Температурные шкалы
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.
Поскольку температура — это кинетическая энергия молекул, наиболее естественно измерять ее в энергетических единицах (в системе СИ — в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах — градусах.
Существует шесть наиболее известных температурных шкал: стоградусная, или шкала Цельсия (°С); Фаренгейта (°F); абсолютная, или шкала Кельвина (К); Реомюра (°R); Ньютона; Ранкина (°Ra).
Шкала Фаренгейта была предложена зимой 1709 г. немецким ученым Габриэлем Фаренгейтом. По этой шкале за нуль принималась точка, до которой в один очень холодный зимний день (дело было в Данциге) опустилась ртуть в термометре ученого. В качестве другой отправной точки он выбрал температуру человеческого тела. По этой не слишком логичной системе точка замерзания воды на уровне моря оказалась равной +32 °F, а точка кипения воды — +212 °F. Шкала популярна в США и Великобритании.
Шкала Реомюра. В 1731 г. французский ученый Рене де Реомюр предложил температурную шкалу, основанную на использовании спирта, обладающего свойством расширяться. За нижнюю реперную точку была принята точка замерзания воды. Градус Реомюр произвольно определил как одну тысячную от объема, который занимает спирт в резервуаре и трубке термометра при нулевой точке. При нормальных условиях точка кипения воды по этой шкале составляет 80°R. Шкала Реомюра ныне повсеместно вышла из употребления.
Шкала Цельсия. В 1742 г. шведский астроном Андерс Цельсий предложил шкалу, в которой за нуль принималась температура смеси воды и льда, а температура кипения воды приравнивалась к 100 °С. За градус принимается сотая часть интервала между этими реперными точками. Эта шкала более рациональна, чем шкалы Фаренгейта и Реомюра, и широко используется в науке. Шкала Цельсия очень удобна, поскольку вода широко распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь.
Шкала Кельвина была предложена в 1848 г. английским ученым Уильямом Томсоном (он же лорд Кельвин) как более точный способ измерения температуры. По этой шкале нулевая точка, или абсолютный нуль, представляет собой самую низкую температуру, какая только возможна, т. е. некое теоретическое состояние вещества, при котором его молекулы полностью перестают двигаться. Это значение было получено путем теоретического изучения свойств газа, находящегося под нулевым давлением. По стоградусной шкале абсолютный нуль, или нуль Кельвина, соответствует -273,15 °С. Следовательно, на практике О °С может быть приравнен к 273 К. До 1968 г. единица измерения кельвин (К) именовалась как градус Кельвина (°К).
Шкала Ньютона была разработана Исааком Ньютоном в 1701 г. для проведения теплофизических исследований и стала, вероятно, прообразом шкалы Цельсия. В качестве термометрической жидкости Ньютон использовал льняное масло. За 0° Ньютон взял температуру замерзания пресной воды, а температуру человеческого тела он обозначил как 12°. Таким образом, температура кипения воды стала равна 33°.
Шкала Ранкина была предложена шотландским инженером и физиком Уильямом Ранкином. Нуль ее совпадает с нулем термодинамической температуры, а по размеру 1 °Ra равен 5/9 К. То есть принцип тот же, что и в шкале Кельвина, только по размерности шкала Ранкина совпадает не со шкалой Цельсия, а со шкалой Фаренгейта. Эта система измерения температуры распространения не получила.