Le long voyage des thermomètres

Les instruments de mesure de la température, courants aujourd'hui, jouent un rôle important dans la science, la technologie et dans la vie quotidienne des gens ; ils ont une longue histoire et sont associés aux noms de nombreux scientifiques brillants de différents pays, y compris des Russes et ceux qui ont travaillé en Russie.

Description détaillée L'histoire de la création même d'un thermomètre à liquide ordinaire peut occuper un livre entier, comprenant des histoires sur des spécialistes dans divers domaines - physiciens et chimistes, philosophes et astronomes, mathématiciens et mécaniciens, zoologistes et botanistes, climatologues et souffleurs de verre.

Les notes ci-dessous ne prétendent pas être une présentation complète de cette histoire très divertissante, mais peuvent être utiles pour se familiariser avec le domaine de la connaissance et le domaine de la technologie, dont le nom est Thermométrie.

Température

La température est l’un des indicateurs les plus importants utilisés dans diverses industries sciences naturelles et technologie. En physique et en chimie, il est utilisé comme l'une des principales caractéristiques de l'état d'équilibre d'un système isolé, en météorologie - comme la principale caractéristique du climat et de la météo, en biologie et en médecine - comme la grandeur la plus importante qui détermine les fonctions vitales.

Même le philosophe grec Aristote (384-322 av. J.-C.) considérait les concepts de chaleur et de froid comme fondamentaux. Outre des qualités telles que la sécheresse et l'humidité, ces concepts caractérisaient les quatre éléments de la « matière première » : la terre, l'eau, l'air et le feu. Même si à cette époque et plusieurs siècles plus tard, on parlait déjà du degré de chaleur ou de froid (« plus chaud », « plus chaud », « plus froid »), les mesures quantitatives n'existaient pas.

Il y a environ 2 500 ans, l’ancien médecin grec Hippocrate (environ 460 – environ 370 av. J.-C.) réalisa qu’une température corporelle élevée était un signe de maladie. Un problème est survenu lors de la détermination de la température normale.

L'une des premières tentatives d'introduction du concept de température standard a été faite par l'ancien médecin romain Galien (129 - environ 200), qui a proposé que la température d'un mélange de volumes égaux d'eau bouillante et de glace soit considérée comme « neutre », et les températures des composants individuels (eau bouillante et glace fondante) doivent être considérées respectivement comme quatre degrés chauds et quatre degrés froids. C'est probablement à Galien que l'on doit l'introduction du terme "température"(au niveau), d’où vient le mot « température ». Cependant, les mesures de température ont commencé bien plus tard.

Thermoscope et premiers thermomètres à air

L’histoire de la mesure de la température remonte à un peu plus de quatre siècles. Basé sur la capacité de l'air à se dilater lorsqu'il est chauffé, décrite par les anciens Grecs byzantins au IIe siècle. J.-C., plusieurs inventeurs ont créé un thermoscope - un appareil simple doté d'un tube de verre rempli d'eau. Il faut dire que les Grecs (les premiers Européens) ont fait la connaissance du verre au Ve siècle, au XIIIe siècle. Les premiers miroirs vénitiens en verre sont apparus au XVIIe siècle. la fabrication du verre en Europe est devenue très développée et en 1612 le premier manuel est apparu "De arte vitraria"(« De l'art de la verrerie ») du florentin Antonio Neri (mort en 1614).

La fabrication du verre s'est particulièrement développée en Italie. Il n’est donc pas surprenant que les premiers instruments en verre y soient apparus. La première description du thermoscope a été incluse dans le livre du naturaliste napolitain impliqué dans la céramique, le verre, les pierres précieuses artificielles et la distillation, Giovanni Battista de la Porta (1535-1615). "Magie Naturelle"(« Magie Naturelle ») La publication a été publiée en 1558.

Dans les années 1590. Le physicien, mécanicien, mathématicien et astronome italien Galileo Galilei (1564-1642), selon le témoignage de ses élèves Nelli et Viviani, a construit son thermobaroscope en verre à Venise en utilisant un mélange d'eau et d'alcool ; Avec cet appareil, il était possible d'effectuer des mesures. Certaines sources affirment que Galilée utilisait le vin comme liquide coloré. L'air servait de fluide de travail et les changements de température étaient déterminés par le volume d'air dans l'appareil. L'appareil était imprécis, ses lectures dépendaient à la fois de la température et de la pression, mais il permettait de « vider » une colonne de liquide en modifiant la pression de l'air. Une description de cet appareil a été faite en 1638 par Benadetto Castelli, élève de Galilée.

L'association étroite entre Santorio et Galileo rend difficile la détermination des contributions de chacun à leurs nombreuses innovations techniques. Santorio est célèbre pour sa monographie "De statica médecine"(« On Balance Medicine »), contenant les résultats de ses recherches expérimentales et connu en cinq éditions. En 1612 Santorio dans son œuvre "Commentaires sur l'artem médicinal Galeni"(« Notes sur l'art médical de Galien ») a été le premier à décrire un thermomètre à air. Il a également utilisé un thermomètre pour mesurer la température du corps humain (« les patients serrent le flacon avec leurs mains, respirent dessus à l'abri, le prennent dans leur bouche ») et a utilisé un pendule pour mesurer le pouls. Sa méthode consistait à enregistrer la vitesse à laquelle les relevés du thermomètre tombaient au cours de dix mouvements du pendule ; cela dépendait des conditions extérieures et était inexact.

Des instruments similaires au thermoscope de Galilée ont été fabriqués par le physicien, alchimiste, mécanicien, graveur et cartographe néerlandais Cornelis Jacobson Drebbel (1572-1633) et par le philosophe et médecin mystique anglais Robert Fludd (1574-1637), qui connaissaient probablement le travail de Scientifiques florentins. C'est l'appareil de Drebbel qui fut pour la première fois (en 1636) appelé « thermomètre ». Cela ressemblait à un tube en forme de U avec deux réservoirs. En travaillant sur le liquide de son thermomètre, Drebbel a découvert une méthode pour produire des colorants carmin brillants. Fludd, à son tour, a décrit le thermomètre à air.

Les premiers thermomètres à liquide

L'étape suivante, petite mais importante, vers la transformation d'un thermoscope en un thermomètre à liquide moderne a été l'utilisation d'un liquide et d'un tube de verre scellé à une extrémité comme fluide de travail. Les coefficients de dilatation thermique des liquides sont inférieurs à ceux des gaz, mais le volume du liquide ne change pas avec les changements de pression externe. Cette démarche fut franchie vers 1654 dans les ateliers du grand-duc de Toscane, Ferdinand II de Médicis (1610-1670).

Entre-temps, des mesures météorologiques systématiques ont commencé dans divers pays européens. Chaque scientifique utilisait à cette époque sa propre échelle de température, et les résultats de mesure qui nous sont parvenus ne peuvent être ni comparés entre eux ni liés aux degrés modernes. La notion de degrés de température et de points de référence de l'échelle de température est apparemment apparue dans plusieurs pays dès le XVIIe siècle. Les artisans ont appliqué 50 divisions à l'œil nu, afin que lorsque la neige fonde, la colonne d'alcool ne descende pas en dessous de la 10e division, et qu'au soleil elle ne dépasse pas la 40e division.

L'une des premières tentatives d'étalonnage et de normalisation des thermomètres a eu lieu en octobre 1663 à Londres. Les membres de la Royal Society ont convenu d'utiliser l'un des thermomètres à alcool fabriqués par le physicien, mécanicien, architecte et inventeur Robert Hooke (1635-1703) comme étalon et de comparer les lectures d'autres thermomètres avec celui-ci. Hooke a introduit un pigment rouge dans l'alcool et a divisé l'échelle en 500 parties. Il a également inventé le thermomètre minima (indiquant la température la plus basse).

En 1665, le physicien théoricien, mathématicien, astronome et inventeur néerlandais Christiaan Huygens (1629-1695), en collaboration avec R. Hooke, proposa d'utiliser les températures de fonte des glaces et d'ébullition de l'eau pour créer une échelle de température. Les premiers enregistrements météorologiques intelligibles ont été enregistrés à l'aide de l'échelle Hooke-Huygens.

La première description d'un véritable thermomètre à liquide est apparue en 1667 dans la publication de l'Accademia del Chimento * « Essais sur les activités scientifiques naturelles de l'Académie des Expériences ». Les premières expériences dans le domaine de la calorimétrie ont été réalisées et décrites à l'Académie. Il a été démontré que lors de la raréfaction, l’eau bout à une température plus basse qu’à la pression atmosphérique et que lorsqu’elle gèle, elle se dilate. Les « thermomètres florentins » ont été largement utilisés en Angleterre (introduits par R. Boyle) et en France (diffusés grâce à l'astronome I. Bullo). L'auteur de la célèbre monographie russe « Concepts et principes fondamentaux de la thermodynamique » (1970), I.R. Krichevsky, estime que c'est le travail de l'Académie qui a jeté les bases de l'utilisation des thermomètres à liquide.

L'un des membres de l'Académie, le mathématicien et physicien Carlo Renaldini (1615-1698) dans un essai "Philosophie naturelle" (« Philosophie naturelle"), publié en 1694, proposait de prendre comme points de référence les températures de fonte des glaces et d'ébullition de l'eau.

Né dans la ville allemande de Magdebourg, ingénieur mécanicien, ingénieur électricien, astronome et inventeur de la pompe à air, Otto von Guericke (1602-1686), devenu célèbre pour son expérience avec les hémisphères de Magdebourg, a également travaillé sur les thermomètres. En 1672, il construit un appareil hydroalcoolique de plusieurs mètres de haut avec une échelle comportant huit divisions : de « très froid » à « très chaud ». La taille de la structure, il faut l’admettre, n’a pas fait progresser la thermométrie.

La gigantomanie de Guericke trouva des adeptes aux États-Unis trois siècles plus tard. Le plus grand thermomètre du monde, mesurant 40,8 m (134 pieds) de haut, a été construit en 1991 pour commémorer la température record atteinte dans la Vallée de la Mort en Californie en 1913 : +56,7 °C (134 °F). Le thermomètre à trois voies est situé dans la petite ville de Baker, près du Nevada.

Les premiers thermomètres précis largement utilisés ont été fabriqués par le physicien allemand Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736). L'inventeur est né dans l'actuelle Pologne, à Gdansk (alors Dantzig), devenu orphelin très tôt, a commencé à étudier le commerce à Amsterdam, mais n'a pas terminé ses études et, s'intéressant à la physique, a commencé à visiter des laboratoires et des ateliers en Allemagne, aux Pays-Bas et en Angleterre. . À partir de 1717, il vécut en Hollande, où il possédait un atelier de soufflage de verre et se consacrait à la fabrication d'instruments météorologiques de précision - baromètres, altimètres, hygromètres et thermomètres. En 1709, il réalise un thermomètre à alcool et en 1714 un thermomètre à mercure.

Le mercure s'est avéré être un fluide de travail très pratique, car son volume dépendait plus linéairement de la température que l'alcool, il se réchauffait beaucoup plus rapidement que l'alcool et pouvait être utilisé à des températures beaucoup plus élevées. Fahrenheit a développé une nouvelle méthode de purification du mercure et a utilisé un réservoir de mercure en forme de cylindre plutôt que de boule. De plus, pour améliorer la précision des thermomètres, Fahrenheit, qui possédait des compétences en soufflage de verre, a commencé à utiliser du verre avec le coefficient de dilatation thermique le plus bas. Ce n'est que dans la région des basses températures que le mercure (point de congélation –38,86 °C) était inférieur à l'alcool (point de congélation –114,15 °C).

Depuis 1718, Fahrenheit donne des cours de chimie à Amsterdam ; en 1724, il devient membre de la Royal Society, bien qu'il n'ait pas reçu diplôme scientifique et n'a publié qu'un seul recueil d'articles de recherche.

Pour ses thermomètres, Fahrenheit a d'abord utilisé une échelle modifiée adoptée par le physicien danois Olaf Roemer (1644-1710) et proposée par le mathématicien, mécanicien, astronome et physicien anglais Isaac Newton (1643-1727) en 1701.

Les premières tentatives de Newton pour développer une échelle de température étaient naïves et furent presque immédiatement abandonnées. Il a été proposé de prendre comme points de référence la température de l'air en hiver et la température des charbons ardents. Ensuite, Newton a utilisé le point de fusion de la neige et la température corporelle d'une personne en bonne santé, l'huile de lin comme fluide de travail, et a divisé l'échelle (basée sur 12 mois par an et 12 heures par jour avant midi) en 12 degrés (selon autres sources, 32 degrés) . Dans ce cas, l'étalonnage a été effectué en mélangeant certaines quantités d'eau bouillante et juste décongelée. Mais cette méthode s’est également révélée inacceptable.

Newton n'a pas été le premier à utiliser l'huile : en 1688, le physicien français Dalance a utilisé le point de fusion du beurre de vache comme point de référence pour calibrer les thermomètres à alcool. Si cette technique était préservée, la Russie et la France auraient des échelles de température différentes : le ghee, commun en Russie, et le célèbre beurre de Vologda diffèrent par leur composition des variétés européennes.

L'observateur Roemer a remarqué que son horloge à pendule tourne plus lentement en été qu'en hiver et que les divisions d'échelle de ses instruments astronomiques sont plus grandes en été qu'en hiver. Pour augmenter la précision des mesures du temps et des paramètres astronomiques, il était nécessaire d'effectuer ces mesures aux mêmes températures et donc de disposer d'un thermomètre précis. Roemer, comme Newton, utilisait deux points de référence : la température normale du corps humain et la température de fonte de la glace (le fluide de travail était du vin rouge enrichi ou une solution d'alcool à 40 %, teintée de safran, dans un tube de 18 pouces). Fahrenheit leur a ajouté un troisième point, qui correspondait à la température la plus basse alors atteinte dans le mélange eau-glace-ammoniac.

Ayant atteint une précision de mesure nettement plus élevée à l'aide de son thermomètre à mercure, Fahrenheit a divisé chaque degré de Roemer en quatre et a pris trois points comme points de référence pour son échelle de température : la température d'un mélange salin d'eau et de glace (0 °F), la température corporelle d'une personne en bonne santé (96 °F) et la température de fonte des glaces (32 °F), cette dernière étant considérée comme le contrôle.

C'est ainsi qu'il en parle dans un article publié dans le magazine "Transaction philosophique"(1724,
tome 33, p. 78) : « …en plaçant le thermomètre dans un mélange de sel d'ammonium ou de sel marin, d'eau et de glace, on trouvera le point sur l'échelle indiquant zéro. Le deuxième point est obtenu si le même mélange sans sel est utilisé. Désignons ce point par 30. Le troisième point, désigné par 96, est obtenu si le thermomètre est mis dans la bouche, recevant la chaleur d'une personne saine.

Il existe une légende selon laquelle Fahrenheit considérait la température à laquelle l'air se refroidissait au cours de l'hiver 1708/09 dans sa ville natale de Dantzig comme le point le plus bas de l'échelle. On peut également trouver des déclarations selon lesquelles il croyait qu'une personne était morte du froid à 0°F et d'un coup de chaleur à
100°F. Enfin, ils disaient qu'il était membre de la loge franc-maçonnique avec ses 32 degrés d'initiation, et prenaient donc le point de fusion de la glace égal à ce nombre.

Après quelques essais et erreurs, Fahrenheit est parvenu à une échelle de température très utile. Le point d'ébullition de l'eau s'est avéré être égal à 212 °F sur l'échelle acceptée, et toute la plage de température de l'état liquide de l'eau correspondait à 180 °F. Cette échelle était justifiée par le manque valeurs négatives degrés.

Après avoir effectué une série de mesures précises, Fahrenheit a établi que le point d'ébullition varie en fonction de pression atmosphérique. Cela lui a permis de créer un hypsothermomètre, un appareil permettant de mesurer la pression atmosphérique en fonction du point d'ébullition de l'eau. Il a également été à l'avant-garde de la découverte du phénomène de surfusion des liquides.

Les travaux de Fahrenheit ont jeté les bases de la thermométrie, puis de la thermochimie et de la thermodynamique. L'échelle Fahrenheit a été adoptée comme officielle dans de nombreux pays (en Angleterre - depuis 1777), seulement température normale Le corps humain a été corrigé à 98,6 o F. Aujourd'hui, cette échelle n'est utilisée qu'aux États-Unis et en Jamaïque, ainsi que dans d'autres pays dans les années 1960 et 1970. j'ai opté pour l'échelle Celsius.

Le thermomètre a été introduit dans la pratique médicale généralisée par le professeur néerlandais de médecine, de botanique et de chimie, fondateur de la clinique scientifique Hermann Boerhaave (1668-1738), son élève Gerard van Swieten (1700-1772), le médecin autrichien Anton de Haen ( 1704-1776) et indépendamment par l'Anglais George Martin.

Le fondateur de l'École de médecine de Vienne, Jaen, a découvert que la température d'une personne en bonne santé augmente et diminue deux fois au cours de la journée. Partisan de la théorie de l'évolution, il a expliqué cela par le fait que les ancêtres humains - des reptiles qui vivaient près de la mer - modifiaient leur température en fonction du flux et du reflux de la marée. Cependant, ses œuvres furent longtemps oubliées.

Martin a écrit dans l'un de ses livres que ses contemporains se demandaient si le point de fusion de la glace changeait avec l'altitude et, pour établir la vérité, ils avaient transporté un thermomètre d'Angleterre en Italie.

Il n'est pas moins surprenant que des scientifiques devenus célèbres dans divers domaines de la connaissance se soient ensuite intéressés à la mesure de la température corporelle humaine : A. Lavoisier et P. Laplace, J. Dalton et G. Davy, D. Joule et P. Dulong, W. Thomson et A. Becquerel, J. Foucault et G. Helmholtz.

«Beaucoup de mercure a coulé sous les ponts» depuis. L'ère de presque trois cents ans d'utilisation généralisée des thermomètres à mercure semble bientôt se terminer en raison de la toxicité du métal liquide : dans les pays européens, où l'on accorde de plus en plus d'attention aux problèmes de sécurité humaine, des lois ont été adoptées pour limiter et interdire la production de tels thermomètres.

* Fondée à Florence en 1657 par les étudiants de Galilée sous le patronage de Ferdinand II de Médicis et de son frère Léopoldo, l'Académie du Ciment ne dura pas longtemps, mais devint le prototype de la Royal Society, de l'Académie des Sciences de Paris et d'autres académies européennes. . Il a été conçu pour promouvoir la connaissance scientifique et élargir les activités collectives pour son développement.

Réimprimé avec suite

Si la mécanique est devenue au XVIIIe siècle un domaine mature et bien défini des sciences naturelles, la science de la chaleur n’en a pour l’essentiel fait que ses premiers pas. Certainement, nouvelle approche l'étude des phénomènes thermiques a commencé au XVIIe siècle. Le thermoscope de Galilée et les thermomètres ultérieurs des académiciens florentins Guericke et Newton ont préparé le terrain sur lequel la thermométrie s'est développée dès le premier quart du nouveau siècle. Les thermomètres Fahrenheit, Delisle, Lomonossov, Réaumur et Celsius, différant les uns des autres par leurs caractéristiques de conception, déterminaient en même temps le type de thermomètre à deux points constants, qui est encore accepté aujourd'hui.

Dès 1703, l'académicien parisien Amonton (1663-1705) conçut un thermomètre à gaz dans lequel la température était déterminée à l'aide d'un tube manométrique relié à un réservoir de gaz de volume constant. Un appareil théoriquement intéressant, un prototype de thermomètres à hydrogène modernes, n'était pas pratique à des fins pratiques. Le souffleur de verre de Dantzig (Gdansk) Fahrenheit (1686-1736) produisait depuis 1709 des thermomètres à alcool à pointe constante. En 1714, il commença à produire des thermomètres à mercure. Fahrenheit a fixé le point de congélation de l'eau à 32°, le point d'ébullition de l'eau à 212°. Fahrenheit était considéré comme le point de congélation d'un mélange d'eau, de glace et d'ammoniaque ou de sel de table. Il n'a nommé le point d'ébullition de l'eau qu'en 1724 dans une publication imprimée. On ne sait pas s'il l'a utilisé auparavant.

Le zoologiste et métallurgiste français Réaumur (1683-1757) proposa un thermomètre à point zéro constant, pour lequel il prit le point de congélation de l'eau. Utilisant une solution d'alcool à 80 % comme corps thermométrique, et dans la version finale du mercure, il prit le point d'ébullition de l'eau comme deuxième point constant, le désignant comme le nombre 80. Réaumur décrit son thermomètre dans des articles publiés dans la revue du Académie des Sciences de Paris en 1730, 1731 gg.

Le test du thermomètre de Réaumur a été réalisé par l'astronome suédois Celsius (1701-1744), qui a décrit ses expériences en 1742. « Ces expériences, écrit-il, je les ai répétées pendant deux ans, pendant tous les mois d'hiver, sous des conditions météorologiques différentes. et divers changements dans l'état du baromètre, et je trouvai toujours exactement le même point sur le thermomètre. Non seulement j'ai placé le thermomètre dans de la glace fondante, mais j'ai aussi, par temps extrêmement froid, amené de la neige dans ma chambre sur le feu jusqu'à ce qu'elle commence à fondre. J'ai également placé un chaudron avec de la neige fondante avec un thermomètre dans un poêle chauffant et j'ai toujours constaté que le thermomètre indiquait le même point, si seulement la neige était bien serrée autour de la boule du thermomètre. Après avoir soigneusement vérifié la constance du point de fusion de la glace, Celsius a examiné le point d'ébullition de l'eau et a découvert qu'il dépendait de la pression. À la suite de ces recherches, un nouveau thermomètre est apparu, désormais connu sous le nom de thermomètre Celsius. Celsius a pris le point de fusion de la glace comme 100, le point d'ébullition de l'eau à une pression de 25 pouces 3 lignes de mercure comme 0. Le célèbre botaniste suédois Carl Linnaeus (1707-1788) a utilisé un thermomètre avec des valeurs réarrangées de points constants . O signifiait le point de fusion de la glace, 100 signifiait le point d'ébullition de l'eau. Ainsi, l’échelle Celsius moderne est essentiellement l’échelle linnéenne.

À l'Académie des sciences de Saint-Pétersbourg, l'académicien Delisle a proposé une échelle dans laquelle le point de fusion de la glace était égal à 150 et le point d'ébullition de l'eau à 0. L'académicien P. S. Pallas dans ses expéditions de 1768-1774. dans l'Oural et en Sibérie, j'ai utilisé le thermomètre Deli. M.V. Lomonossov a utilisé dans ses recherches un thermomètre qu'il a conçu avec une échelle inverse de celle de Deli.

Les thermomètres étaient principalement utilisés à des fins météorologiques et géophysiques. Lomonossov, qui a découvert l'existence dans l'atmosphère courants verticaux, étudiant la dépendance de la densité des couches atmosphériques à la température, fournit des données à partir desquelles il est possible de déterminer le coefficient de dilatation volumétrique de l'air, égal, selon ces données, à environ ]/367. Lomonossov a défendu avec passion la priorité de l'académicien de Saint-Pétersbourg Brown dans la découverte du point de congélation du mercure, qui, le 14 décembre 1759, a gelé pour la première fois le mercure à l'aide de mélanges réfrigérants. C'était température la plus basse atteint à ce moment-là.

Les températures les plus élevées (sans estimations quantitatives) ont été obtenues en 1772 par une commission de l'Académie des sciences de Paris sous la houlette du célèbre chimiste Lavoisier. Des températures élevées ont été obtenues à l'aide d'une lentille spécialement conçue. La lentille était assemblée à partir de deux lentilles concaves-convexes, dont l'espace était rempli d'alcool. Environ 130 litres d'alcool ont été versés dans une lentille d'un diamètre de 120 cm, son épaisseur atteignait 16 cm au centre. En focalisant les rayons du soleil, il était possible de faire fondre du zinc, de l'or et de brûler du diamant. Tant dans les expériences de Brown-Lomonosov, où le « réfrigérateur » était l'air d'hiver, que dans les expériences de Lavoisier, la source des températures élevées était le « poêle » naturel - le Soleil.

Le développement de la thermométrie a été le premier progrès scientifique et utilisation pratique dilatation thermique des corps. Naturellement, le phénomène de dilatation thermique lui-même a commencé à être étudié non seulement qualitativement, mais aussi quantitativement.Les premières mesures précises de la dilatation thermique solides ont été réalisées par Lavoisier et Laplace en 1782. Leur méthode a été longuement décrite dans les cours de physique, depuis le cours de Biot, 1819, et se terminant par le cours de physique d'O. D. Khvolson, 1923.

Une bandelette du corps testé a été placée d’abord dans de la glace fondante, puis dans de l’eau bouillante. Des données ont été obtenues pour différents types de verre, d'acier et de fer, ainsi que pour différents types d'or, de cuivre, de laiton, d'argent, d'étain, de plomb. Les scientifiques ont découvert que selon la méthode de préparation du métal, les résultats sont différents. Une bande d'acier non trempé augmente de 0,001079 par rapport à sa longueur d'origine lorsqu'elle est chauffée à 100°, et une bande d'acier trempé augmente de 0,001239. Pour le fer forgé, une valeur de 0,001220 a été obtenue, pour le fer étiré rond, elle était de 0,001235. Ces données donnent une idée de la précision de la méthode.

Ainsi, déjà dans la première moitié du XVIIIe siècle, des thermomètres furent créés et des mesures thermiques quantitatives commencèrent, portées à un haut degré de précision dans les expériences thermophysiques de Laplace et Lavoisier. Cependant, les concepts quantitatifs de base de la thermophysique ne se sont pas cristallisés immédiatement. Dans les travaux des physiciens de l'époque, il y avait une confusion considérable dans des concepts tels que « quantité de chaleur », « degré de chaleur », « degré de chaleur ». La nécessité de distinguer les notions de température et de quantité de chaleur a été soulignée en 1755 par I. G. Lambert (1728-1777). Cependant, ses instructions ne furent pas appréciées par ses contemporains et le développement de concepts corrects fut lent.

Les premières approches de la calorimétrie sont contenues dans les travaux des académiciens de Saint-Pétersbourg G.V. Kraft et G.V. Richman (1711-1753). L'article de Craft « Différentes expériences avec la chaleur et le froid », présenté à la Conférence de l'Académie en 1744 et publié en 1751, traite du problème de la détermination de la température d'un mélange de deux portions de liquide prises à des températures différentes. Ce problème était souvent appelé « problème de Richmann » dans les manuels scolaires, bien que Richmann ait résolu un problème plus général et plus complexe que Kraft. Kraft a donné une formule empirique incorrecte pour résoudre le problème.

Nous trouvons une approche complètement différente pour résoudre le problème chez Richman. Dans l'article « Réflexions sur la quantité de chaleur qu'il convient d'obtenir en mélangeant des liquides ayant certains degrés de chaleur », publié en 1750, Richmann pose le problème de la détermination de la température d'un mélange de plusieurs (et non de deux, comme dans Kraft) liquides et le résout sur la base du principe du bilan thermique. « Supposons, dit Richman, que la masse du liquide soit égale à a ; la chaleur distribuée dans cette masse est égale à m ; que l'autre masse, dans laquelle la même chaleur m est distribuée que dans la masse a, soit égale à a + b. Alors la chaleur résultante

est égal à am/(a+b). Richmann entend ici la température par « chaleur », mais le principe qu'il formule selon lequel « la même chaleur est inversement proportionnelle aux masses sur lesquelles elle se répartit » est purement calorimétrique. « Ainsi, écrit Richmann, la chaleur de la masse a, égale à m, et la chaleur de la masse b, égale à n, sont uniformément réparties sur la masse a + b, et la chaleur dans cette masse, c'est-à-dire dans un mélange de a et b, doit être égal à la somme des chaleurs m + n réparties dans la masse a + b, ou égale à (ma + nb) / (a ​​​​+ b) . Cette formule est apparue dans les manuels scolaires sous le nom de « formule de Richmann ». "Afin d'obtenir une formule plus générale", poursuit Richman, "par laquelle il serait possible de déterminer le degré de chaleur lors du mélange de 3, 4, 5, etc. masses du même liquide, ayant des degrés de chaleur différents, je appelé ces masses a, b, c, d, e, etc., et les chaleurs correspondantes sont m, n, o, p, q, etc. De la même manière, j'ai supposé que chacune d'elles est répartie sur la totalité de toutes les masses. En conséquence, « la chaleur après mélange de toutes les masses chaudes est égale à :

(am + bп + с + dp + eq) etc./(a + b + c+d + e) ​​​​​​etc.

c'est-à-dire que la somme des masses liquides, sur lesquelles la chaleur des masses individuelles est uniformément répartie lorsqu'elles sont mélangées, est liée à la somme de tous les produits de chaque masse par sa chaleur de la même manière que l'unité l'est à la chaleur du mélange. »

Richmann ne maîtrisait pas encore le concept de quantité de chaleur, mais il écrivit et justifia logiquement une formule calorimétrique tout à fait correcte. Il découvrit facilement que sa formule s'accordait mieux avec l'expérience que celle de Krafg. Il a correctement établi que ses « chaleurs » n’étaient « pas de la chaleur réelle, mais la chaleur excessive du mélange par rapport à zéro degré Fahrenheit ». Il a clairement compris que : 1. « La chaleur du mélange se répartit non seulement dans sa masse elle-même, mais aussi le long des parois du récipient et du thermomètre lui-même. 2. « La chaleur du thermomètre et la chaleur du récipient sont réparties dans tout le mélange, le long des parois du récipient dans lequel se trouve le mélange et dans tout le thermomètre. » 3. "Une partie de la chaleur du mélange, pendant la durée de l'expérience, passe dans l'air ambiant..."

Richman a formulé avec précision les sources d'erreurs dans les expériences calorimétriques, a indiqué les raisons de la divergence entre la formule de Kraft et l'expérience, c'est-à-dire qu'il a jeté les bases de la calorimétrie, bien qu'il n'ait pas encore abordé le concept de quantité de chaleur. Les travaux de Richmann furent poursuivis par l'académicien suédois Johann Wilcke (1732-1796) et le chimiste écossais Joseph Black (1728-1799). Les deux scientifiques, s’appuyant sur la formule de Richmann, ont jugé nécessaire d’introduire de nouveaux concepts dans la science. Wilke, en étudiant la chaleur d'un mélange d'eau et de neige en 1772, découvrit qu'une partie de la chaleur disparaissait. Il en vint ainsi au concept de chaleur latente de fonte des neiges et à la nécessité d'introduire un nouveau concept, appelé plus tard "capacité thermique."

Black, qui n’a pas publié ses résultats, est arrivé à la même conclusion. Ses recherches n'ont été publiées qu'en 1803, puis on a appris que Black était le premier à distinguer clairement les concepts de quantité de chaleur et de température, et le premier à introduire le terme « capacité thermique ». En 1754-1755, Black découvrit non seulement la constance du point de fusion de la glace, mais aussi que le thermomètre restait à la même température, malgré l'afflux de chaleur, jusqu'à ce que toute la glace ait fondu. De là, Black est arrivé au concept de chaleur latente de fusion. Plus tard, il a établi le concept de chaleur latente de vaporisation. Ainsi, dans les années 70 du XVIIIe siècle, les concepts calorimétriques de base étaient établis. Ce n’est que presque cent ans plus tard (en 1852) que fut introduite l’unité de quantité de chaleur, qui reçut bien plus tard le nom de « calorie ». Clausius parle aussi simplement de l'unité de chaleur et n'utilise pas le terme « calorie ».)

En 1777, Lavoisier et Laplace, après avoir construit un calorimètre à glace, déterminèrent les capacités thermiques spécifiques de différents corps. La qualité première d'Aristote, la chaleur, commença à être étudiée par des expériences précises.

Des théories scientifiques sur la chaleur sont également apparues. L'un des concepts les plus courants (Black y a également adhéré) est la théorie d'un fluide thermique spécial - calorique. L’autre, dont Lomonossov était un fervent partisan, considérait la chaleur comme une sorte de mouvement de « particules insensibles ». La notion de calorique était très bien adaptée à la description des faits calorimétriques : la formule de Richmann et les formules ultérieures prenant en compte la chaleur latente pouvaient être parfaitement expliquées. De ce fait, la théorie du calorique dominait jusqu'au milieu du XIXe siècle, lorsque la découverte de la loi de conservation de l'énergie a obligé les physiciens à revenir au concept développé avec succès par Lomonosov cent ans avant la découverte de cette loi.

L’idée selon laquelle la chaleur est une forme de mouvement était très courante au XVIIe siècle. F. Bacon, dans le Nouvel Organon, appliquant sa méthode à l'étude de la nature de la chaleur, arrive à la conclusion que « la chaleur est un mouvement de propagation, entravé et se produisant par petites parties ». Descartes parle plus spécifiquement et clairement de la chaleur comme du mouvement de petites particules. Considérant la nature du feu, il arrive à la conclusion que « le corps de la flamme... est composé de minuscules particules, se déplaçant très rapidement et violemment les unes par rapport aux autres ». Il précise en outre que « seul ce mouvement, selon les différentes actions qu’il produit, est appelé soit chaleur, soit lumière ». Passant au reste des corps, il affirme « que les petites particules qui n'arrêtent pas leur mouvement sont présentes non seulement dans le feu, mais aussi dans tous les autres corps, bien que dans ces derniers leur action ne soit pas si forte, et en raison de leur De petite taille, ils ne peuvent eux-mêmes être remarqués par aucun de nos sens.

L'atomisme dominait les conceptions physiques des scientifiques et des penseurs du XVIIe siècle. Hooke, Huygens, Newton imaginaient tous les corps de l’Univers comme étant constitués de minuscules particules, « insensibles », comme les appellera brièvement plus tard Lomonossov. Le concept de chaleur comme forme de mouvement de ces particules semblait tout à fait raisonnable aux scientifiques. Mais ces idées sur la chaleur étaient de nature qualitative et reposaient sur une base factuelle très maigre. Au XVIIIe siècle les connaissances sur les phénomènes thermiques sont devenues plus précises et plus précises ; la chimie a également fait de grands progrès, dans lesquels la théorie du phlogistique, avant la découverte de l'oxygène, a permis de comprendre les processus de combustion et d'oxydation. Tout cela a contribué à l'assimilation d'un nouveau point de vue sur la chaleur en tant que substance particulière, et les premiers succès de la calorimétrie ont renforcé la position des partisans du calorique. Il a fallu un grand courage scientifique pour développer la théorie cinétique de la chaleur dans cette situation.

La théorie cinétique de la chaleur se combine naturellement avec la théorie cinétique de la matière, et surtout de l'air et de la vapeur. Les gaz (le mot « gaz » a été introduit par Van Helmont ; 1577-1644) n’avaient pas encore été découverts, et même Lavoisier considérait la vapeur comme une combinaison d’eau et de feu. Lomonosov lui-même, observant la dissolution du fer dans la vodka forte (acide nitrique), croyait

bulles d'azote libérées par l'air. Ainsi, à l’époque de Lomonossov, l’air et la vapeur étaient presque les seuls gaz – des « liquides élastiques », selon la terminologie de l’époque.

D. Bernoulli, dans son « Hydrodynamique », imaginait l'air comme étant constitué de particules se déplaçant « extrêmement rapidement dans diverses directions », et croyait que ces particules formaient un « fluide élastique ». Bernoulli a justifié la loi de Boyle-Mariotte avec son modèle de « fluide élastique ». Il a établi un lien entre la vitesse de déplacement des particules et le chauffage de l'air et a ainsi expliqué l'augmentation de l'élasticité de l'air lorsqu'il est chauffé. Ce fut la première tentative dans l'histoire de la physique d'interpréter le comportement des gaz par le mouvement des molécules, une tentative sans aucun doute brillante, et Bernoulli resta dans l'histoire de la physique comme l'un des fondateurs théorie cinétique des gaz

Six ans après la publication de Hydrodynamique, Lomonossov a présenté à l'Assemblée académique son ouvrage « Réflexions sur la cause de la chaleur et du froid ». Il fut publié seulement six ans plus tard, en 1750, avec un autre ouvrage ultérieur, « Une expérience dans la théorie de l'élasticité de l'air ». Ainsi, la théorie de Lomonossov sur l'élasticité des gaz est inextricablement liée à sa théorie de la chaleur et repose sur cette dernière.

D. Bernoulli a également accordé une grande attention aux questions de chaleur, en particulier à la question de la dépendance de la densité de l'air à la température. Sans se limiter à se référer aux expériences d'Amonton, il a lui-même tenté de déterminer expérimentalement la dépendance de l'élasticité de l'air à la température. «J'ai découvert», écrit Bernoulli, «que l'élasticité de l'air, qui était très froid ici à Saint-Pétersbourg le 25 décembre 1731, art. L’art., se réfère à l’élasticité du même air, qui a la même chaleur que l’eau bouillante, comme 523 à 1000. » Cette valeur de Bernoulli est clairement incorrecte, puisqu'elle suppose que la température de l'air froid correspond à - 78°C.

Les calculs similaires de Lomonosov mentionnés ci-dessus sont beaucoup plus précis. Mais le résultat final de Bernoulli est très remarquable : « les élasticités sont dans le rapport composé du carré des vitesses des particules et de la puissance première des densités », ce qui est tout à fait cohérent avec l'équation de base de la théorie cinétique des gaz dans l'économie moderne. présentation.

Bernoulli n’a pas du tout abordé la question de la nature de la chaleur, qui était au cœur de la théorie de Lomonossov. Lomonossov émet l'hypothèse que la chaleur est une forme de mouvement de particules insensibles. Il considère la nature possible de ces mouvements : mouvement de translation, de rotation et d'oscillation - et affirme que « la chaleur consiste dans le mouvement de rotation interne de la matière liée ».

Ayant accepté comme prémisse initiale l'hypothèse du mouvement de rotation des molécules comme cause de la chaleur, Lomonossov en déduit un certain nombre de conséquences : 1) les molécules (corpuscules) ont une forme sphérique ; 2) « ... avec une rotation plus rapide des particules de matière liée, la chaleur devrait augmenter, et avec une rotation plus lente, elle devrait diminuer ; 3) les particules de corps chauds tournent plus rapidement, les particules de corps froids tournent plus lentement ; 4) les corps chauds doivent refroidir au contact des corps froids, car cela ralentit le mouvement calorifique des particules ; au contraire, les corps froids doivent s’échauffer en raison de l’accélération du mouvement au contact. Ainsi, la transition de chaleur d’un corps chaud à un corps froid observée dans la nature est une confirmation de l’hypothèse de Lomonossov.

Le fait que Lomonossov ait désigné le transfert de chaleur comme l'une des principales conséquences est très significatif, et certains auteurs y voient une base pour classer Lomonossov comme le découvreur de la deuxième loi de la thermodynamique. Il est peu probable, cependant, que l'énoncé ci-dessus puisse être considéré comme la formulation principale de la deuxième loi, mais l'ensemble de l'ouvrage est sans aucun doute la première esquisse de la thermodynamique. Ainsi, Lomonossov y explique la formation de chaleur lors du frottement, qui a servi de base expérimentale à la première loi dans les expériences classiques de Joule. Lomonosov en outre, abordant la question de la transition de la chaleur d'un corps chaud à un corps froid, se réfère à la position suivante : « Le corps A, agissant sur le corps B, ne peut pas donner à ce dernier une vitesse de mouvement supérieure à celle qu'il a lui-même. .» Cette position est un cas spécifique de la « loi universelle de conservation ». Partant de cette position, il prouve qu’un corps froid B, immergé dans un liquide chaud A, « ne peut évidemment pas percevoir un degré de chaleur plus élevé que celui de A ».

Lomonossov reporte la question de la dilatation thermique « à un autre moment », jusqu'à ce qu'il considère l'élasticité de l'air. Ses travaux thermodynamiques sont donc directement adjacents à ses travaux ultérieurs sur l'élasticité des gaz. Cependant, parlant de son intention de reporter l'examen de la dilatation thermique « à un autre moment », Lomonosov souligne ici également que puisqu'il n'y a pas de limite supérieure à la vitesse des particules (la théorie de la relativité n'existe pas encore !), alors il y a il n’y a pas de limite supérieure à la température. Mais « il doit nécessairement y avoir un degré de froid plus grand et final, qui doit consister en la cessation complète du mouvement de rotation des particules ». Lomonossov affirme donc l’existence du « dernier degré de froid » – le zéro absolu.

En conclusion, Lomonosov critique la théorie du calorique, qu’il considère comme une rechute de l’idée ancienne du feu élémentaire. Analysant divers phénomènes, à la fois physiques et chimiques, associés à la libération et à l'absorption de chaleur, Lomonossov conclut que « la chaleur des corps ne peut être attribuée à la condensation d'une matière mince spécialement conçue, mais que la chaleur consiste dans le mouvement de rotation interne de la matière connexe des corps chauffés. Par matière « liée », Lomonossov entend la matière des particules de corps, la distinguant de la matière « coulante », qui peut couler « comme une rivière » à travers les pores d'un corps.

Dans le même temps, Lomonossov a inclus l'éther mondial dans son système thermodynamique, bien en avance non seulement sur son époque, mais aussi sur le XIXe siècle. « Ainsi, poursuit Lomonosov, non seulement nous disons que ce mouvement et cette chaleur sont également caractéristiques de la matière la plus subtile de l'éther, qui remplit tous les espaces qui ne contiennent pas de corps sensibles, mais nous affirmons également que la matière de l'éther peut transmettre le mouvement calorifique reçu du soleil à notre terre et au reste des corps du monde et les chauffer, étant le moyen par lequel les corps éloignés les uns des autres transmettent de la chaleur sans l'intermédiaire de quoi que ce soit de tangible.

Ainsi, Lomonossov, bien avant Boltzmann, Golitsyn et Wien, a inclus le rayonnement thermique dans la thermodynamique. La thermodynamique de Lomonossov est une réalisation remarquable de la pensée scientifique du XVIIIe siècle, bien en avance sur son temps.

La question se pose : pourquoi Lomonossov a-t-il refusé de considérer le mouvement de translation thermique des particules, mais s'est arrêté sur le mouvement de rotation ? Cette hypothèse a considérablement affaibli son travail et la théorie de D. Bernoulli s'est rapprochée beaucoup plus des études ultérieures de Clausius et Maxwell que de la théorie de Lomonossov. Lomonossov avait des réflexions très profondes à ce sujet. Il devait expliquer des choses aussi contradictoires que la cohésion et l’élasticité, la cohérence des particules corporelles et la capacité des corps à se dilater. Lomonosov était un ardent opposant aux forces à longue portée et ne pouvait pas y recourir lorsqu'il s'agissait de considérer la structure moléculaire des corps. Il ne voulait pas non plus réduire l'explication de l'élasticité des gaz aux impacts élastiques des particules, c'est-à-dire expliquer l'élasticité par l'élasticité. Il recherchait un mécanisme qui expliquerait l'élasticité et la dilatation thermique de la manière la plus naturelle possible. Dans son ouvrage « Une expérience dans la théorie de l'élasticité de l'air », il rejette l'hypothèse de l'élasticité des particules elles-mêmes, qui, selon Lomonossov, « sont dépourvues de toute composition physique et structure organisée... » et sont des atomes. Par conséquent, la propriété d’élasticité n’est pas présentée par des particules individuelles qui n’ont aucune complexité physique ni structure organisée, mais est produite par un ensemble de celles-ci. Ainsi, selon Lomonossov, l'élasticité du gaz (air) est « une propriété d'un collectif d'atomes ». Les atomes eux-mêmes, selon Lomonossov, « doivent être solides et avoir une extension », et il considère leur forme « très proche » de la sphérique. Le phénomène de chaleur résultant du frottement l’oblige à accepter l’hypothèse selon laquelle « les atomes de l’air sont rugueux ». Le fait que l’élasticité de l’air soit proportionnelle à la densité amène Lomonossov à conclure « qu’elle provient d’une interaction directe de ses atomes ». Mais les atomes, selon Lomonossov, ne peuvent pas agir à distance, mais agissent uniquement au contact. La compressibilité de l’air prouve la présence d’espaces vides qui rendent impossible l’interaction des atomes. De là, Lomonossov arrive à une image dynamique, lorsque l'interaction des atomes est remplacée dans le temps par la formation d'un espace vide entre eux, et la séparation spatiale des atomes est remplacée par le contact. « Il est donc évident que les atomes individuels de l’air, en alternance désordonnée, entrent en collision avec les plus proches à des intervalles de temps insensibles, et que lorsque les uns sont en contact, d’autres rebondissent les uns sur les autres et entrent en collision avec ceux qui leur sont les plus proches. pour rebondir à nouveau ; Ainsi, continuellement éloignés les uns des autres par de fréquents chocs mutuels, ils tendent à se disperser dans toutes les directions. Lomonossov voit une élasticité dans cette diffusion dans toutes les directions. "La force d'élasticité consiste dans la tendance de l'air à se propager dans toutes les directions."

Il est cependant nécessaire d’expliquer pourquoi les atomes rebondissent les uns sur les autres lorsqu’ils interagissent. La raison en est, selon Lomonossov, le mouvement thermique : « L’interaction des atomes d’air est provoquée uniquement par la chaleur. » Et puisque la chaleur consiste dans le mouvement de rotation des particules, pour expliquer leur répulsion, il suffit de considérer ce qui se passe lorsque deux particules rugueuses sphériques en rotation entrent en contact. Lomonossov montre qu'ils s'éloigneront les uns des autres, et illustre cela avec l'exemple du rebond des toupies (« éperdument ») que les garçons lancent sur la glace, qu'il connaît depuis son enfance. Lorsque ces toupies entrent en contact, elles rebondissent les unes sur les autres sur des distances considérables. Ainsi, selon Lomonossov, les collisions élastiques d'atomes sont causées par l'interaction de leurs moments de rotation. C'est pourquoi il avait besoin de l'hypothèse du mouvement de rotation thermique des particules ! Ainsi, Lomonossov a complètement étayé le modèle d'un gaz élastique constitué de particules se déplaçant et entrant en collision de manière chaotique.

Ce modèle a permis à Lomonossov non seulement d'expliquer la loi de Boyle-Mariotte, mais également de prédire ses écarts sous de fortes compressions. Une explication de la loi et des écarts par rapport à celle-ci a été donnée par Lomonossov dans son ouvrage « Addition aux réflexions sur l'élasticité de l'air », publié dans le même volume des « Nouveaux commentaires » de l'Académie des sciences de Saint-Pétersbourg dans lequel les deux précédents des ouvrages ont été publiés. Dans les œuvres de Lomonosov, il y a aussi des déclarations incorrectes, qui peuvent être pleinement expliquées par le niveau de connaissance de l'époque. Mais ils ne déterminent pas l’importance du travail d’un scientifique. On ne peut s’empêcher d’admirer le courage et la profondeur de la pensée scientifique de Lomonosov, qui, aux balbutiements de la science de la chaleur, a créé un concept théorique puissant et bien en avance sur son époque. Les contemporains n'ont pas suivi le chemin de Lomonossov ; dans la théorie de la chaleur, comme on l'a dit, régnait le calorique ; la pensée physique du XVIIIe siècle exigeait diverses substances : thermique, lumineuse, électrique, magnétique. Ceci est généralement considéré comme la nature métaphysique de la pensée des naturalistes du XVIIIe siècle et une partie de sa nature réactionnaire. Mais pourquoi est-ce devenu ainsi ? Il semble que la raison en soit liée aux progrès des sciences naturelles exactes. Au XVIIIe siècle appris à mesurer la chaleur, la lumière, l'électricité, le magnétisme. Des mesures ont été trouvées pour tous ces agents, comme on en a trouvé autrefois pour les masses et les volumes ordinaires. Ce fait a rapproché les agents en apesanteur des masses et des liquides ordinaires et les a obligés à être considérés comme un analogue des liquides ordinaires. Le concept d'« apesanteur » a été une étape nécessaire dans le développement de la physique ; il a permis de pénétrer plus profondément dans le monde des phénomènes thermiques, électriques et magnétiques. Elle a contribué au développement d'une expérimentation précise, à l'accumulation de nombreux faits et à leur interprétation primaire.

Échelles de température. Il existe plusieurs échelles de température graduées et les températures de congélation et d’ébullition de l’eau sont généralement prises comme points de référence. Aujourd’hui, l’échelle la plus courante dans le monde est l’échelle Celsius. En 1742, l'astronome suédois Anders Celsius a proposé une échelle de thermomètre de 100 degrés dans laquelle 0 degré est le point d'ébullition de l'eau à pression atmosphérique normale et 100 degrés est la température de fonte de la glace. La division d'échelle est de 1/100 de cette différence. Lorsque les thermomètres ont commencé à être utilisés, il s’est avéré plus pratique d’échanger 0 et 100 degrés. Peut-être que Carl Linnaeus y a participé (il a enseigné la médecine et les sciences naturelles à la même université d'Uppsala où Celsius enseignait l'astronomie) qui, en 1838, a proposé de prendre la température de fonte de la glace à 0, mais il semble qu'il n'ait pas pensé à un deuxième point de référence. . Aujourd’hui, l’échelle Celsius a quelque peu changé : 0°C est toujours considéré comme la température de fonte de la glace à pression normale, qui ne dépend pas beaucoup de la pression. Mais le point d'ébullition de l'eau à pression atmosphérique est désormais de 99 975°C, ce qui n'affecte pas la précision des mesures de presque tous les thermomètres, à l'exception de ceux de précision particulière. On connaît également les échelles de température Fahrenheit de Kelvin Réaumur et d'autres. L'échelle de température Fahrenheit (dans la deuxième version adoptée depuis 1714) comporte trois points fixes : 0° correspond à la température d'un mélange d'eau glacée et d'ammoniaque 96° - le corps température d'une personne saine (sous l'aisselle ou dans la bouche). La température de référence pour comparer les différents thermomètres a été prise à 32° pour le point de fusion de la glace. L’échelle Fahrenheit est répandue dans les pays anglophones, mais elle n’est quasiment jamais utilisée dans la littérature scientifique. Pour convertir la température Celsius (°C) en température Fahrenheit (°F), il existe une formule °F = (9/5)°C + 32 et pour la conversion inverse, il existe une formule °C = (5/9)(° F-32) ). Les deux échelles - Fahrenheit et Celsius - sont très gênantes lorsque l'on mène des expériences dans des conditions où la température descend en dessous du point de congélation de l'eau et est exprimée sous la forme d'un nombre négatif. Pour de tels cas, des échelles de température absolues ont été introduites, basées sur une extrapolation jusqu'au zéro absolu - le point auquel le mouvement moléculaire devrait s'arrêter. L’une d’elles s’appelle l’échelle de Rankine et l’autre est l’échelle thermodynamique absolue ; les températures sont mesurées en degrés Rankine (°Ra) et kelvins (K). Les deux échelles commencent au zéro absolu et le point de congélation de l'eau correspond à 491 7° R et 273 16 K. Le nombre de degrés et de kelvins entre les points de congélation et d'ébullition de l'eau sur l'échelle Celsius et l'échelle thermodynamique absolue est le même et égal à 100 ; pour les échelles Fahrenheit et Rankine, c'est également la même mais égale à 180. Les degrés Celsius sont convertis en kelvins en utilisant la formule K = °C + 273 16 et les degrés Fahrenheit sont convertis en degrés Rankine en utilisant la formule °R = °F + 459. 7. est courante en Europe depuis longtemps. L'échelle de Réaumur introduite en 1730 par René Antoine de Réaumur. Elle n'est pas construite arbitrairement comme l'échelle Fahrenheit, mais en fonction de la dilatation thermique de l'alcool (dans un rapport de 1000 : 1080). 1 degré Réaumur est égal à 1/80 de l'intervalle de température entre les points de fonte de la glace (0°R) et de l'eau bouillante (80°R) soit 1°R = 1,25°C 1°C = 0,8°R. mais est maintenant tombé en désuétude.

Celsius et Fahrenheit.

La température en Russie a toujours été mesurée en degrés Celsius. Tout le monde comprend qu'il fait chaud à + 27°C, mais à - 35°C tu n'es pas obligé d'aller à l'école... Si tu prends ta température et que le thermomètre indique 36,6°C, alors tu ne peux pas éviter un test , tu ne peux pas faire semblant d'être malade.

Mais aux États-Unis ou en Angleterre, personne ne sait comment utiliser nos thermomètres, car là-bas, ils mesurent la température en degrés Fahrenheit. Pourquoi?

Il arrive qu’un même problème scientifique soit développé indépendamment par différents scientifiques. Ainsi, au XVIIIe siècle, plusieurs scientifiques ont travaillé presque simultanément pour étudier les propriétés de la température, et chacun d'eux a créé sa propre échelle ; aujourd'hui, seules deux échelles de température sont utilisées partout : Celsius et Fahrenheit.

Daniel Gabriel Fahrenheit était un physicien allemand engagé dans la fabrication d'instruments et d'instruments physiques. Il a inventé les thermomètres à alcool et à mercure. J'ai créé ma propre échelle de température.

Anders Celsius - astronome et physicien suédois. Celsius a été le premier à mesurer la luminosité des étoiles et à établir la relation entre les aurores boréales et les fluctuations du champ magnétique terrestre. J'ai créé ma propre échelle de température.

En quoi ces échelles de température diffèrent-elles les unes des autres ?

Lorsque Fahrenheit a conçu son échelle de température, il voulait qu'elle soit aussi pratique que possible pour les humains et qu'elle n'ait pas de valeurs négatives. Par conséquent, pour l’extrémité inférieure de l’échelle, il a choisi la température la plus basse connue à l’époque – le point de fusion d’un mélange de neige et d’ammoniac – et l’a désignée 0 °F (« zéro » degré Fahrenheit).

Celsius a introduit 0˚С (Celsius) - c'est la température à laquelle l'eau gèle et la glace fond, et 100˚C est le point d'ébullition de l'eau.

Les thermomètres « Fahrenheit » et « Celsius » se sont avérés très différents :

Il existe différentes formules qui peuvent être utilisées pour convertir les degrés Celsius en Fahrenheit et vice versa. Mais généralement personne ne les utilise – pourquoi ? Après tout, aujourd'hui, dans n'importe quel pays du monde, vous pouvez acheter votre thermomètre habituel, de nombreux thermomètres sont marqués sur les deux échelles à la fois et sur Internet, les prévisions météorologiques sont publiées dans différentes unités de mesure !

Mais d'après le titre de ce livre de l'écrivain de science-fiction Ray Bradbury, le monde entier connaît exactement la température de combustion du papier - 451 o Fahrenheit.

Thermomètre

Thermomètre (grec θέρμη - chaleur ; μετρέω - mesure) - un appareil pour mesurer la température de l'air, du sol, de l'eau, etc. Il existe plusieurs types de thermomètres :liquide; mécanique; électronique; optique; gaz; infrarouge.

Galilée est généralement considéré comme l'inventeur du thermomètre : il n'y a aucune description de cet appareil dans ses propres écrits, mais ses élèves, Nelli et Viviani, ont témoigné que déjà en 1597 il avait fabriqué quelque chose comme un thermobaroscope (thermoscope). Galilée étudiait à cette époque les travaux de Héron d'Alexandrie, qui avait déjà décrit un dispositif similaire, mais non pour mesurer les degrés de chaleur, mais pour faire monter l'eau par chauffage. Le thermoscope était une petite boule de verre sur laquelle était soudé un tube de verre. La balle a été légèrement chauffée et l'extrémité du tube a été descendue dans un récipient contenant de l'eau. Après un certain temps, l'air contenu dans la boule s'est refroidi, sa pression a diminué et l'eau, sous l'influence de la pression atmosphérique, s'est élevée dans le tube jusqu'à une certaine hauteur. Par la suite, avec le réchauffement, la pression de l'air dans la boule a augmenté et le niveau d'eau dans le tube a diminué à mesure qu'il refroidissait, mais l'eau qu'il contenait a augmenté. À l'aide d'un thermoscope, il était possible de juger uniquement de l'évolution du degré d'échauffement du corps : il n'affichait pas de valeurs numériques de température, car il n'avait pas d'échelle. De plus, le niveau d’eau dans le tube dépendait non seulement de la température, mais aussi de la pression atmosphérique. En 1657, le thermoscope de Galilée fut amélioré par des scientifiques florentins. Ils ont équipé l'appareil d'une balance à billes et ont pompé l'air du réservoir (balle) et du tube. Cela a permis non seulement de comparer qualitativement, mais aussi quantitativement les températures corporelles. Par la suite, le thermoscope a été changé : il a été retourné, du cognac a été versé dans le tube à la place de l'eau et le récipient a été retiré. L'action de cet appareil était basée sur l'expansion des corps ; les températures estivales les plus chaudes et les plus froides étaient prises comme points « constants ». Jour d'hiver. Tous ces thermomètres étaient des thermomètres à air et consistaient en un récipient avec un tube contenant de l'air séparé de l'atmosphère par une colonne d'eau ; ils changeaient leurs lectures à la fois en fonction des changements de température et des changements de pression atmosphérique.

Les thermomètres à liquide ont été décrits pour la première fois en 1667 « Saggi di naturale esperienze fatte nell'Accademia del Cimento », où ils sont décrits comme des objets fabriqués depuis longtemps par des artisans qualifiés, appelés « Confia », qui chauffent le verre sur le soufflé le feu d'une lampe et en faisait des produits étonnants et très délicats. Au début, ces thermomètres étaient remplis d'eau, mais ils éclataient lorsqu'elle gelait ; L'utilisation de l'alcool de vin à cette fin a commencé en 1654 à l'initiative du grand-duc de Toscane Ferdinand II. Les thermomètres florentins ont été conservés en plusieurs exemplaires à ce jour au Musée Galiléen de Florence ; leur préparation est décrite en détail.

Tout d'abord, le maître devait faire des divisions sur le tube, en tenant compte de ses tailles relatives et des dimensions de la boule : les divisions étaient appliquées avec de l'émail fondu sur le tube chauffé dans une lampe, chaque dixième était indiqué par un point blanc, et les autres en noir. Habituellement, 50 divisions étaient faites pour que lorsque la neige fondait, l'alcool ne descende pas en dessous de 10 et qu'au soleil il ne dépasse pas 40. Bons maîtres Ils ont fabriqué de tels thermomètres avec un tel succès qu'ils indiquaient tous la même valeur de température dans les mêmes conditions, mais cela ne pourrait pas être réalisé si le tube était divisé en 100 ou 300 parties afin d'obtenir une plus grande précision. Les thermomètres étaient remplis en chauffant la bille et en plongeant l'extrémité du tube dans l'alcool ; le remplissage était complété à l'aide d'un entonnoir en verre dont l'extrémité fine s'inscrivait librement dans un tube assez large. Après avoir ajusté la quantité de liquide, l'ouverture du tube a été bouchée avec de la cire à cacheter, appelée « mastic ». Il ressort clairement de cela que ces thermomètres étaient grands et pouvaient être utilisés pour déterminer la température de l'air, mais ils n'étaient toujours pas pratiques pour d'autres expériences plus diverses, et les degrés des différents thermomètres n'étaient pas comparables entre eux.

Thermomètre de Galilée

En 1703, Guillaume Amontons perfectionne à Paris le thermomètre à air, mesurant non la dilatation, mais l'augmentation de l'élasticité de l'air réduit au même volume à différentes températures en versant du mercure dans un coude ouvert ; la pression barométrique et ses changements ont été pris en compte. Le zéro d'une telle échelle était censé être « ce degré de froid significatif » auquel l'air perd toute son élasticité (c'est-à-dire le degré de froid moderne). zéro absolu), et le deuxième point constant est le point d’ébullition de l’eau. L'effet de la pression atmosphérique sur le point d'ébullition n'était pas encore connu d'Amonton, et l'air de son thermomètre n'était pas débarrassé des gaz de l'eau ; par conséquent, à partir de ses données, le zéro absolu est obtenu à −239,5° Celsius. Un autre thermomètre à air d'Amonton, de fabrication très imparfaite, était indépendant des variations de la pression atmosphérique : c'était un baromètre à siphon dont le coude ouvert se prolongeait vers le haut, rempli d'une forte solution de potasse au fond, d'huile en haut et terminé dans un réservoir scellé avec de l'air.

Fahrenheit a donné au thermomètre sa forme moderne et a décrit sa méthode de préparation en 1723. Au début, il a également rempli ses tubes d'alcool et n'est finalement passé qu'au mercure. Il fixait le zéro de sa balance à la température d'un mélange de neige avec de l'ammoniaque ou du sel de table, à la température du « début de congélation de l'eau » il indiquait 32°, et la température corporelle d'une personne saine dans la bouche ou sous l'aisselle équivalait à 96°. Par la suite, il constata que l'eau bout à 212° et que cette température était toujours la même avec le même état du baromètre. Les exemples survivants de thermomètres Fahrenheit se distinguent par leur exécution méticuleuse.

Thermomètre à mercure avec échelle Fahrenheit

Les deux points constants, la fonte des glaces et l'eau bouillante, ont finalement été établis par l'astronome, géologue et météorologue suédois Anders Celsius en 1742. Mais il a initialement fixé 0° au point d'ébullition et 100° au point de congélation. Dans son ouvrage Celsius « Observations de deux degrés persistants sur un thermomètre » parle de ses expériences montrant que la température de fonte de la glace (100°) ne dépend pas de la pression. Il détermina également avec une précision étonnante la variation du point d’ébullition de l’eau en fonction de la pression atmosphérique. Il a suggéré que le repère 0 (le point d'ébullition de l'eau) puisse être calibré, savoir à quel niveau par rapport à la mer se situe le thermomètre.

Plus tard, après la mort de Celsius, ses contemporains et compatriotes, le botaniste Carl Linnaeus et l'astronome Morten Stremer, utilisèrent cette échelle inversée (ils commencèrent à prendre la température de fonte de la glace à 0° et le point d'ébullition de l'eau à 100°). Sous cette forme, la balance s'est avérée très pratique, s'est répandue et est utilisée encore aujourd'hui.

Les thermomètres à liquide sont basés sur le principe de la modification du volume de liquide versé dans le thermomètre (généralement de l'alcool ou du mercure) lorsque la température ambiante change. En raison de l'interdiction de l'utilisation du mercure en raison de ses risques pour la santé dans de nombreux domaines activités, une recherche est en cours pour des remplissages alternatifs pour les thermomètres domestiques. Par exemple, un tel remplacement pourrait être l'alliage Galinstan. D'autres types de thermomètres sont également de plus en plus utilisés.

Thermomètre médical à mercure

Les thermomètres mécaniques de ce type fonctionnent sur le même principe que les thermomètres à liquide, mais une spirale métallique ou un ruban bimétallique est généralement utilisé comme capteur.

Thermomètre mécanique de fenêtre

Il existe également des thermomètres électroniques. Le principe de fonctionnement des thermomètres électroniques est basé sur la modification de la résistance des conducteurs lorsque la température ambiante change. Les thermomètres électroniques à plage plus large sont basés sur des thermocouples (contact entre des métaux avec des électronégativité crée une différence de potentiel de contact qui dépend de la température). Les plus précis et les plus stables dans le temps sont les thermomètres à résistance à base de fil de platine ou de revêtement de platine sur céramique. Les plus utilisés sont le PT100 (résistance à 0 °C - 100 Ω) et le PT1000 (résistance à 0 °C - 1000 Ω) (IEC751). La dépendance à la température est presque linéaire et obéit à une loi quadratique aux températures positives et à une équation du quatrième degré aux températures négatives (les constantes correspondantes sont très petites, et en première approximation cette dépendance peut être considérée comme linéaire). Plage de température −200 - +850 °C.

Thermomètre électronique médical

Les thermomètres optiques vous permettent d'enregistrer la température en modifiant le niveau de luminosité, le spectre et d'autres paramètres lorsque la température change. Par exemple, les thermomètres infrarouges. Un thermomètre infrarouge permet de mesurer la température sans contact direct avec une personne. Dans certains pays, on a depuis longtemps tendance à abandonner les thermomètres à mercure au profit des thermomètres infrarouges, non seulement dans les établissements médicaux, mais aussi au niveau domestique.

Thermomètre infrarouge