65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё

Основан этот способ на явлении теплового расширения. Оно заключается в том, что все тела при нагревании расширяются, т. е. увеличиваются в объеме, а при охлаждении уменьшаются (почему так происходит, мы поговорим чуть позже). Тепловое расширение зависит от химических связей в веществе, типа кристаллической решетки, пористости и других характеристик. Этот эффект не так сильно заметен в обычной жизни, потому что привычные нам предметы при изменении температуры меняют свои размеры очень слабо. Однако для достаточно больших тел тепловое расширение уже будет существенным. Поэтому в технике и строительстве обязательно приходится учитывать эти эффекты. Например, 10 км железнодорожного полотна при нагревании на 10 °C удлиняется примерно на 1,2 м. Поэтому при укладке рельсов между ними оставляют небольшие зазоры, из-за чего мы слышим стук колес поездов. Аналогично, при строительстве мостов их составляют из отдельных секций, которые соединяют специальными термическими буферными сочленениями, которые позволяют компенсировать тепловое сжатие и расширение и предотвратить разрушение конструкции.

Тепловому расширению подвержены не только твердые тела, но и жидкости. Поэтому их можно использовать для создания хорошо знакомых нам жидкостных термометров.

На кончике термометра располагается емкость с жидкостью. При нагревании эта жидкость расширяется и поднимается вверх по тоненькой трубочке-капилляру. Так мы фиксируем повышение температуры: чем выше поднялась жидкость, тем выше температура. При охлаждении жидкость сжимается и столбик термометра, соответственно, опускается.

Осталось только задать шкалу измерения – отметить на столбике термометра, где ноль градусов, где десять, а где сто. И вот тут ученые разошлись во мнениях. К середине XVIII века насчитывалось уже около 30 (!) различных температурных шкал. Кто-то выбирал в качестве нуля температуру таяния сливочного масла, кто-то – температуру самого жаркого дня в Италии, а кто-то – температуру самого глубокого подвала Парижской обсерватории. Но гораздо удобнее принять за ноль градусов что-то более универсальное и объективное. Например, температуру замерзания воды. А за 100 градусов – температуру кипения воды. Если разделить это расстояние на 100 равных отрезков, то цена каждого такого деления будет ровно один градус. Таким образом мы получим хорошо знакомую нам шкалу Цельсия[30].

Но есть и другая шкала температур – шкала Фаренгейта. Историки науки до сих пор спорят, что именно послужило эталоном нуля – температура замерзания смеси воды, соли и льда либо самая холодная зимняя температура в Данциге, где жил Фаренгейт. Тем не менее шкала Фаренгейта некоторым показалась удобной и ее до сих пор используют в таких странах, как Багамские острова, Либерия и США. По шкале Фаренгейта температура замерзания воды будет уже не ноль, а 32 градуса. При этом ноль по Фаренгейту – это минус 17,7 по Цельсию.

Тут пытливый читатель может задать вопрос: хорошо, мы разобрались, как измерить температуру, и даже узнали, какие существуют шкалы температур. Но как это нас продвинуло к пониманию того, что такое температура? Если оставаться в рамках эмпирических исследований, то мы должны сказать, что температура – это физическая величина, которую измеряет термометр. Но вряд ли это определение удовлетворит пытливого читателя. Поэтому для более глубокого понимания температуры нам нужно ввести еще одно понятие – понятие термодинамического равновесия.

Давайте поместим несколько разных предметов (холодных, теплых, горячих) в теплоизолированный ящик, чтобы они не могли обмениваться теплом с окружающей средой, а только друг с другом, и оставим их на некоторое время. Постепенно горячие предметы будут остывать, а холодные, наоборот, нагреваться. В конечном итоге абсолютно все предметы в нашем ящике окажутся нагреты одинаково. И если эту систему больше не нагревать и не охлаждать, а оставить как есть, то предметы больше не будут ни охлаждаться, ни нагреваться сколь угодно долго. Это и есть состояние термодинамического равновесия. А физическая величина, которая выравнивается у всех тел при переходе к этому равновесию, называется температурой. Так будет происходить всегда, вне зависимости от количества тел, их начальных температур и материалов, из которых они состоят. Любые тела, изолированные от всех внешних воздействий, через некоторое время придут в состояние термодинамического равновесия. В этом заключается суть нулевого начала термодинамики[31].

Как вам такое определение температуры? Вроде интуитивно и так было понятно, что после обмена теплом все горячие предметы остынут, а холодные нагреются, у всех тел температура станет одинаковой. Но этого определения оказывается вполне достаточно для построения классической термодинамики и вывода ее уравнений, очень хорошо описывающих многие наблюдаемые явления.