ошибкой, которая влияет на неправильные показания, является игнорирование требований экранирования термометра. Он обязательно должен быть прикрыт снаружи светоотражающим экраном, который защитит его от влияния прямой Солнечной радиации.

Четвертым условием является наличие достаточного зазора между градусником и стеной (даже не рамой или стеклом) дома.
Из этого следует, что не соблюдая этих условий, вы всегда будете получать очень приблизительные показания в интервале +/- 3-5° С.

Установка термометра

Если приведенные аргументы не убедили вас, и вы по прежнему хотите прикрепить термометр у себя за окном, то внимательно отнеситесь к его выбору. Как уже отмечалось, самые большие погрешности дают биметаллические градусники. Связано это с тем, что очень трудно подобрать и откалибровать шкалу для каждой конкретной пружины, расположенной внутри приборчика. Достаточно отклонения толщины одной из полосок металла на несколько микронов, чтобы показания двух термометров отличались. При массовом производстве никто не изготавливает для конкретной пружины собственную шкалу. Поэтому показания градусников неточны.

Наиболее распространенные спиртовые термометры могут служить вам долгие годы, но с каждым годом их показания, по мере испарения жидкости, будут отличаться в сторону «понижения» температуры. Выбирая спиртовой градусник надо стремиться купить прибор с как можно более длинной трубочкой-капилляром. Многочисленные сувенирные термометры, снабженные бумажными шкалами внутри колбы, изначально не калибруются и показывают температуру с большими погрешностями.

Если вы остановите свой выбор на электронной метеостанции – то её выбор будет зависеть исключительно от ваших финансовых возможностей и количества функций, которые прибор может выполнять.

Закрепить термометр лучше всего не на раме пластикового окна, так как надежное закрепление возможно только механическим прикручиванием саморезами с пластику. А портить профиль ради установки градусника вряд ли стоит. Можно приклеить градусник, предварительно промыв и обезжирив ПВХ профиль, на двусторонний скотч, но он весьма недолговечен и в один прекрасный день вы можете не обнаружить градусник за своим окном, причиной тому могут быть и птицы, особенно любопытные синички, которые готовы примоститься на любой поверхности.

Можно приклеить строительными прозрачными клеями, используемыми для ПВХ пластиков или прозрачным сантехническим силиконовым герметиком. Не рекомендуется приклеивать клеями «Секунда» содержащими цианоакрилат. Несмотря на свои выдающиеся качества по скорости и прочности первоначального схватывания, само вещество под действием влажности воздуха и УФ-излучения довольно быстро разлагается и примерно через год клей перестает держать.

Поэтому оптимальным вариантом будет закрепить градусник на стене дома на выносном кронштейне с фиксацией его небольшими шурупами или гвоздиками. Не забудьте снабдить градусник простейшим самодельным экранчиком из фольгированного материала, который будет защищать его от прямых лучей Солнца. Термометр следует закрепить со стороны не открывающейся створки окна, чтобы приоткрытая на проветривание створка не вносила коррективы в показания прибора за счет теплого воздуха из комнаты.

Наверное, каждый из нас сталкивался с ситуацией, когда измерения повышенной из-за болезни температуры дают довольно неоднозначные результаты: то показания термометра слишком высоки, в то время как самочувствие не кажется таким уж плохим, то, наоборот, мы подозреваем градусник в приуменьшении серьезности ситуации.

Все может стать еще более запутанным, если измерять температуру термометрами нескольких типов: ртутным, электронным или инфракрасным (который также называется электронным бесконтактным термометром).

В инструкциях, прилагаемых к градусникам, можно найти информацию о том, что погрешность ртутного и электронного термометров составляет 0,1 °C, у инфракрасных чуть больше — 0,2-0,3 °C. Однако можно натолкнуться и на отзывы людей, которые пишут: погрешность электронного градусника иногда доходит до 0,5 °C. Отдел науки решил разобраться, действительно ли самым точным является ртутный термометр, принцип действия которого основан на тепловом расширении ртути, а также понять, как правильно пользоваться электронными приборами для измерения температуры, обратившись к эксперту и поставив собственный эксперимент.

Эксперт

На вопросы ответил Владимир Седых, коммерческий директор одной из фирм, производящей термометры .

— Можно ли утверждать, что ртутные термометры точнее электронных?

— Нет. Электронные термометры по точности не отличаются от ртутных: погрешность измерений обоих термометров составляет 0,1°C. Проблема электронных термометров в том, что для эффективного измерения температуры градусник должен очень плотно прилегать к поверхности тела, поэтому использовать его желательно в оральном или анальном отверстиях.

Практически все электронные термометры предназначены для измерения температуры тела человека оральным или анальным способами, но в России такой метод измерения непопулярен.

При использовании электронных термометров очень важно соблюдать нужное время измерения. В инструкции часто пишут: время измерения — 10 секунд. Но выдерживать его надо не менее 5 минут. Обычно термометр, когда снимает первое значение, издает характерный писк. После этого писка его лучше подержать еще пару минут.

— Но если электронный прибор определяет температуру почти мгновенно, зачем держать его несколько минут?

— Ртутный и электронный термометры снимают разную температуру: ртутный показывает максимальную температуру за определенный промежуток времени. (То есть, если вы его держите пять минут, он покажет максимальную температуру, которая у вас была в течение этих пяти минут.) Электронный термометр снимает температуру за считаные секунды, а держать несколько минут его нужно для того, чтобы он усреднил полученное значение. Стоит помнить, что температура тела любого человека может даже в течение минуты колебаться на достаточно большие значения — до 1°C.

— Что-нибудь еще может помешать точности данных, полученных при помощи электроники?

— На работу электронных термометров влияет еще один фактор — падение напряжения в элементах питания. Как правило, все батарейки служат в среднем около двух лет, если не поменять батарейку вовремя, то термометр начнет «врать». Как почти все измерительные приборы (например, тонометры), градусники имеют межповерочный интервал, как правило, это один-два года. А стеклянный термометр не поверяется в течение всего срока службы! Поэтому все электронные термометры должны проходить процедуру проверки не реже чем один раз в год, для некоторых изделий — один раз в два года. Это должно быть указано в техническом паспорте изделия. Производители обычно пишут: гарантия на термометр — столько-то лет. Но если читать внимательно инструкцию, там будет сказано:

чтобы эта гарантия сохранялась и чтобы прибор в течение срока гарантии показывал точную температуру, его надо регулярно привозить или в сервисный центр фирмы-производителя, или банально в метрологическую службу.

Стоимость проверки, а точнее поверки (метрологический термин), одного электронного термометра может доходить до 1 тыс. руб.

— А какими преимуществами обладает стеклянный термометр по сравнению с электронным?

— В отличии от электронного термометра, срок службы стеклянного термометра не ограничен — разумеется, при отсутствии механических повреждений. Если им бережно пользоваться, то он будет служить, можно сказать, вечно. Точность термометра не изменяется с годами, он герметичен, водонепроницаем, антиаллергенен, не требует замены элементов питания. Единственный минус старого ртутного термометра — это ртуть, а точнее, пары ртути. В Европе такие запрещены, и там давно используют стеклянные термометры без ртути. Совсем недавно такие появились и в России. В стеклянных термометрах нового образца

вместо ртути используется нетоксичный сплав металлов, состоящий из галлия, индия и олова. Такой термометр экологически чистый, безопасный, нетоксичный.

— А что вы можете сказать об электронных бесконтактных термометрах — инфракрасных?

— С инфракрасными термометрами нельзя достигнуть точности ± 0,1 °C, потому что луч, измеряющий температуру, проходит через воздушные потоки: кондиционер, обогреватель, лоб у вас влажный — все это влияет на результат измерений. Я, конечно, не могу утверждать стопроцентно, но я видел огромное количество инфракрасных термометров, и ни одного с погрешностью ± 0,1 °C не видел. Лучший показатель — это ± 0,2 °C. Инфракрасные термометры удобно применять, например, в санитарной зоне аэропорта для быстрого бесконтактного измерения температуры.

— Каким термометром вы посоветуете пользоваться в домашних условиях?

— Вообще, рекомендуется иметь дома один электронный или инфракрасный термометр для быстрых измерений и один ртутный, а лучше стеклянный безртутный, чтобы следить за температурой в динамике, если человек уже болен. Хотя, конечно, лучше всего не болеть, чего вам и желаю!

Эксперимент

В ходе эксперимента корреспонденты отдела науки привлекли коллег из отдела технологий и использовали три термометра: стеклянный ртутный, электронный и инфракрасный. В опыте принимали участие пять человек, каждый из которых измерял температуру пять раз: первый раз — ртутным градусником, второй — электронным, но «неправильным», привычным нам способом, в подмышечной впадине (стоит отметить, что в инструкции к термометру этот способ был указан как имеющий право на жизнь), третий — электронным термометром, расположив его, согласно инструкции, под языком, четвертый — инфракрасным градусником. В последний раз мы снова измерили температуру этим же термометром, но перед этим тщательно протерли его датчик. Полученные нами результаты можно увидеть в таблице ниже.

Термометры хорошо знакомы практически каждому человеку как средства, которые дают информацию о температурном режиме в той или иной среде. Несмотря на простоту выполняемой задачи, производители выпускают данный прибор в разных вариациях, отличающихся конструкционным устройством и рабочими характеристиками.

Современный термометр - это эргономичный измерительный аппарат, который в удобном для пользователя виде представляет климатические показатели целевой среды. По крайней мере, к такому восприятию своей продукции стремятся разработчики данного прибора.

Общие сведения о термометрах

Внешне большинство измерительных средств этого типа представляет собой небольшие приборы, начинка которых ориентирована на фиксацию определенного рода колебаний чувствительного элемента. Классический пример - это продолговатая трубка с жидкостью, заключенная в стеклянный корпус. В народе ее называют градусником. Он может использоваться и в медицинских целях, и для отслеживания уличной температуры. В данном случае принцип измерения основан на способности жидкости расширяться под влиянием тепла. Пользуется популярностью и Это тоже компактное устройство, которое фиксирует показатели температуры за счет чувствительного элемента в виде датчика. Такие модели проигрывают ртутным аналогам по причине высокой степени погрешности, но зато они полностью безопасны и удобны в эксплуатации.

Классификации термометров

Существует множество параметров, по которым разделяются термометры, и указанные выше представители этой группы измерительных приборов иллюстрируют лишь два примера их исполнения. Одной из основных классификаций является разделение по рабочей среде. На рынке можно найти термометры, ориентированные на произведение замера в воздухе, почве, воде, живом теле и т. д. По принципу работы чувствительного элемента можно выделить традиционные жидкостные, электронные, газовые и механические приборы. К более современным относятся инфракрасные, цифровые и оптические устройства. Важно не забывать, что измерительный прибор должен не только фиксировать значения определенным способом, но и предоставлять их в том или ином виде. В этом смысле термометр - это аппарат, который отражает показатели в виде шкалы или с помощью электронного дисплея. Цифровые модели постепенно вытесняют аналоги с механическим способом представления данных, но они проигрывают в плане точности показаний.

Термометры для воды

Такие модели называются аквариумными термометрами, с помощью них пользователь может оценивать температурный режим в водной среде. Аппараты этого типа представляют в двух исполнениях. Более распространенный термометр для воды - это прибор жидкостного типа, в котором функцию индикатора выполняет спирт вместо ртути. Так как техника замера предполагает погружение в средние слои воды, опасные токсические вещества в жидкостных моделях не используются.

Второй вариант водных термометров представляет собой накладной клеящийся аппарат. То есть его не погружают непосредственно в среду, а фиксируют на стенке резервуара. Принцип замера основывается на свойствах некоторых веществ в жидкости менять свои качества в зависимости от интенсивности нагрева. Клеящийся термометр для воды обеспечивается термохимической краской, представленной в виде температурной шкалы. К преимуществам данного типа приборов относят механическую устойчивость, гибкость в установке и безопасность. Однако этот термометр не способен обеспечить высокую точность измерения - особенно если возле емкости с водой находятся активные источники тепла.

Манометрический термометр

Это отдельная группа принцип действия которых связан с фиксацией показателей давления в том или ином веществе или среде. Собственно, изменение давления под действием температуры и выполняет функцию чувствительного элемента. Другое дело, что само давление регистрируется и преобразуется для температурной шкалы после замера через сложное устройство манометра. Обычно для этого используют систему с объединением погружаемого чувствительного элемента, трубчатой пружины и капиллярного провода. В зависимости от колебаний температуры происходит изменение давления в целевом погружаемом объекте. Малейшее отклонение в показателе манометрический термометр отражает через стрелочный механизм. По типу рабочего вещества различаются газовые, конденсационные и жидкостные приборы.

Многофункциональные термометры

В некотором смысле к этой группе термометров можно отнести и вышеназванный манометрический аппарат. Он позволяет получить не одно, а несколько измеряемых значений - в частности, давление и температуру. Однако манометрические приборы чаще всего используют принцип замера давления лишь как вспомогательную операцию для фиксации основного показателя в виде температуры. Полноценные же многофункциональные устройства позволяют отдельно отслеживать несколько показателей, среди которых то же давление, влажность и даже скорость ветра. Это своего рода в которых предусматривается барометр, термометр, гигрометр и другие измерительные компоненты.

Как правило, такие комплексы применяют рыболовы, путешественники и сотрудники специализированных предприятий, работа которых зависит от внешних условий. Станции также бывают механическими и электронными, что обуславливает их точность и удобство в эксплуатации.

Термометр с выносным датчиком

В таких приборах предусматривается наличие специального проводника, по которому транслируется информация, полученная через чувствительный датчик. То есть основа прибора представляет собой панель с интерфейсом и дисплеем, по которому пользователь узнает о показателях температуры. А датчик, в свою очередь, может размещаться непосредственно в целевой среде. Такие модели обычно применяют для определения температурного режима в тех же аквариумах или на улице. При этом термометр с датчиком может работать и по беспроводному способу связи. В этом случае сам датчик будет массивнее, так как для его энергоснабжения потребуется специальная ниша для аккумулятора или батарей.

В настоящее время трудно найти человека, который не слышал о таких приспособлениях как термометр, лабораторные весы или песочные часы и не смог бы объяснять, для чего они предназначены.

Если раньше широко употребляемым было слово градусник, которое ассоциировалось только с ртутным термометром, то в настоящее время рынок лабораторного оборудования и измерительных приборов настолько расширился, что к слову термометр присоединяют еще одно слово, определяющее его тип или принцип действия: молочный, технический, керосиновый, для воды, оконный, газовый, оптический, инфракрасный, термополоски. Разнообразие данного изделия можно найти практически в любой аптеке, но разобраться в них и выбрать наиболее подходящий достаточно непросто, так как каждая модель наряду со своими преимуществами обладает и рядом недостатков.

Определение и применение

– это прибор для измерения температуры тела, воды, почвы, воздуха и др.. Принцип действия основан на свойстве жидкости расширятся под действием тепла. В связи с тем, что прибор измерения температуры неприхотлив в использовании, он часто применяется как в технической области и лабораторной практике, так и в быту. На сегодняшний день существует большое количество разновидностей такого измерительного оборудования, отличающиеся по способу действия, но главной их задачей является измерение температуры.

Возникновение термометра

Многие ученые трудились над изобретением термометра. Однако основы современного измерения температуры заложил в 1592 г. Галилео Галилей. Конструкция его прибора была очень проста. Термоскоп-термометр показывал только изменение степени нагретости тела. А отсутствие шкалы делало его несовершенным из-за невозможности определить точное температурное значение. В начале XVIII века немецкий ученый Фаренгейт впервые изобрел современный измерительный прибор – ртутный термометр со стандартной шкалой. Позже Цельсий установил константы точки тающего льда и кипящей воды.

Виды термометров

Современный рынок лабораторного оборудования и приборов настолько велик, что перечислить и разобраться в них не так уж просто. Однако такое разнообразие помогает найти наиболее подходящий вариант термометра:

Жидкостный – самый распространенный вид, основанный на тепловом расширении химических реактивов (ртути, керосина, этилового спирта, пентана, толуола и т. д.). По сравнению с другими термометрами, ртутный имеет больше преимуществ, благодаря достоинствам используемого химического вещества. Он точно определяет температуру тела, долговечен, легко стерилизуется и имеет невысокую стоимость. (наиболее частое название) обладает наибольшей точностью определения температуры, погрешность которого составляет около 0,1 °C. Однако хрупкое лабораторное стекло и ядовитая начинка представляют опасность для человека при его неосторожном использовании;

Механический – аналогичен жидкостному по принципу действия и применяется для автоматического регулирования температуры и электрической сигнализации;

Электронный или цифровой – сконструирован на основе встроенного датчика, где данные выводятся на дисплей. Кром того, в таких моделях могут быть предусмотрены такие функции, как хранение в памяти последних результатов, подсветка, звуковые сигналы, сменная шкала «Цельсий-Фарентейт». Однако такой прибор имеет ряд серьезных недостатков: невозможность стерилизовать, высокая степень погрешности и немалая стоимость;

Инфракрасный (пирометр) представляет собой достаточно новую разновидность данного прибора. Измерения осуществляются благодаря наличию чувствительного элемента, способного считать данные инфракрасного излучения тела, результаты которого выводятся на дисплей. Определение температуры такими градусниками происходит в течение 2-15 секунд. Отсутствие непосредственного контакта с человеком – наибольшее преимущество данного вида, так как это позволяет измерять температуру в нестабильных ситуациях (спящим больным, капризным детям и т.д.).

Где купить качественные измерительные приборы для различных предназначений?

Термометр, как один из наиболее часто используемых приборов, следует покупать в аптеке или специализированном магазине, в таком, как например: online магазин химических реактивов Москва розница и опт «Прайм Кемикалс Групп». Он специализируется на продаже химических реактивов, лабораторного оборудования и приборов , лабораторной посуды из стекла и других материалов. Весь товар сертифицирован и соответствует ГОСТ стандартам. На нашем сайте можно купить весы лабораторные, аналитические весы, весы электронные лабораторные, термометр и ареометр цена которых самая приемлемая на современном фармацевтическом рынке.

“Prime Chemicals Group” – надежное оснащение европейского качества!

Кажется, что это всем ясно - температуру! А что такое температура?

Очень хорошо сказал по этому поводу один физик: «Гораздо легче производить измере­ния, чем точно знать, что измеряется». И почти три сотни лет измеряли повсюду тем­пературу, но только совсем недавно, в конце прошлого столетия, стало окончательно ясно, что такое температура.

А в самом деле, что же показывает термо­метр? Стоит еще раз проследить, как возникло понятие «температура». Когда-то думали: если становится жарко, то это потому, что в теле повышается содержание теплорода. Латинское слово «температура» означало «смесь». Под тем­пературой тела понимали смесь из материй тела и теплорода тела. Затем понятие самого теплорода было отброшено как ошибочное, а слово «темпе­ратура» осталось.

Добрые две сотни лет в науке сохранялось странное положение: случайно выбранным свойством (расширение) случайно выбранного вещества (ртуть) и шкалы, установленной по случайно выбранным постоянным точкам (плав­ление льда и кипение воды), измерялась вели­чина (температура), смысл слова «температу­ра», строго говоря, никому не был понятен.

Но ведь термометр все-таки что-то пока­зывает? Если от ответа потребовать необхо­димую строгость и точность, то на такой вопрос придется ответить так: ничего, кроме удлинения в столбике нагретой ртути.

Ну а если ртуть заменить другим вещест­вом: газом или каким-либо твердым телом, которое также расширяется при нагревании, что будет тогда? Что будут показывать по­строенные на иной основе термометры?

Представим себе, что такие термометры мы сделали. Одни из них мы заполнили ртутью, воздухом, другие изготовили целиком из желе­за, меди, стекла. Точно установим на каждом из них постоянные точки: в тающем льду 0°, в кипящей воде 100°.

Попробуем теперь измерять температуру. Окажется, что, когда воздушный термометр покажет, например, 300°, другие термометры будут показывать:

ртутный 314,1°,

железный 372,6°,

медный 328,8°,

стеклянный 352,9°.

Какая же из этих «температур» правильна: «воздушная», «ртутная», «железная», «медная» или «стеклянная»? Ведь каждое из испытанных нами веществ показывает свою собственную температуру. Еще интересней повел бы себя «водяной» термометр. В пределах от 0° до 4° Ц он показывал бы при нагревании понижение температуры.

Можно, конечно, попытаться выбрать вме­сто теплового расширения какое-нибудь дру­гое свойство вещества, изменяющееся при на­гревании. Можно, например, построить термо­метры на основе изменения (при нагревании) упругости пара жидкости (например, спир­та), электрического сопротивления (например, платины), термоэлектродвижущей силы (термо­пара). В наше время такие термометры широко применяются в технике.

При условии предварительной калибровки по двум постоянным точкам такие термометры, например, при 200°Ц будут показывать: спир­товой (по упругости пара) 1320°, платиновый (по сопротивлению) 196°, спай платины и спла­ва ее с родием (термопара) 222°.

Так какая же из всех этих разных «тем­ператур» настоящая? Как и чем нужно изме­рять температуру?

Прежде чем ответить на эти вопросы, сле­дует уяснить себе самое важное в них - их точное содержание и смысл: «чем нужно изме­рять температуру». Почему такой «простой» вопрос вообще может возникать?

Чем мы измеряем длину? Метрами. Метр - это длина линейки эталона, который ученые

очень бережно хранят, чтобы он не пропал и не испортился. Чем мы измеряем объемы? Можно измерять литрами. Литр - это объем, равный одному кубическому дециметру. А чем мы измеряем температуру?

Эти вопросы совершенно сходны, но ответы на них принципиально различны. Если мы сольем в бочку несколько ведер холодной воды, то бочка будет заполнена водой. Сумма объемов воды в ведрах будет равна объему бочки. Но сколько бы холодной воды вы ни влили в бочку, горячей воды при этом не полу­чится. Рассуждение это совсем не смешно и не наивно, и факт этот вовсе не очевиден сам собой. Это очень важный закон природы, к которому мы просто привыкли, потому что знаем его из опыта. Из нескольких коротких палок можно составить одну длинную, соеди­нив их между собою встык. Но нельзя сложить температуру раскаленного угля из печи и тем­пературу куска льда. Раскаленный уголь от этого не станет более горячим.

Измерять температуру, подобно тому как измеряют длину, объем, массу, нельзя потому, что температуры не складываются. Невозможна такая единица температуры, которой можно непосредственно измерять любую температуру, подобно тому как метром можно измерить любую длину. Объем, длина, масса - примеры экстенсивных свойств системы. Если железный стержень разделить на несколько частей, тем­пература каждой из них от этого не изменится. Температура - пример интенсивных свойств системы. Непосредственно установить число­вое соотношение между различными темпера­турами невозможно и бессмысленно.

Но ведь измерять температуру необходимо. Так как же ее измерять, если ее нельзя изме­рить методом, пригодным для измерения экстен­сивных величин?

Для этого возможен только один путь - использовать объективную связь между темпера­турой и любой экстенсивной величиной: изме­нением объема, длины, отклонением стрелки гальванометра и т. п.

Поэтому ответ на вопрос - какая из пере­численных выше различных «температур» на­стоящая - может показаться с первого раза странным: все они равноправны. Любое свой­ство системы, зависящее от температуры, мо­жет быть выбрано для ее характеристики и измерения.

Термодинамика сумела указать способ и вещество, которое позволяет осуществить тем­пературные измерения наиболее целесообразно.

Это - идеальный газ. По его расширению при постоянном давлении или по росту давления при постоянном объеме могут быть проведены наиболее целесообразно измерения температуры. При таком способе измерения бесчисленные выражения для любых закономерностей в при­роде становятся наиболее простыми.

Но у идеального газа есть один существен­ный недостаток: такого газа нет в природе.

Давление

Насколько сложно и трудно понятие о тем­пературе, настолько просто и ясно понятие «давление». Его хорошо знает любой школьник из самого начального учебника физики. Да­вление - это сила, действующая на единицу площади поверхности. Направлено давление в случае газов и жидкостей всегда перпендику­лярно к поверхности. Понятие «давление» мож­но приложить к твердым телам, но следует ном-нить, что свойства твердых тел могут зависеть от направления, в котором действует давление (например, пьезоэффект).

В термодинамике давление и температура - два основных, главнейших параметра, опре­деляющих состояние термодинамической систе­мы. Это определение означает, что одно и то же количество вещества при одних и тех же зна­чениях температуры и давления занимает всегда один и тот же объем. Правда, необходимо до­бавить: это определение справедливо, когда в системе достигнуто равновесное состоя­ние.

Химику очень полезно знать, что один грамм-моль любого газа при 0° Ц и при дав­лении в 1 атм занимает объем, равный при­близительно 22,4 литра. Это стоит запомнить.

Теплота

Наверное, не одна сотня тысяч лет про­текла с тех пор, как наши далекие предки впервые познакомились с огнем и научились сами получать теплоту. Каждый из нас грелся у горячей печки и мерз в стужу. Казалось бы, что может быть теперь привычнее и понят­ней, чем так хорошо знакомая всем теплота.

Но вопрос - что такое теплота - далеко не так прост. Правильный ответ на него был найден наукой совсем недавно. Долгое время ученые даже не замечали всю сложность этой проблемы.

Первое истолкование природы теплоты было основано на бесспорном и очевидном как буд­то бы факте: при нагревании тела его темпера­тура повышается - следовательно, тело полу­чает теплоту. При остывании, охлаждаясь, тело ее теряет. Поэтому всякое нагретое тело представляет собой смесь того вещества, из которого оно состоит, и тепла. Чем выше температура тела, тем больше в нем приме­шано теплоты. Теперь уже мало кто помнит, что слово «температура» в переводе с латинского и означает «смесь». Когда-то, например, о бронзе говорили, что она - «температура олова и меди».

Два совершенно различных объяснения, две гипотезы о природе теплоты спорили между собой в науке почти два столетия.

Первую из этих гипотез высказал в 1613 г. великий Галилей. Теплота - это вещество. Оно необычно. Оно способно проникать в любые тела и выходить из них. Тепловое вещество, иначе теплород, или флогистон, не порождается и не уничтожается, а только перераспределяется между телами. Чем его больше в теле, тем тем­пература тела выше. Еще не так давно говори­ли - «градус теплоты» (а не температуры), считая, что термометр измеряет крепость смеси из ма­терии и теплорода. (До сих пор еще сохранился обычай мерить в градусах крепость вина - смесь воды и спирта.)

Вторую гипотезу, совершенно, казалось бы, отличную от представления Галилея, выска­зал в 1620 г. знаменитый философ Бэкон. Он обратил внимание на то, что было издавна известно любому кузнецу: под сильными уда­рами молота становится горячим холодный кусок железа. Известен способ получения огня трением. Значит, ударами и трением можно произвести теплоту, не получая ее от уже нагретого тела. Бэкон из этого заключил, что теплота есть внутреннее движение мельчайших частиц тела и температура тела определяется скоростью движения частиц в нем. Эта теория получила в науке название механической тео­рии теплоты. Для ее обоснования и развития очень много сделал гениальный Ломоносов.

При коренном расхождении обе гипотезы имеют немало сходства: из теории теплорода следовало, что термометр измеряет количество теплорода, содержащегося в теле, согласно же механической теории тепла, термометр пока­зывает количество движения, содержащегося в теле. Согласно обеим теориям, должен суще­ствовать абсолютный нуль температуры. Он будет достигнут тогда, когда, по теории теплорода, от тела будет отнят весь теплород, а по механической теории - когда тело потеряет все содержащееся в нем движение.

Теория теплорода почти два века господст­вовала в науке. Она проста и наглядна. Но она ошибочна. Точное взвешивание тел при разных температурах показало, что теплота невесома. Невесомость теплоты хорошо согласовывалась с механической теорией тепла. Тогда думали, что движение никоим образом не может по­влиять на вес тела. Правда, теперь мы знаем, что это не точно. Энергия, согласно закону Эйнштейна, должна обладать массой и, сле­довательно, тоже «весит»; только соответствую­щая прибавка в весе лежит далеко за пределами даже современной точности взвешивания.

Не следует смешивать теплоту с тепловой энергией тела. Тепловая энергия тела опреде­ляется кинетической энергией движения его молекул. Но теплота (это очень важно) дале­ко не равна тепловой энергии. И еще более важно, что теплота вообще не содержится в теле. Теплоты от дров, горящих в печи, в дровах вообще не было. Теплота только поступает в тело или уходит из него.

Совсем не трудно подсчитать количество энер­гии хаотического теплового движения в систе­ме, состоящей из молекул перегретого водя­ного пара,- это и будет его тепловая энергия. Но количество теплоты, которое может выде­литься из этой системы при ее охлаждении, совсем не равно тепловой энергии: сначала охладится пар, потом он начнет конденсиро­ваться в жидкую воду, затем охладится вода и, наконец, вода замерзнет. Теплота же испа­рения воды и теплота плавления льда очень велики. От перегретого пара, таким образом, можно получить гораздо больше теплоты, чем в нем содержится тепловой энергии.

Поэтому, строго говоря, обе гипотезы не верны - ни представление о теплоте как о теп­ловом веществе, ни механическая теория тепла. Вторая из них подтверждена опытом, но она не имеет никакого отношения к теплоте и касается только тепловой энергии, а это не одно и то же.

Работа

Совершать механическую работу - это зна­чит преодолевать или уничтожать сопротив­ления: молекулярные силы, силу пружины, силу тяжести, инерцию материи и т. д. Исти­рать, шлифовать тело, разделять его на части, поднимать грузы, тянуть по дороге повозку,

по рельсам - поезд, сжимать пружину - все это значит совершать работу; это значит преодолевать в течение некоторого времени сопротивление. Совершать работу - это значит преодолевать сопротивление газа, жидкости, твердого тела, кристалла. Сжимать газ, жид­кость, кристалл - это значит совершать работу.

Одним и тем же именем «работа» названы несходные явления, но за внешними различия­ми надо видеть общие основные черты. Работа связана с движением: груз поднимается, по­возка перемещается, поршень скользит в ци­линдре двигателя. Без движения нет работы.

Работа связана с упорядоченным движени­ем. Весь груз перемещается вверх. Вся повозка движется по дороге в одном направлении. Весь поршень в одном направлении движется в ци­линдре. Работа невозможна без двух участ­ников. Для поднятия одного груза должен опуститься другой груз, должна распрямиться пружина, должен расшириться газ. Оба участ­ника движутся упорядочение. Работа - это передача упорядоченного движения от одной системы к другой.

Не следует думать, что работа может быть связана только с механическим движением. Работа может совершаться и при изменении электрического или магнитного поля.

Способность системы совершать работу, конечно, очень важна для термодинамики. Но какую именно работу может совершить систе­ма - это для термодинамики несущественно. Как именно данную работу можно рассчитать и как ее измерить, должна сказать другая наука.

Определение механической работы дает механика. Это определение знает каждый школьник: работа (А) равна произведению силы (F) на путь (l).

Если же сила непостоянна, то приходится подсчитывать величину работы на каждом до­статочно малом участке пути (математики гово­рят - на бесконечно малом), на котором силу можно считать постоянной

dA=Fdl,

и затем просуммировать бесконечно малые значения работы по всему пройденному пути:

Тем, кто еще не отучился пугаться математи­ческих формул, полезно запомнить, что знак интеграла ∫- это просто вытянутая буква S - начальная в слове «сумма».

В физической химии часто рассматриваются процессы, связанные с дроблением вещества в тонкий порошок (в пыль) или с возникно­вением из пара новой фазы тумана или дыма. При таких процессах возникает огромная но­вая поверхность множества мельчайших ча­стиц, и на ее образование должна быть затра­чена немалая работа. Эту работу нельзя не учитывать. Она равна произведению поверх­ностного натяжения (а) на площадь новой поверхности (S):

Такая работа затрачивается и при выдувании мыльного пузыря.

Теплотехника при подсчете работы любых тепловых машин пользуется величиной работы расширяющегося газа, например водяного пара в цилиндре паровоза или в турбине. Этот очень важный вид работы измеряется произве­дением давления газа на изменение его объема:

Электрохимия, например, знает другой вид работы. Электрическая работа аккумулятора или гальванического элемента равна произве­дению электродвижущей силы (Е) на изменение заряда (q):

Полезно заметить и запомнить, что все выражения для различного вида работы очень сходны между собой. Любая работа обязатель­но измеряется произведением двух сомножи­телей: некоторой обобщенной силы / (это мо­жет быть сила всемирного тяготения, сила магнитного или электрического поля, давле­ние, поверхностное натяжение, любые меха­нические силы и т. д.) и величины а - изме­нения соответствующего параметра системы (пройденный путь, электрические заряды, вели­чина поверхности, объем и т. д.):

А=∫fda.

В задачи термодинамики не входит изу­чать различие между разными видами работы. Об этом должны позаботиться другие науки. Различных работ может быть очень много. Теплота только одна.