Введение.Температурные шкалы. Единицы измерения температуры

Мы выбрали данную тему, потому что с понятиями «температура», «измерение температуры», «термометр» мы постоянно сталкиваемся как при рассмотрении физических или химических процессов в науке и производстве, так и в быту, когда ставим больному градусник или смотрим на спиртовой термометр за окном чтобы узнать, надевать ли теплое пальто. Однако обычно при этом под температурой мы понимаем просто степень нагретости тела и не задумываемся о том, что же такое температура с физической точки зрения. Температура является одной из наиболее часто измеряемых физических величин, поскольку практически нет ни одной области деятельности, где не требовалось измерять и регулировать температуру, так же это один из важнейших экологических факторов, от которого зависит выживание на планете, ее формы и виды. Жизнь человека, также, напрямую зависит от температуры окружающей среды.

В Международной системе единиц (СИ) термодинамическая температура используется в качестве одной из семи основных физических величин, входящих в Международную систему величин, а её единицей является кельвин, представляющий собой, соответственно, одну из семи основных единиц СИ.

Цель работы: Ознакомиться с понятием температуры.

Задачи: Просмотреть температурные шкалы, получить представление о некоторых видах термометров, их принципах действия, проработать задачи, провести опыт.

1.Температура, T .

Температу́ра (от латин. temperatura — надлежащее смешение, нормальное состояние) — скалярная* физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия** макроскопической системы***. Температура всех частей системы, находящейся в равновесии, одинакова. Если система не находится в равновесии, то между её частями, имеющими различную температуру, происходит теплопередача (переход энергии от более нагретых частей системы к менее нагретым), приводящая к выравниванию температур в системе.

Температура относится к интенсивным величинам, не зависящим от массы системы.

Интуитивно понятие температура появилось как мера градации наших ощущений тепла и холода; на бытовом уровне температура воспринимается как параметр, служащий для количественного описания степени нагретости материального объекта.

Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества — теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково — градусами.

Из того, что температура - это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (т.е. в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах — градусах.

Средняя кинетическая энергия хаотического поступательного движения молекул тела пропорционально термодинамической (абсолютной) температуре:

(k=1.38*10^-23Дж/k-постоянная Больцмана(является коэффициентом, переводящем температуру из градусной меры(K) в энергетическую(Дж), множитель 3/2 был введен для удобства, благодаря чему исчезают множители в других формулах.)

Средняя скорость теплового движения.

Как следует из формулы

холодный газ отличается от нагретого до большой температуры энергией хаотического движения молекул, поэтому хаотическое движение молекул называется тепловым.

Среднюю (точнее, средне-квадратичную) скорость теплового движения молекул можно выразить через температуру газа с помощью формулы

Последнюю формулу можно привести к более удобному виду, если выразить массу молекулы и обозначить (R ~ 8, 31 Дж/(К. моль) называют универсальной газовой постоянной)

* Скалярная величина — величина, каждое значение которой может быть выражено одним действительным числом. Т. е. скалярная величина определяется только своим значением, в отличие от вектора, который кроме значения имеет направление. К скалярным величинам относятся длина, площадь, время, температура и т. д.

**Термодинамическое равновесие — состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объем,) в условиях изолированности от окружающей среды.

*** Макроскопическая система — система состоящая из большого числа частиц и не требующая для своего описания привлечения микроскопических характеристик отдельных частиц.

****Изолированная система (замкнутая система) — термодинамическая система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

2.Температурные шкалы.

Температурные шкалы , способы деления на части интервалов температуры, измеряемых термометрами по изменению какого-либо удобного для измерений физического свойства объекта, при прочих равных условиях однозначно зависящего от температуры (объёма, давления, электрического сопротивления, интенсивности излучения, показателя преломления, скорости звука и др.) и называемого термометрическим свойством . Для построения шкалы температур приписывают её численные значения двум фиксированным точкам (реперным точкам температуры), например точке плавления льда и точке кипения воды. Деля разность температур реперных точек (основной температурный интервал ) на выбранное произвольным образом число частей, получают единицу измерения температуры, а задавая, опять-таки произвольно, функциональную связь между выбранным термометрическим свойством и температурой, получают возможность вычислять температуру по данной температурной шкале.

Ясно, что построенная таким способом эмпирическая температурная шкала является произвольной и условной. Поэтому можно создать любое число температурных шкал, различающихся выбранными термометрическими свойствами, принятыми функциональными зависимостями температуры от них (в простейшем случае связь между термометрическим свойством и температурой полагают линейной) и температурами реперных точек.

Примерами температурных шкал служат шкалы Цельсия, Реомюра, Фаренгейта, Ранкина и Кельвина.

Пересчёт температуры от одной температурной шкалы к другой, отличающейся термометрическим свойством, невозможен без дополнительных экспериментальных данных.

Принципиальный недостаток эмпирических температурной шкал — их зависимость от выбранного термометрического свойства — отсутствует у абсолютной (термодинамической) температурная шкалы.

2.1. Шкала Кельвина.

Ке́львин (обозначение: K) — единица термодинамической температуры в Международной системе единиц (СИ), одна из семи основных единиц СИ. Предложена в 1848 году. Один кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды*. Начало шкалы (0 К) совпадает с абсолютным нулём**.

Пересчёт в градусы Цельсия: °С = K−273,15 (температура тройной точки воды — 0,01 °C).

Единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона, которому было пожаловано звание лорд Кельвин Ларгский из Айршира. В свою очередь, это звание пошло от реки Кельвин (River Kelvin), протекающей через территорию университета в Глазго.

До 1968 года кельвин официально именовался градусом Кельвина.

* Тройна́я то́чка воды́ — строго определенные значения температуры и давления, при которых вода может одновременно и равновесно существовать в виде трёх фаз — в твердом, жидком и газообразном состояниях. Тройная точка воды — температура 273,16 К и давление 611,657 Па.

** Абсолю́тный нуль температу́ры (реже — абсолютный ноль температуры) — минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной. Абсолютный нуль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина. В 1954 X Генеральная конференция по мерам и весам установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точки — тройной точки воды, температура которой принята 273,16 К (точно), что соответствует 0,01 °C, так что по шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура −273,15 °C.

2.2 . Шкала Реомюра.

Гра́дус Реомю́ра (°R) — единица измерения температуры, в которой температура замерзания и кипения воды приняты за 0 и 80 градусов, соответственно. Предложен в 1730 году Р. А. Реомюром. Шкала Реомюра практически вышла из употребления.

По ожиданиям Реомюра спирт расширяется приблизительно на 8% (на 8,4% по расчёту: коэффициент расширения спирта 0,00108 К-) при нагреве от температуры таяния льда до температуры кипения (≈78 градусов Цельсия). Поэтому эту температуру Реомюр установил как 80 градусов на своей шкале, на которой одному градусу соответствовало расширение спирта на 1 тысячную, а ноль шкалы был выбран как температура замерзания воды. Однако, из-за того, что в качестве жидкости в те времена использовались не только спирт, но и различные его водные растворы, то многими изготовителями и пользователями термометров ошибочно считалось, что 80 градусов Реомюра это температура кипения воды. И после повсеместного внедрения ртути в качестве жидкости для термометров, а также появления и распространения шкалы Цельсия, к концу 18 века шкала Реомюра была переопределена таким образом окончательно. Из равенства 100 градусов Цельсия = 80 градусов Реомюра получается 1 °C = 0,8 °R (соответственно 1 °R = 1,25 °C). Хотя на самом деле на оригинальной шкале Реомюра должно быть 1 °R = 0,925 °C. Ещё при жизни Реомюра были проведены измерения точки кипения воды в градусах его шкалы (но не со спиртовым термометром — это было невозможно). Жан Тийе в присутствии Жана-Антуана Нолле получил значение 85. Но все последующие измерения дали величины от 100 до 110 градусов. Если использовать вышеупомянутые современные данные, то для точки кипения воды в градусах Реомюра получается значение 108. (В 1772 г. во Франции в качестве стандартной была принята температура кипения воды, равная 110 градусов Реомюра).

2.3. Шкала Цельсия.

Гра́дус Це́льсия (обозначение: °C ) — широко распространённая единица измерения температуры, применяется в Международной системе единиц (СИ) наряду с кельвином.

Градус Цельсия назван в честь шведского учёного Андерса Цельсия, предложившего в 1742 году новую шкалу для измерения температуры.

Первоначальное определение градуса Цельсия зависело от определения стандартного атмосферного давления, потому что и температура кипения воды и температура таяния льда зависят от давления. Это не очень удобно для стандартизации единицы измерения. Поэтому после принятия кельвина K, в качестве основной единицы измерения температуры, определение градуса Цельсия было пересмотрено.

Согласно современному определению, градус Цельсия равен одному кельвину K, а ноль шкалы Цельсия установлен таким образом, что температура тройной точки воды равна 0,01 °C. В итоге, шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15:

История:

В 1665 году голландский физик Христиан Гюйгенс вместе с английским физиком Робертом Гуком впервые предложили использовать в качестве отсчетных точек температурной шкалы точки таяния льда и кипения воды.

В 1742 году шведский астроном, геолог и метеоролог Андерс Цельсий (1701—1744) на основе этой идеи разработал новую температурную шкалу. Первоначально в ней 0° (нулём) была точка кипения воды, а 100° — температура замерзания воды (точка плавления льда). Позже, уже после смерти Цельсия, его современники и соотечественники ботаник Карл Линней и астроном Мортен Штремер использовали эту шкалу в перевёрнутом виде (за 0° стали принимать температуру таяния льда, а за 100° — кипения воды). В таком виде шкала и используется до нашего времени.

2.4. Шкала Фаренгейта.

Гра́дус Фаренге́йта (обозначение: °F ) — единица измерения температуры. Назван в честь немецкого учёного Габриеля Фаренгейта, предложившего в 1724 году шкалу для измерения температуры.

На шкале Фаренгейта точка таяния льда равна +32 °F , а точка кипения воды +212 °F (при нормальном атмосферном давлении). При этом один градус Фаренгейта равен 1/180 разности этих температур. Диапазон 0…+100 °F по шкале Фаренгейта примерно соответствует диапазону −18…+38 °C по шкале Цельсия. Ноль на этой шкале определяется по температуре замерзания смеси воды, соли и нашатыря (1:1:1), а за 96 °F принята нормальная температура человеческого тела.

Преобразование из шкалы Фаренгейта в шкалу Цельсия:

Градусы Фаренгейта широко использовались во всех англоязычных странах до 1960-х годов, когда большинство из них перешло на метрическую систему с градусами Цельсия, однако иногда в этих странах фаренгейты используются до сих пор.

В настоящее время градус Фаренгейта используется в быту как основная единица измерения температуры в следующих странах: США и зависимые территории (Гуам, Виргинские острова, Палау, Пуэрто-Рико и т.д.), Белиз, Бермудские Острова, Ямайка.

2.5.Шкала Ранкина.

Шкала Ранкина (измеряется в градусах Ранкина — °Ra) — абсолютная температурная шкала, названа по имени шотландского физика Уильяма Ранкина (1820—1872). Используется в англоязычных странах для инженерных термодинамических расчётов.

Шкала Ранкина начинается при температуре абсолютного нуля, точка замерзания воды соответствует 491,67°Ra, точка кипения воды 671,67°Ra. Число градусов между точками замерзания и кипения воды по шкале Фаренгейта и Ранкина одинаково и равно 180.

Соотношение между кельвином и градусом Ранкина: 1 K = 1,8 °Ra, градусы Фаренгейта переводятся в градусы Ранкина по формуле °Ra = °F + 459,67. Число градусов между точками замерзания и кипения воды по шкале Фаренгейта и Ранкина одинаково и равно 180. Этим она отличается от абсолютной шкалы Кельвина, где 1 кельвин соответствует 1°С.

Диаграмма перевода температур :

3.Термометры.

Термометр (от греч. terme - тепло, metreo - измеряю) - прибор для измерения температуры: воздуха, воды, почвы, тела человека и других физических тел. Термометры применяются в метеорологии, гидрологии, медицине и других науках и отраслях хозяйства.

История изобретения:

Считают, что изобретателем первого термометра-термоскопа был знаменитый итальянский учёный Галилео Галилей (1597 г.). Термоскоп Галилея представлял собой стеклянный шарик с припаянной к нему стеклянной трубкой. Шарик слегка нагревали, и конец трубки опускали в сосуд с водой. Через некоторое время воздух в шарике охлаждался, его давление уменьшалось, и вода под действием атмосферного давления поднималась по трубке вверх на некоторую высоту. В дальнейшем при потеплении, давление воздуха в шарике увеличивалось, и уровень воды в трубке понижался, а при охлаждении - повышался.

При помощи термоскопа можно было судить только об изменении степени нагретости тел: числовых значений температуры он не показывал, поскольку не имел шкалы. Современную форму (запаяв трубку и перевернув её шариком вниз) термометру придал Габриель Даниель Фаренгейт, голландский физик, выдувальщик стекла. А постоянные (реперные) точки - кипящей воды и тающего льда - на шкале термометра разместил шведский астроном и физик Андерс Цельсий в 1742 году.

В настоящее время существуют много видов термометров: цифровые, электронные, инфракрасные, пирометры, биметаллические, дистанционные, электроконтактные, жидкостные, термоэлектрические, газовые, термометры сопротивления и т.д. У каждого термометра - свой принцип действия и своя сфера применения. Рассмотрим некоторые из них.

3.1.Жидкостные термометры.

Жидкостные термометры используют тепловое расширение жидкостей. В зависимости от температурного диапазона, в котором предстоит служить термометру, его заполняют ртутью, этиловым спиртом или другими жидкостями.

Жидкостные термометры, заполненные ртутью, применяют для точных измерений температуры (до десятой доли градуса) в лабораториях. Термометры, заполненные спиртом, применяют в метеорологии для измерения температур ниже -38° (так как при более низкой температуре ртуть отвердевает).

Спиртовой термометр.

3.2.Газовые термометры.

Газовый термометр — прибор для измерения температуры, основанный на законе Шарля*.

Принцип работы: В начале XVIII в. 1703 году Шарль установил, что одинаковое нагревание любого газа приводит к одинаковому повышению давления, если при этом объём остается постоянным. При изменении температуры по шкале Цельсия зависимость давления газа при постоянном объёме выражается линейным законом. А отсюда следует, что давление газа (при V = const) можно принять в качестве количественной меры температуры. Соединив сосуд, в котором находится газ, с манометром и проградуировав прибор, можно измерять температуру по показаниям манометра**.

В широких пределах изменений концентраций газов и температур и малых давлениях температурный коэффициент давления разных газов примерно одинаковый, поэтому способ измерения температуры с помощью газового термометра оказывается малозависящим от свойств конкретного веществ, используемого в термометре в качестве рабочего тела. Наиболее точные результаты получаются, если в качестве рабочего тела использовать водород или гелий.

*Зако́н Ша́рля или второй закон Гей-Люссака — один из основных газовых законов, описывающий соотношение давления и температуры для идеального газа. Формулировка закона Шарля следующая: для данной массы газа отношение давления газа к его температуре постоянно, если объем газа не меняется. Эту зависимость математически записывают так: P/Т=const, если V=const и m=const.

**Манометр (греч. manos — редкий, неплотный, разрежённый + др.-греч μέτρον — мера, измеритель) — прибор, измеряющий давление жидкости или газа.

3.3. Механические термометры.

Механические термометры действуют по тому же принципу, что и жидкостные, но в качестве датчика обычно используется спираль из металла или биметалла - двух металлических полосок с разными способностями удлиняться при изменении температуры, скреплённых заклёпками. Механические термометры применяют для измерений температуры жидкостей и газов в отопительных и санитарных установках, в системах кондиционирования и вентиляции, а также для измерений температуры сыпучих и вязких сред (например, теста или глазури) в пищевой промышленности.

3.4.Оптические термометры.

Оптические термометры (пирометры) позволяют регистрировать температуру благодаря изменению светимости или спектра излучения тел. Оптические термометры применяют для измерения температуры поверхности объектов в труднодоступных (и жарких) местах.

3.5.Электрические термометры.

Принцип работы электрических термометров основан на изменении сопротивления* проводника при изменении температуры окружающей среды.

Электрические термометры более широкого диапазона основаны на термопарах** (контакт между металлами с разной электроотрицательностью создаёт контактную разность потенциалов, зависящую от температуры).

Наиболее точными и стабильными во времени являются термометры сопротивления на основе платиновой проволоки или платинового напыления на керамику. Наибольшее распространение получили PT100 (сопротивление при 0 °C — 100Ω) PT1000 (сопротивление при 0 °C — 1000Ω) (IEC751). Зависимость от температуры почти линейна и подчиняется квадратичному закону при положительной температуре и уравнению 4 степени при отрицательных (соответствующие константы весьма малы, и в первом приближении эту зависимость можно считать линейной). Температурный диапазон −200 — +850 °C

*Электри́ческое сопротивле́ние — физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему.

**Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь) — устройство, применяемое для измерения температуры в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики.

4.Задачи.

1. Определите среднюю квадратичную скорость молекул кислорода и аргона в воздухе при температуре 20°C.

2. При какой температуре тепловая скорость молекул азота равна 90км/ч?

Опыт Галилея.

Заключение.

В заключении, мы рассмотрели понятие температуры с физической точки зрения, но ее можно рассматривать и как жизненно-важный фактор для человека.

К примеру: для человека, несвязанного с физикой, температура является как мера градации наших ощущений тепла и холода; на бытовом уровне температура воспринимается как параметр, служащий для количественного описания степени нагретости материального объекта.

В этом проекте были рассмотрены несколько видов температурных

шкал: Кельвина, Реомюра, Цельсия, Фаренгейта, Ранкина. Каждая шкал имеет свои особенности и недочеты.

Так же в проекте были затронуты некоторые виды термометров: жидкостные,

газовые, механические, оптические, электрические. У каждого термометра - свой принцип действия и своя сфера применения.

Решили задачи с применением формулы средней квадратичной скорости.

Провели опыт Галилея, связанный с изменением температуры. Created by Макаров and Степанов

22 февраля 1857 года родился немецкий физик Генрих Рудольф Герц, в честь которого назвали единицу измерения частоты. Его имя вы не раз встречали в школьных учебниках по физике. сайт вспоминает знаменитых ученых, открытия которых увековечили их имена в науке.

Блез Паскаль (1623−1662)

«Счастье заключается только в покое, а не в суете», — говорил французский ученый Блез Паскаль. Кажется, сам он к счастью не стремился, положив всю свою жизнь на упорные изыскания в математике, физике, философии и литературе. Образованием будущего ученого занимался его отец, составив крайне сложную программу в области естественных наук. Уже в 16 лет Паскаль написал работу «Опыт о конических сечениях». Сейчас теорема, о которой рассказывала этот труд, называется теоремой Паскаля. Гениальный ученый стал одним из основателей математического анализа и теории вероятностей, а также сформулировал главный закон гидростатики. Свободное время Паскаль посвящал литературе. Его перу принадлежат «Письма провинциала», высмеивающие иезуитов, и серьезные религиозные труды.

Свободное время Паскаль посвящал литературе

Исаак Ньютон (1643−1727)

Врачи считали, что Исаак вряд ли доживет до старости и будет страдать от серьезных заболеваний — в детстве его здоровье было очень слабым. Вместо этого английский ученый прожил 84 года и заложил основы современной физики. Науке Ньютон посвящал все свое время. Самым известным его открытием стал закон всемирного тяготения. Ученый сформулировал три закона классической механики, основную теорему анализа, сделал важные открытия в теории цвета и изобрел зеркальный телескоп. В честь Ньютона названа единица силы, международная награда в области физики, 7 законов и 8 теорем.

Даниель Габриель Фаренгейт 1686−1736

Именем ученого названа единица измерения температуры — градус Фаренгейта. Даниель происходил из зажиточной купеческой семьи. Родители надеялись, что он продолжит семейное дело, поэтому будущий ученый изучал торговлю.

Шкала Фаренгейта до сих пор широко используется в США

Если бы в какой-то момент он не проявил интереса к прикладным естественным наукам, то не появилось бы системы измерения температуры, которая долгое время главенствовала в Европе. Впрочем, ее нельзя назвать идеальной, так как за 100 градусов ученый принял температуру тела своей жены, которая, как назло, на тот момент болела простудой. Несмотря на то, что во второй половине XX века систему немецкого ученого вытеснила шкала Цельсия, температурная шкала Фаренгейта по-прежнему широко используется в США.

Андерс Цельсий (1701−1744)

Ошибочно думать, что жизнь ученого протекала в рабочем кабинете

В честь шведского ученого назвали градус Цельсия. Неудивительно, что Андерс Цельсий посвятил свою жизнь науке. Его отец и оба деда преподавали в шведском университете, а дядя был востоковедом и ботаником. Андерса, в первую очередь, интересовала физика, геология и метеорология. Ошибочно думать, что жизнь ученого протекала только в рабочем кабинете. Он участвовал в экспедициях на экватор, в Лапландию и изучал Северное сияние. Между делом Цельсий изобрел температурную шкалу, в которой за 0 градусов принималась температура кипения воды, а за 100 градусов — температура таяния льда. Впоследствии биолог Карл Линней преобразовал шкалу Цельсия, и сегодня она используется во всем мире.

Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Джероламо Умберто Вольта (1745−1827)

Окружающие замечали у Алессандро Вольта задатки будущего ученого еще в детстве. В 12 лет любознательный мальчик решил исследовать родник неподалеку от дома, где блестели кусочки слюды, и чуть не утонул.

Начальное образование Алессандро получил в Королевской семинарии в итальянском городе Комо. В 24 года он защитил диссертацию.

Алессандро Вольта получил титул сенатора и графа от Наполеона

Вольта сконструировал первый в мире химический источник электрического тока — «Вольтов столб». Революционное для науки открытие он успешно продемонстрировал во Франции, за что получил титул сенатора и графа от Наполеона Бонапарта. В честь ученого названа единица измерения электрического напряжения — Вольт.

Андрэ-Мари Ампер (1775−1836)

Вклад французского ученого в науку сложно переоценить. Именно он ввел термины «электрический ток» и «кибернетика». Изучение электромагнетизма позволило Амперу сформулировать закон взаимодействия между электрическими токами и доказать теорему о циркуляции магнитного поля. В его честь названа единица силы электрического тока.

Георг Симон Ом (1787−1854)

Начальное образование он получил в школе, где работал всего один учитель. Труды по физике и математике будущий ученый изучал самостоятельно.

Георг мечтал разгадать явления природы, и ему это вполне удалось. Он доказал связь между сопротивлением, напряжением и силой тока в цепи. Закон Ома знает (или хотелось бы верить, что знает) каждый школьник. Георг также получил ученую степень доктора философии и на протяжении многих лет делился своими знаниями со студентами немецких университетов. Его именем названа единица электрического сопротивления.

Генрих Рудольф Герц (1857−1894)

Без открытий немецкого физика телевидения и радио бы попросту не существовало. Генрих Герц исследовал электрическое и магнитное поле, экспериментально подтвердил электромагнитную теорию света Максвелла. За свое открытие он получил несколько престижных научных наград, среди которых — даже японский орден Священного сокровища.

27 ноября 1701 года родился шведский астроном, геолог и метеоролог Андерс Цельсий — человек, чью фамилию мы слышим каждый день. К этой дате мы вспоминаем о трёх главных открытиях этого учёного.

2013-11-27 15:42

Андерс Цельсий родился в Уппсале (Швеция) 27 ноября 1701 года. Его отец Нильс Цельсий и оба деда, Магнус Цельсий и Андерс Споул, были профессорами университета. Учёными были и многие другие родственники Цельсия, в том числе его дядя Улоф Цельсий — теолог, ботаник, историк и востоковед.

Маленький Андерс с детства живо интересовался окружающим миром и науками. Свою страсть к знаниям будущий астроном реализовал, поступив в Уппсальский университет - старейший центр образования в Скандинавии.

В те времена метеорология и геология входили в курс астрономии, который блестяще освоил Андерс Цельсий. Уже в 1730 году ему присвоили учёную степень профессора, и он начал преподавать в своей альма-матер. В 1741 году Цельсий основал Уппсальскую астрономическую обсерваторию.

Умер великий учёный в 1744 году в возрасте 42 лет от туберкулёза.

Цельсиева температурная шкала

Система измерения температуры обессмертила имя шведского астронома. Человечество применяет её уже почти три века подряд. Градус Цельсия вписан в Международную систему единиц (СИ).

В 1665 году голландский физик Христиан Гюйгенс вместе с английским физиком Робертом Гуком впервые предложили использовать в качестве отсчётных точек температурной шкалы точки таяния льда и кипения воды.

В 1742-м Андерс Цельсий на основе этой идеи разработал новую температурную шкалу. Первоначально в ней нулём была точка кипения воды, а -100 градусов - температура замерзания воды или плавления льда.

Уже после смерти Цельсия, в 1747 году, его соотечественники ботаник Карл Линней и астроном Мортен Штремер перевернули шкалу. Так ноль градусов стал нулём в его современном смысле, а температуру кипения приравняли к 100 градусам.

Несколько лет спустя шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус в своём труде «Руководство по химии» назвал шкалу «Цельсиевой», и с тех пор стоградусная шкала температуры носит имя Андерса Цельсия.

Изучение формы Земли

Чтобы точно измерить размеры и форму земного шара, учёным требовалось знать длину отрезка астрономического меридиана в один градус на земной поверхности у экватора и на полюсе. До Северного или Южного полюса добраться при тогдашнем уровне развития технологий было невозможно, поэтому Цельсий решил провести исследования в Лапландии - самой северной части тогдашней Швеции.

Измерения были произведены совместно с французским астрономом Пьером Луи Моро де Мопертюи. Андерс Цельсий лично участвовал в экспедиции. Аналогичная работа была проделана на экваторе, на территории нынешнего Эквадора.

Сравнив результаты, Андерс Цельсий подтвердил предположение Ньютона о том, что Земля представляет собой эллипсоид, сплюснутый у полюсов.

Магнитная природа северных сияний

Всю свою жизнь Андерс Цельсий интересовался этим природным феноменом. Его поражали космический масштаб и скрытая мощь северных сияний. Всего учёный описал более трёхсот наблюдений - своих и чужих.

Андерс Цельсий первым обратил внимание на то, что интенсивность сияний в реальном времени коррелирует с отклонениями стрелки компаса, и предположил, что природа северных сияний связана с земным магнетизмом. Потомки подтвердили эту теорию гениального астронома.

Существует несколько различных единиц измерения температуры.

Наиболее известными являются следующие:

Градус Цельсия - применяется в Международной системе единиц (СИ) наряду с кельвином.

Градус Цельсия назван в честь шведского учёного Андерса Цельсия, предложившего в 1742 году новую шкалу для измерения температуры.

Первоначальное определение градуса Цельсия зависело от определения стандартного атмосферного давления, потому что и температура кипения воды и температура таяния льда зависят от давления. Это не очень удобно для стандартизации единицы измерения. Поэтому после принятия кельвина K, в качестве основной единицы измерения температуры, определение градуса Цельсия было пересмотрено.

Согласно современному определению, градус Цельсия равен одному кельвину K, а ноль шкалы Цельсия установлен таким образом, что температура тройной точки воды равна 0,01 °C. В итоге, шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15:

В 1665 году голландский физик Христиан Гюйгенс вместе с английским физиком Робертом Гуком впервые предложили использовать в качестве отсчетных точек температурной шкалы точки таяния льда и кипения воды.

В 1742 году шведский астроном, геолог и метеоролог Андерс Цельсий (1701-1744) на основе этой идеи разработал новую температурную шкалу. Первоначально в ней 0° (нулём) была точка кипения воды, а 100° - температура замерзания воды (точка плавления льда). Позже, уже после смерти Цельсия, его современники и соотечественники ботаник Карл Линней и астроном Мортен Штремер использовали эту шкалу в перевёрнутом виде (за 0° стали принимать температуру таяния льда, а за 100° - кипения воды). В таком виде шкала и используется до нашего времени.

По одним сведениям, Цельсий сам перевернул свою шкалу по совету Штремера. По другим сведениям, шкалу перевернул Карл Линней в 1745 году. А по третьим - шкалу перевернул преемник Цельсия Мортен Штремер, и в XVIII веке такой термометр был широко распространён под названием «шведский термометр», а в самой Швеции - под именем Штремера, но известнейший шведский химик Йёнс Якоб Берце́лиус в своем труде «Руководство по химии» назвал шкалу «Цельсиевой» и с тех пор стоградусная шкала стала носить имя Андерса Цельсия.

Градус Фаренгейта.

Назван в честь немецкого учёного Габриеля Фаренгейта, предложившего в 1724 году шкалу для измерения температуры.

На шкале Фаренгейта точка таяния льда равна +32 °F, а точка кипения воды +212 °F (при нормальном атмосферном давлении). При этом один градус Фаренгейта равен 1/180 разности этих температур. Диапазон 0…+100 °F по шкале Фаренгейта примерно соответствует диапазону −18…+38 °C по шкале Цельсия. Ноль на этой шкале определяется по температуре замерзания смеси воды, соли и нашатыря (1:1:1), а за 96 °F принята нормальная температура человеческого тела.

Кельвин (до 1968 года градус Кельвина) - единица термодинамической температуры в Международной системе единиц (СИ), одна из семи основных единиц СИ. Предложена в 1848 году. 1 кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Начало шкалы (0 К) совпадает с абсолютным нулём.

Пересчёт в градусы Цельсия: °С = K−273,15 (температура тройной точки воды - 0,01 °C).

Единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона, которому было пожаловано звание лорд Кельвин Ларгский из Айршира. В свою очередь, это звание пошло от реки Кельвин (River Kelvin), протекающей через территорию университета в Глазго.

Градус Реомюра - единица измерения температуры, в которой температура замерзания и кипения воды приняты за 0 и 80 градусов, соответственно. Предложен в 1730 году Р. А. Реомюром. Шкала Реомюра практически вышла из употребления.

Градус Рёмера - неиспользуемая ныне единица температуры.

Температурная шкала Рёмера была создана в 1701 году датским астрономом Оле Кристенсеном Рёмером. Она стала прообразом шкалы Фаренгейта, который посещал Рёмера в 1708 году.

За ноль градусов берётся температура замерзания солёной воды. Вторая реперная точка - температура человеческого тела (30 градусов по измерениям Рёмера, то есть 42 °C). Тогда температура замерзания пресной воды получается как 7,5 градусов (1/8 шкалы), а температура кипения воды - 60 градусов. Таким образом, шкала Рёмера - 60-градусная. Такой выбор, по-видимому, объясняется тем, что Рёмер прежде всего астроном, а число 60 было краеугольным камнем астрономии со времён Вавилона.

Градус Ранкина – единица температуры в абсолютной температурной шкале, названа по имени шотландского физика Уильяма Ранкина (1820-1872). Используется в англоязычных странах для инженерных термодинамических расчётов.

Шкала Ранкина начинается при температуре абсолютного нуля, точка замерзания воды соответствует 491,67°Ra, точка кипения воды 671,67°Ra. Число градусов между точками замерзания и кипения воды по шкале Фаренгейта и Ранкина одинаково и равно 180.

Соотношение между кельвином и градусом Ранкина: 1 K = 1,8 °Ra, градусы Фаренгейта переводятся в градусы Ранкина по формуле °Ra = °F + 459,67.

Градус Делиля - ныне неупотребляемая единица измерения температуры. Была изобретена французским астрономом Жозефом Николя Делилем (1688-1768). Шкала Делиля схожа с температурной шкалой Реомюра. Использовалась в России до XVIII века.

Петр Первый пригласил французского астронома Жозефа Николя Делиля в Россию, учреждая Академию Наук. В 1732 году Делиль создал термометр, использующий ртуть в качестве рабочей жидкости. В качестве нуля была выбрана температура кипения воды. За один градус было принято такое изменение температуры, которое приводило к уменьшению объема ртути на одну стотысячную.

Таким образом, температура таяния льда составила 2400 градусов. Однако позже столь дробная шкала показалась избыточной, и уже зимой 1738 года коллега Делиля по петербургской академии, медик Йозиас Вайтбрехт (1702-1747), уменьшил число ступеней от температуры кипения до температуры замерзания воды до 150.

«Перевернутость» этой шкалы (как и изначального варианта шкалы Цельсия) по сравнению с принятыми в настоящее время обычно объясняют чисто техническими трудностями, связанными с градуировкой термометров.

Шкала Делиля получила достаточно широкое распространение в России, и его термометры использовались около 100 лет. Этой шкалой пользовались многие российские академики, в том числе Михаил Ломоносов, который, однако «перевернул» её, расположив ноль в точке замерзания, а 150 градусов - в точке кипения воды.

Градус Гука - историческая единица температуры. Шкала Гука считается самой первой температурной шкалой с фиксированным нулём.

Прообразом для созданной Гуком шкалы стал попавший к нему в 1661 термометр из Флоренции. В изданной через год «Микрографии» Гука встречается описание разработанной им шкалы. Гук определил один градус как изменение объёма спирта на 1/500, т. е. один градус Гука равен примерно 2,4 °C.

В 1663 году члены Королевского общества согласились использовать термометр Гука в качестве стандартного и сравнивать с ним показания других термометров. Голландский физик Христиан Гюйгенс в 1665 г. вместе с Гуком предложил использовать температуры таяния льда и кипения воды для создания шкалы температур. Это была первая шкала с фиксированным нулём и отрицательными значениями.

Градус Дальтона – историческая единица температуры. Он не имеет определённого значения (в единицах традиционных температурных шкал, таких как шкала Кельвина, Цельсия или Фаренгейта), поскольку шкала Дальтона - логарифмическая.

Шкала Дальтона была разработана Джоном Дальтоном для проведения измерений при высоких температурах, поскольку обычные термометры с равномерной шкалой давали ошибку из-за неравномерного расширения термометрической жидкости.

Нуль шкалы Дальтона соответствует нулю Цельсия. Отличительной чертой шкалы Дальтона является то, что в ней абсолютный нуль равен − ∞°Da, т. е. он является недостижимой величиной (что на самом деле так, согласно теореме Нернста).

Градус Ньютона - не используемая ныне единица температуры.

Температурная шкала Ньютона была разработана Исааком Ньютоном в 1701 году для проведения теплофизических исследований и стала, вероятно, прообразом шкалы Цельсия.

В качестве термометрической жидкости Ньютон использовал льняное масло. За ноль градусов Ньютон взял температуру замерзания пресной воды, а температуру человеческого тела он обозначил как 12 градусов. Таким образом, температура кипения воды стала равна 33 градусам.

Лейденский градус - историческая единица температуры, использовавшаяся в начале XX века для измерения криогенных температур ниже −183 °C.

Эта шкала происходит из Лейдена, где с 1897 года находилась лаборатория Камерлинг-Оннеса. В 1957 году Х. ван Дийк и М. Дюро ввели шкалу L55.

За ноль градусов бралась температура кипения стандартного жидкого водорода (−253 °C), состоящего на 75 % из ортоводорода и на 25 % из параводорода. Вторая реперная точка - температура кипения жидкого кислорода (−193 °C).

Планковская температура , названная в честь немецкого ученого-физика Макса Планка, единица температуры, обозначаемая T P , в Планковской системе единиц. Это одна из планковских единиц, которая представляет фундаментальный предел в квантовой механике. Современная физическая теория не способна описать что-либо более горячее из-за отсутствия в ней разработанной квантовой теории гравитации. Выше планковской температуры энергия частиц становится настолько большой, что гравитационные силы между ними становятся сравнимы с остальными фундаментальными взаимодействиями. Это температура Вселенной в первый момент (Планковское время) Большого взрыва в соответствии с текущими представлениями космологии.

ДОКЛАД ПО ФИЗИКЕ

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ, ТЕРМОМЕТРЫ

И ИХ ИЗОБРЕТАТЕЛИ

Температурные шкалы. Существует несколько градуированных температурных шкал, и за точки отсчета в них обычно взяты температуры замерзания и кипения воды. Сейчас самой распространенной в мире является шкала Цельсия. В 1742 шведский астроном Андерс Цельсий предложил 100-градусную шкалу термометра, в которой за 0 градусов принимается температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении, а за 100 градусов - температура таяния льда. Деление шкалы составляет 1/100 этой разницы. Когда стали использовать термометры, оказалось удобнее поменять местами 0 и 100 градусов. Возможно, в этом участвовал Карл Линней (он преподавал медицину и естествознание в том же Упсальском университете, где Цельсий - астрономию), который еще в 1838 году предложил за 0 температуры принять температуру плавления льда, но, похоже, не додумался до второй реперной точки. К настоящему времени шкала Цельсия несколько изменилась: за 0°C по-прежнему принята температура таяния льда при нормальном давлении, которая от давления не очень зависит. Зато температура кипения воды при атмосферном давлении теперь равна 99,975°C, что не отражается на точности измерения практически всех термометров, кроме специальных прецизионных. Известны также температурные шкалы Фаренгейта, Кельвина, Реомюра и др. Температурная шкала Фаренгейта (во втором варианте, принятом с 1714 г.) имеет три фиксированные точки: 0° соответствовал 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. Шкала Фаренгейта широко распространена в англоязычных странах, но ею почти не пользуются в научной литературе. Для перевода температуры по Цельсию (С) в температуру по Фаренгейту (F) существует формула F = (9/5)C + 32, а для обратного перевода - формула C = (5/9)(F32). Обе шкалы - как Фаренгейта, так и Цельсия, - весьма неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды и выражается отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур, в основе которых лежит экстраполяция к так называемому абсолютному нулю - точке, в которой должно прекратиться молекулярное движение. Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая - абсолютной термодинамической шкалой; температуры по ним измеряются в градусах Ранкина (Rа) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля, а точка замерзания воды соответствует 491,7 R и 273,16 K. Число градусов и кельвинов между точками замерзания и кипения воды по шкале Цельсия и абсолютной термодинамической шкале одинаково и равно 100; для шкал Фаренгейта и Ранкина оно тоже одинаково, но равно 180. Градусы Цельсия переводятся в кельвины по формуле K = C + 273,16, а градусы Фаренгейта - в градусы Ранкина по формуле R = F + 459,7. в Европе долгое время была распространена шкала Реомюра, введённая в 1730 г Рене Антуаном де Реомюром. Она построена не произвольным образом, как шкала Фаренгейта, а в соответствии с тепловым расширением спирта (в отношении 1000:1080). 1 градус Реомюра равен 1/80 части температурного интервала между точками таяния льда (0°R) и кипения воды (80°R), т. е. 1°R = 1.25°С, 1°C = 0.8°R., но в настоящее время вышла из употребления.

После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы. Первая шкала - термодинамическая, которая не зависит от свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно. Единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин (1 К) - одна из основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия. Вторая рекомендованная температурная шкала - международная практическая. Эта шкала имеет 11 реперных точек - температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1 К.

В настоящее время основной реперной точкой, как термодинамической шкалы, так и международной практической шкалы температур является тройная точка воды. Эта точка соответствует строго определенным значениям температуры и давления, при которых вода может одновременно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Причем, если состояние термодинамической системы определяется только значениями температуры и давления, то тройная точка может быть только одна. В системе СИ температура тройной точки воды принята равной 273.16 К при давлении 609 Па.

Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство тела, описывающееся физической величиной, изменение которой является признаком изменения температуры или термометрическим признаком. Это свойство должно быть достаточно легко воспроизводимо, а физическая величина - легко измеряемой. Измерение указанной физической величины позволяет получить набор температурных точек (и соответствующих им значений температуры), промежуточных по отношению к реперным точкам.

Соотношение температурной шкалы Фаренгейта и Цельсия

шкала Фаренгейта шкала Цельсия

Точка кипения 212° 100°

Точка замерзания 32° 0°

Температура абсолютного нуля -459,67° -273,15°

При переводе из шкалы Фаренгейта в шкалу Цельсия из исходной цифры вычитают 32 и умножают на 5/9.

При переводе из шкалы Цельсия в шкалу Фаренгейта исходную цифру умножают на 9/5 и прибавляют 32.

Термометры. Решающий вклад в развитие конструкции термометров внёс немец Габриэль Даниэль Фаренгейт. В1709 году он изобрёл спиртовой термометр, а в 1714 - ртутный. Он придал им ту же форму, что применяется и сейчас. Успех его термометров следует искать во введенном им новом методе очищения ртути; кроме того, перед запаиванием он кипятил жидкость в трубке.

Рене Антуан де Реомюр не одобрял применения ртути в термометрах вследствие малого коэффициента расширения ртути. В 1730 г. он предложил применять в термометрах спирт, а. В 1731 году изобрёл водно-спиртовой термометр. И поскольку Реомюр нашел, что применяемый им спирт, смешанный в пропорции 5:1 с водой, расширяется в отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды, то предложил шкалу от 0 до 80°.

Учёные. Андерс Цельсий. Андерс Цельсий (Anders Celsius) родился 27 ноября 1701 года в Швеции. Область его интересов: астрономия, общая физика, геофизика.

Преподавал в Упсальском университете астрономию, основал там астрономическую обсерваторию.

Цельсий первым измерил яркость звезд, установил взаимосвязь между северным сиянием и колебаниями в магнитном поле Земли.

Он принимал участие в Лапландской экспедиции 1736-1737 годов по измерению меридиана. По возвращении из полярных областей Цельсий начал активную работу по организации и строительству астрономической обсерватории в Упсале и в 1740 стал ее директором. Умер Андерс Цельсий 25 марта 1744 года.

В честь него назван минерал цельзиан - разновидность бариевого полевого шпата.

Габриэль Фаренгейт. Даниэль Габриэль Фаренгейт (Daniel Gabriel Fahrenheit) (1686-1736) - немецкий физик. Родился 24 мая 1686 в Данциге (ныне Гданьск, Польша). Изучал физику в Германии, Голландии и Англии. Почти всю жизнь прожил в Голландии, где занимался изготовлением точных метеорологических приборов. В 1709 изготовил спиртовой, в 1714 - ртутный термометр, использовав новый способ очистки ртути. Для ртутного термометра Фаренгейт построил шкалу, имеющую три реперные точки: 0° соответствовал температуре смеси вода - лед - нашатырный спирт, 96° - температуре тела здорового человека, а в качестве контрольной температуры было принято значение 32° для точки таяния льда. Температура кипения чистой воды по шкале Фаренгейта составила 212°. Шкала Фаренгейта применяется во многих англоязычных странах, хотя постепенно уступает место шкале Цельсия. Помимо изготовления термометров, Фаренгейт занимался усовершенствованием барометров и гигрометров. Исследовал также зависимость изменения температуры кипения жидкости от атмосферного давления и содержания в ней солей, обнаружил явление переохлаждения воды, составил таблицы удельных весов тел. Умер Фаренгейт в Гааге 16 сентября 1736.

Рене Реомюр. Рене Антуан де Реомюр (Rene Antoin de Reaumur) родился 28 февраля 1683 года в Ла-Рошель, французский естествоиспытатель, иностранный почетный член Петербургской АН (1737). Труды по регенерации, физиологии, биологии колоний насекомых. Предложил температурную шкалу, названную его именем. Он усовершенствовал некоторые способы приготовления стали, им, одним из первых, были сделаны попытки научного обоснования некоторых процессов литья, написал работу "Искусство превращения железа в сталь". Он пришел к ценному выводу, железо, сталь, чугун, различаются по количеству некоторой примеси и добавляя эту примесь к железу, путем цементации или сплавления с чугуном Реомюр получал сталь. В 1814 году К. Каретен доказал, что этой примесью является углерод.

Реомюр дал способ приготовления матового стекла.

Сегодня память связывает его имя только лишь с изобретением долго использовавшейся температурной шкалы. На самом же деле Рене Антуан Фершант де Реомюр, живший в 1683-1757 годах, главным образом, в Париже, относился к тем учёным, универсальность которых в наше время - время узкой специализации - трудно себе представить. Реомюр был одновременно техником, физиком и естествоиспытателем. Большую известность за пределами Франции он приобрёл как энтомолог. В последние годы своей жизни Реомюр пришёл к идее, что поиски таинственной преобразующей силы следует вести в тех местах, где её проявление наиболее очевидно - при преобразовании пищи в организме, т.е. при её усвоении.

Уильям Ранкин. Уильям Джон Макуорн Ранкин (Ренкин) (William John M. Rankine) (1820-72) , шотландский инженер и физик, один из создателей технической термодинамики. Предложил теоретический цикл парового двигателя (цикл Ранкина), температурную шкалу (шкала Ранкина), нуль которой совпадает с нулем термодинамической температуры, а по размеру 1 град Р. (°R) равен 5/9 К (шкала широкого распространения не получила).