18.3. Что измеряет термометр?

Что же показывает термометр? Кажется, что это всем ясно - температуру! А что такое температура? Очень хорошо сказал по этому поводу один физик: „Гораздо легче производить измерения, чем точно знать, что измеряется“. И почти три сотни лет измеряли повсюду температуру, но только совсем недавно, в конце XIX столетия, стало окончательно ясно, что такое температура.

А в самом деле, что же показывает термометр? Стоит еще раз проследить, как возникло понятие „температура“. Когда-то думали: если становится жарко, то это потому, что в теле повышается содержание теплорода. Латинское слово „температура“ означало „смесь“. Под температурой тела понимали смесь из материи тела и теплорода тела. Затем понятие самого теплорода было отброшено как ошибочное, а слово „температура“ осталось.

Добрые две сотни лет в науке сохранялось странное положение: случайно выбранным свойством (расширение) случайно выбранного вещества (ртуть) и шкалой, установленной по случайно выбранным постоянным точкам (плавление льда и кипение воды), измерялась величина (температура), а смысл слова „температура“, строго говоря, никому не был понятен.

Но ведь термометр все-таки что-то показывает? Если от ответа потребовать необходимую строгость и точность, то на такой вопрос придется ответить так: ничего, кроме удлинения в столбике нагретой ртути. Ну а если ртуть заменить другим веществом: газом или каким-либо твердым телом, которое также расширяется при нагревании - что будет тогда? Что будут показывать построенные на иной основе термометры?

Представим себе, что такие термометры мы сделали. Одни из них мы заполнили ртутью, воздухом, другие изготовили целиком из железа, меди, стекла. Точно установим на каждом термометре постоянные точки: в тающем льду 0 С, в кипящей воде 100 С.

Попробуем теперь измерять температуру. Окажется, что, когда воздушный термометр покажет, например, 300 С, другие термометры будут показывать: ртутный 314,1 С, железный 372,6 С, медный 328,8 С, стеклянный 352,9 С

Какая же из этих „температур“ правильна: „воздушная“, „ртутная“, „железная“, „медная“ или „стеклянная“? Ведь каждое из испытанных нами веществ показывает свою собственную температуру. Еще интереснее повел бы себя „водяной“ термометр. В пределах от 0 до 4 С он показывал бы при нагревании понижение температуры. Можно, конечно, попытаться выбрать вместо теплового расширения какое-нибудь другое свойство вещества, изменяющееся при нагревании. Можно, например, построить термометры на основе изменения (при нагревании) давления пара жидкости (например, спирта), изменения электрического сопротивления (например, платины), термоэлектродвижущей силы (термопара). В наше время такие термометры широко применяются в технике.

При условии предварительной калибровки по двум постоянным точкам такие термометры, например, при 200 С будут показывать: спиртовой (по давлению пара) - 1320 С, платиновый (по сопротивлению) - 196 С, спай платины и сплава ее с родием (термопара) - 222 С.

Так какая же из всех этих разных „температур“ настоящая? Как и чем нужно измерять температуру? Прежде чем ответить на эти вопросы, следует уяснить себе самое важное в них - их точное содержание и смысл: „Чем нужно измерять температуру?“ Почему такой „простой“ вопрос вообще может возникать?

В каких единицах мы измеряем длину? В метрах. В чем мы измеряем объемы? Можно измерять в литрах. Литр - это объем, равный одному кубическому дециметру. А чем мы измеряем температуру? Эти вопросы совершенно сходны, но ответы на них принципиально различны. Если мы сольем в бочку несколько ведер холодной воды, то бочка будет заполнена водой. Сумма объемов воды в ведрах будет равна объему бочки. Но сколько бы холодной воды вы ни влили в бочку, горячей воды при этом не получится. Рассуждение это совсем не смешно и не наивно, и факт этот вовсе не очевиден сам собой. Это очень важный закон природы, к которому мы просто привыкли, потому что знаем его из опыта. Из нескольких коротких палок можно составить одну длинную, соединив их между собой встык. Но нельзя сложить температуру раскаленного угля из печи и температуру куска льда. Раскаленный уголь от этого не станет более горячим.

Измерять температуру, подобно тому, как измеряют длину, объем, массу, нельзя потому, что температуры не складываются. Невозможна такая единица температуры, которой можно непосредственно измерять любую температуру, подобно тому, как метром измеряют любую длину. Объем, длина, масса - примеры экстенсивных (количественных) свойств системы. Если железный стержень разделить на несколько частей, температура каждой из них от этого не изменится. Температура – пример интенсивных (качест­венных) свойств системы. Непосредственно установить числовое соотноше­ние между различными температурами невозможно и бессмысленно.

Но ведь измерять температуру необходимо. Так как же ее измерять, если ее нельзя измерить методом, пригодным для измерения экстенсивных величин? Для этого возможен только один путь - использовать объективную связь между температурой и любой экстенсивной величиной: изменением объема, длины, отклонением стрелки гальванометра и т. п.

Поэтому ответ на вопрос: "Какая из перечисленных выше различных "температур" настоящая? может показаться с первого раза странным: все они равноправны. Любое свойство системы, зависящее от температуры, может быть выбрано для ее характеристики и измерения.

Термодинамика сумела указать способ и вещество, которое позволяет осуществить температурные измерения наиболее целесообразно. Это идеаль­ный газ. По его расширению при постоянном давлении или по росту давле­ния при постоянном объеме могут быть проведены наиболее целесообразно измерения температуры. При таком способе измерения бесчисленные выра­жения для любых закономерностей в природе становятся наиболее про­стыми. Но у идеального газа есть один существенный недостаток: такого газа нет в природе.