Понятие температуры. /Материалы к урокам/.

М.А. Бражников

«Гораздо легче производить измерения, чем точно знать, что измеряется»

Л. Тейлор

/цитировано по [5]/

Ощущение «горячего» и «холодного» дано нам в непосредственное осязание. Поэтому, что такое температура, интуитивно кажется вполне понятным, вместе с тем дать точное определение этой физической величины довольно сложно.

Температура характеризует степень нагретости тела, – такое определение вытекает из непосредственного опыта. Осязание позволяет нам очень тонко чувствовать различие между холодным и горячим, однако «чувства наши никогда не дают производить количественные сравнения, а позволяют нам судить о равенстве и неравенстве наблюдаемых величин»[1]. Вся сложность понятия проявляется уже при попытке задаться вопросом: «Что значит измерить температуру?» На уроках физики мы отрабатываем с учениками один и тот же подход, практикующийся в преподавании довольно давно [1,2][1]: измерить физическую величину значит сравнить ее с физически однородной величиной, принятой за единицу. Но абсурдно говорить, что «1 ⁰С сто раз укладывается в 100 ⁰С», эталона температуры не существует. В начале рассказа о температуре обращаем внимание учеников на то, что мы не можем, исходя из обыденного (повседневного) опыта точно определить, что такое температура, и как ее измерить.[2]

Отнюдь не случайно, что методика и техника измерения температуры появилась во второй половине XVII века в начале XVIII, то есть позже измерения пространственных величин, измерения времени, скорости, атмосферного давления и т. п.

Первое, на что человек обратил внимание, это то, что изменения температуры сопровождаются изменениями, происходящими в окружающем его мире предметов и явлений. Охлаждение воздуха к вечеру (понижение температуры) приводит, под час, к возникновению тумана, появлению росы, превращению воды в лед и т.п.; нагревание металлической заготовки в горне – к изменению цвета излучения. Последнее позволило построить первую цветовую шкалу температур в «до-термометрную» эпоху (см. Таблицу №1). В конце XIX века эта эмпирическая шкала получила строго научное обоснование в виде закона Вина. Вин обратил внимание на то, что с повышением температуры максимум теплового излучения смешается из красной области видимого спектра в синюю. По цвету, определенному, правда, не «на глаз», можно судить о температуре далеких от нас звезд: красные из них – самые холодные, а голубые – горячие! И все же цветовая шкала температур является узкоспециальной и непригодной для изучения большинства процессов, происходящих в окружающем нас мире.

Таблица №1 Цветовая шкала [3,4]

В сочинениях великого Л. да Винчи среди множества его изобретений мы не найдем даже упоминание о каком-либо термометре. Галилей был первым ученым, кто положил начало термометрии, связав изменение температуры с расширением воздуха при нагревании в своем термоскопе [5].

Второй шаг по созданию термометра был сделан трудами флорентинской академии экспериментальных исследований в 1657 – 1667 гг [5]. Появившийся на свет термометр, использовавший расширение жидкостей при нагревании, содержал в себе гениальную идею деления на равные градусы. Правда, первоначально реперные точки температурных шкал определялись довольно произвольно.[3] Х. Гюйгенс в 1655 г. предложил принять в качестве основных точек для термометра точки таяния льда и кипения воды [6]. Однако в практике термометрии это предложение было реализовано значительно позже. Интересно, какие состояния исторически выбирались в качестве реперных точек в разных шкалах температур [7,8].

· Самые большие холода в Тоскане: 11⁰-12⁰ (при этом в тающем льде 13 ½ ⁰), нагревание от самых сильных солнечных лучей в Тоскане (40⁰) /Флорентинский термометр/

· Нижняя точка отсчета – замерзание воды, верхняя точка – температура тела «здорового мужчины» /И. Ньютон/;

· Нижняя точка отсчета – наинизшая температура смеси из нашатыря и льда (соответствовала самой низкой температуре в Данциге в 1709 г!), верхняя точка – температура тела «здорового мужчины» /Г. Фаренгейт/

· Нижняя точка отсчета – замерзание воды, верхняя точка – температура кипения воды /А. Цельсий, К. Линней/.

Практическое применение термометров, потребовало использования легко и надежно воспроизводимых реперных точек, которыми стали точки фазовых переходов;«осознание» этого шло очень постепенно!

На что бы хотелось обратить внимание учеников на данном этапе изложения.