Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2005 № 02
Первую шкалу придумал немецкий физик Габриэль Фаренгейт. Он же, кстати, в 1709 году изобрел распространенный поныне спиртовый термометр, а пять лет спустя и всем известный медицинский ртутный градусник. Но если градусниками Фаренгейта многие пользуются и по сей день, то с его шкалой получилась некая неувязка. Точку замерзания воды он почему-то принял за 32 градуса, а точку ее кипения — за 212. Шведский астроном Андерс Цельсий в 1742 году предложил иную, более логичную, шкалу. Точка замерзания воды, по его мнению, равнялась 100 градусам, а точка кипения — нулю. С ним согласились, правда, с существенной поправкой. Коллеги доктора Цельсия перевернули его шкалу, решив, что логичнее считать точку замерзания воды равной 0 °C, а точку кипения — 100 °C. Эта шкала наиболее распространена и по сей день. А вот шкалу Фаренгейта используют лишь в США. И то последнее время там стали привыкать к шкале Цельсия.
И наконец, шотландский химик У. Томсон, известный больше как лорд Кельвин, предложил в 1816 году шкалу абсолютных температур, приняв за ноль ту температуру, при которой прекращается тепловое движение атомов. Это происходит примерно при -273 °C, так что, согласитесь, пересчитывать шкалу Кельвина в шкалу Цельсия не очень-то удобно. Поэтому кельвинами пользуются в основном лишь исследователи сверхнизких температур. Так и сосуществуют по сей день сразу три шкалы температур.
Причем поскольку температура кипения воды меняется при изменении давления, то ныне за основу шкалы Кельвина взята так называемая тройная точка для воды, при которой при неких физических условиях могут мирно сосуществовать лед, вода и пар. Она равна 0,01 °C или 276,16 К.
Последняя поправка к температурному стандарту была принята в 1990 году, когда было уточнено, что вода при нормальном атмосферном давлении закипает на 0,026 градуса ниже стоградусной отметки. Тогда же для калибровки термометров было выбрано еще 17 точно выверенных опорных точек: тройная точка для водорода, точка плавления галлия, точка замерзания меди и т. д.
Такие разные термометры
Разобравшись со шкалами, мы можем поговорить и об измерителях температуры.
Известные термометры, в том числе и знакомый всем ртутный медицинский градусник, основаны на том, что столкновения молекул заставляют газы и жидкости при нагревании расширяться. Вот уже почти триста лет они верой и правдой служат людям. Позднее появились новые термометры. Часть их, например, основана на изменении электрического сопротивления проводников в зависимости от температуры.
Еще один способ измерения температур основан на использовании жидкокристаллических пленок. Существуют в природе вещества, изменяющие свой цвет при повышении или понижении температуры. Стоит приложить пленку, содержащую в своем составе подобные соединения, к телу или иному нагретому предмету, и по ее цвету сразу видно, какова температура. Таким образом удается заметить изменения температуры с точностью до 0,01 °C.
Используются ныне и пирометры — приборы, оценивающие инфракрасное излучение нагреваемых тел. Этот способ удобен тем, что позволяет измерять температуру на расстоянии.
Современные пирометры, например, способны определить не только температуру внутри раскаленной доменной печи, но и на поверхности или даже в недрах далеких звезд. Удалось, наконец, в последние годы разработать приборы для измерения температуры ультраохлажденных атомов вблизи температуры абсолютного нуля, а также температуры в триллионы градусов, получаемые при термоядерных реакциях.
Один из термометров нового типа состоит из двух кусочков металла, укрепленных на кремниевой пластинке и разделенных тонкой полоской изолятора. По странным законам квантовой механики электроны способны время от времени тоннелировать, то есть проникать сквозь слой изолятора с одной полоски на другую. Причем при повышении температуры количество таких переходов увеличивается.
Возрастает и издаваемый при этом электрический шум, который улавливается чувствительными приемниками и пересчитывается затем в показания температуры.
Профессор К. Шолькопф и его коллеги из Йельского университета предлагают к использованию термометр, основанный на измерении Электрических шумов, аналогичных статическим разрядам, которые иногда можно услышать в радиоприемниках при близких грозовых разрядах в атмосфере. Впрочем, ученые самокритично указывают, что сама по себе идея далеко не нова. Именно по радиошуму астрономы еще четверть века тому назад не только обнаружили реликтовый фон, оставшийся после Большого Взрыва, но и измерили температуру космической среды. Она оказалась лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. Однако до сих пор никому не удавалось толком откалибровать показания таких термометров. Новшество профессора и его коллег заключается в том, что им удалось разработать методику калибровки, а также использовать новый способ на практике для измерения сверхнизких температур.
Где градусник в организме?
Впрочем, все известные способы измерения температуры оказываются бесполезными, когда, например, физики проводят эксперименты с атомами, охлажденными до миллиардных долей градусов выше нуля.
«Никакой градусник не удается охладить до такой температуры, которую мы достигаем в своих экспериментах, — говорит доктор Уильям Филлипс, получивший в 1997 году Нобелевскую премию за разработку методов лазерного охлаждения. — Но ведь температуру при таких экспериментах нужно как-то измерять?..»
При ультранизких температурах физики вынуждены опять-таки регистрировать температуру как производную скорости теплового движения атомов. Освещая атомы и следы их движения в специальных камерах лазерной вспышкой, они замеряют скорость передвижения атомов до по этому показателю затем вычисляют температуру.
И это лишь один пример. А вот другой. Как быть, если нужно измерить температуру в недрах или хотя бы на поверхности отдаленного небесного тела? Первая сложность — как доставить термометр к такому объекту?
Сложность вторая: а есть ли вообще градусники, способные измерять температуру в миллионы градусов?.. Астрономы в таких случаях опять-таки идут окольным путем, используют свойства нагретой материи давать излучение. Его спектр анализируют, определяют по нему температуру и ряд других параметров.
Наконец, последние годы биологи задались вопросом, каким образом живые существа измеряют и регулируют температуру собственного тела?.
В 1999 году профессор клеточной и молекулярной биологии из Калифорнийского университета в Сан-Франциско Дэвид Джулиус и его коллеги смогли впервые идентифицировать протеин, служащий нервным клеткам своеобразным термометром. При температурах выше этот протеин, пронизывающий клеточные стенки, открывает поры в клеточной мембране, пропускающие кальциевые, калиевые и натриевые ионы. Они, в свою очередь, возбуждают нервные клетки, а те посылают болевые сигналы в мозг. И человек понимает, что он заболел…
«Многие млекопитающие, не говоря уж о людях, весьма четко ощущают некий температурный порог выше которого тепловые ощущения становятся болезненными, — говорит профессор Джулиус. — Этот механизм, кстати, позволяет нам не получать обширных ожогов, схватив, например, раскаленную кочергу».
Кстати, при исследованиях неожиданно выяснилось, что те же протеины, что реагируют на температуру, похоже реагируют и на вещества вроде перца. Так что не случайно маленькие дети говорят о перце или горчице, что они горячие…
Сейчас установлено также, что в организме существуй ют еще несколько протеинов, каждый из которых настроен на определенные границы тепла и холода. Таким образом за каждый интервал температур отвечает свой биологический датчик. Тому же профессору Джулиусу недавно, например, удалось выделить протеин, который подает сигнал в мозг лишь в том случае, если температура окружающей среды ниже 60 °C.
Кстати, на основе аналогичных прототипов исследователи намерены создать и органические биочипы, способные реагировать на температуру.
К. ПРЯНИЧНИКОВ
СЕКРЕТЫ СТАРЫХ МАСТЕРОВ
Витамин для стали
Давным-давно мастера выяснили странную вещь. Нож, откованный из свежевыплавленного куска стали, получался плохим, быстро тупился. Правда, чисто опытным путем кузнецы все-таки научились делать мечи и сабли, остававшиеся острыми как бритва даже после удара о стальной шлем врага. Но они не знали причин своего успеха. Ведь им приходилось привлекать для этого совершенно не ясные по своей сути явления природы. Нередко свои действия кузнецы облекали в форму магических ритуалов, чем и заслужили даже славу колдунов.
