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]
| Цвета каления | 0С |
| буро-красный | |
| темно-красный | |
| красный | |
| вишнево-красный | |
| темно-вишневый | |
| вишневый | |
| светло-вишневый | |
| оранжевый | |
| светло-оранжевый | |
| ярко-оранжевый | |
| желтый | |
| белый | |
| ярко-белый («нестерпимый глазу») | >1700 |
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.