Удивительная химия - Илья Леенсон

Можно проделать простой эксперимент, показывающий относительность тепловых ощущений человека; этот эксперимент известен уже несколько веков. Поставьте в ряд три кастрюли или глубокие миски. В левую налейте воду погорячее, но такой температуры, чтобы в нее еще можно было опустить руку. Кстати, попробуйте спросить своих знакомых, какая должна быть температура воды, чтобы еще можно было держать в ней руку. Вероятно, некоторые ответят — градусов 60–70 и очень удивятся, если вы скажете им, что если температура воды в кастрюле будет выше 45 °С градусов, то они не смогут опустить в нее руку даже на несколько секунд! В среднюю кастрюлю налейте воду, температура которой близка к 36 °C, так чтобы рука в ней не чувствовала ни холода, ни тепла. А в правую — воду похолоднее (в нее можно добавить несколько кусочков льда из холодильника), а зимой — снега. Конечно, вода не должна быть совершенно ледяной, чтобы не «заморозить» руку. Теперь опустите правую руку в холодную воду, а левую — в горячую, и через 5-10 секунд перенесите обе руки в среднюю кастрюлю. Ощущение будет необычным: одна рука почувствует явное тепло, другой же будет холодно!

«Градусы тепла» научились измерять только в XVII веке. В эти годы уже работали французский философ, математик и физик Рене Декарт (1596–1650), итальянский физик и математик Эванджелиста Торричелли (1608–1647), знаменитый итальянский математик, физик и астроном Галилео Галилей (1564–1642), немецкий астроном, физик и математик Иоганн Кеплер (1571–1630), английский химик и физик Роберт Бойль (1627–1691), французский математик, физик и философ Блез Паскаль (1623–1662), выдающийся английский физик, математик и астроном Исаак Ньютон (1642–1727), другие ученые, заложившие основы современной науки. Отличительная черта этой эпохи — изобретение важнейших инструментов и проведение с их помощью количественных измерений. Именно переход от умозрительных суждений к эксперименту вызвал бурное развитие науки, продолжающееся по сей день.

Одним из важнейших изобретений XVII века было изобретение термометра. Сначала у него было мало общего с современным термометром. Например, Галилей изобрел термоскоп (рис. 2.12). Галилей взял стеклянную колбочку размером с куриное яйцо и присоединил к ней тонкую стеклянную трубочку длиной около 25 см. Нагрев колбочку руками, он опустил конец трубки в сосуд с водой. По мере остывания воздуха в колбочке вода частично заполняла трубку.

Рис. 2.12. Рисунок из старинной книги с иллюстрацией действия термоскопа

Если колба нагревалась или охлаждалась, легко было заметить, что уровень воды в трубочке меняется. Впоследствии в трубочку стали вводить лишь капельку воды, которая двигалась вверх или вниз в зависимости от температуры воздуха. Прибор Галилея реагировал даже на небольшое нагревание или охлаждение колбочки.

Но это не был «настоящий» термометр, потому, что он реагировал не только на температуру, но и на атмосферное давление: при его повышении капелька воды двигалась в сторону колбочки, а при понижении — к концу трубочки. Причем изменение давления действовало на объем воздуха в колбочке значительно сильнее, чем изменение температуры. Так что это был «полутермометр-полубарометр». Однако о существовании атмосферного давления в то время ничего не знали.

Постепенно прибор Галилея все более совершенствовался. Воду стали подкрашивать, чтобы она была лучше видна, а на трубочку наносили деления, чтобы можно было судить о «степени тепла». Для повышения чувствительности диаметр трубки уменьшили, а ее длину увеличили. Ведь чем тоньше трубка, тем сильнее будет влиять на положение капельки воды температура в колбочке. Чтобы тонкая длинная трубка не сломалась, ее изгибали — иногда самым причудливым образом (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Показаны некоторые попытки сделать трубки первых термометров более компактными

По мере того как трубочки термометров становились все более узкими, чувствительность термометров возрастала и наконец повысилась настолько, что стало возможным помещать в колбочки термометров не воздух (его объем очень сильно меняется с температурой), а жидкость, объем которой реагирует на изменение температуры незначительно. Например, если нагреть при постоянном давлении 1 литр воздуха с 20 до 50 °C, его объем увеличится на 10 % — до 1,1 л. Если же нагреть с 20 до 50 °C литр воды, ее объем увеличится только на 1 % (до 1,01 л). Но вода при температуре ниже 0 °C замерзнет, и прибор сломается; поэтому вместо воды обычно использовали подкрашенный спирт, который не замерзает даже в самые сильные морозы. Помимо этого спирт расширяется при повышении температуры в несколько раз сильнее, чем вода. Объем жидкости от давления практически не зависит, поэтому «термоскоп» стал «настоящим» термометром.

Больших успехов в изготовлении термометров достигли мастера-стеклодувы из итальянского города Флоренции, где в 1657 году князь Леопольдо Медичи основал Академию опытов. Главное усовершенствование состояло в том, что из шара и трубки удаляли воздух, после чего конец трубки герметизировали сургучом. Так впервые удалось полностью избавиться от влияния атмосферного давления, а заодно устранить испарение жидкости из трубочки. Приборы флорентийских мастеров были настоящими произведениями искусства (рис. 2.14). Их изготовление описано в трудах Академии, изданных в 1667 году: «Прежде всего стеклодув должен изготовить шарик соответствующей величины с припаянной к нему трубкой. Наполнение инструмента жидкостью происходит следующим образом: шарик нагревают и затем сразу погружают открытый конец трубки в спирт. Спирт начинает медленно подниматься по трубке. При помощи воронки с вытянутым тонким носиком спирт доливают в шар. Трубка заранее делится на равные части, причем деления отмечаются белыми бусинами. Затем почти готовый термометр нагревают и, наконец, герметически закрывают его, как только спирт достигнет высшей точки».

Рис. 2.14. Изображения термометров в трудах итальянской Академии опытов (1666)

Обычно бусинами из белой эмали, которые впаивали в разогретую трубку, делили шкалу на 10 равных частей. Затем каждый промежуток делили еще на 10 равных частей с помощью девяти бусин из черной или цветной эмали. На длинной спиральной трубке термометра помещали много делений и наблюдали малые изменения температуры. С помощью таких термометров флорентийские академики сделали несколько открытий. Они, например, установили, что показание термометра не меняется, когда его шарик погружен в толченый лед, даже если сосуд со льдом помещен в кипящую воду. Ученые не знали, как объяснить это явление и не догадывались, что оно наблюдается при плавлении любого вещества. Сейчас любой школьник знает, что температура смеси воды со льдом будет постоянной (0 °C). пока весь лед не растает.

А теперь посмотрите на современный термометр — трубочка, по которой поднимается ртуть или спирт, очень узкая, особенно у медицинского термометра. Такие трубочки называются капиллярами (от латинского слова capillus — «волос»). Действительно, некоторые термометры имеют капилляры диаметром несколько сотых долей миллиметра — тоньше человеческого волоса! Эти термометры такие чувствительные, что легко улавливают изменение температуры даже в тысячные доли градуса.

Если положить рядом термометры, изготовленные в разное время в разных странах, они могут показать совершенно разные температуры. Например, на одном будет 40°, на другом — 50°, на третьем — 122°! Вы, наверное, уже догадались, что это разные градусы.

Рис. 2.15. Термометр, изготовленный в XIX веке, позволял определять, в соответствии с привычкой владельца, температуру по Цельсию или Реомюру, а также переходить от одной шкалы к другой

Действительно, когда-то во Франции и в России были распространены термометры со шкалой Реомюра, которая была предложена в 1730 году французским ученым Рене Антуаном Реомюром (1683–1757). В этом термометре шкала между точками замерзания и кипения воды разделена на 80 частей (рис. 2.15).

В США распространена шкала Фаренгейта, предложенная в 1714 году работавшим в Голландии искусным немецким физиком и стеклодувом Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом (1686–1736), который первым начал изготовлять точные термометры. У нас шкала Фаренгейта известна в основном благодаря знаменитому фантастическому рассказу Рея Брэдбери «451° по Фаренгейту». Формула, связывающая шкалу Фаренгейта (F) со шкалой Цельсия, выглядит очень странно: t °F = 9/5(1 °C) + 32. Откуда она взялась?

Для калибровки своих термометров Фаренгейт использовал две точки: очень низкую температуру, которую дает смесь мелко колотого льда с солью и которая была принята за нулевую, а также «нормальную» температуру тела человека. Этот интервал он разделил на 12 частей; это число удобно тем, что оно делится и на 3, и на 4, и на 6. Первоначальные градусы получились у Фаренгейта слишком крупными (каждый градус соответствовал примерно 5 °C). Поэтому со временем Фаренгейт изменил шкалу: интервал между температурами охлаждающей смеси из льда с солью и плавления льда он последовательно пять раз разделил пополам и таким образом получил для плавления льда отметку на 32° выше нулевой (вот откуда в формуле для пересчета градусов Цельсия в градусы Фаренгейта появилось число 25 = 32). По шкале Фаренгейта нормальная температура тела человека равна 98°, а температура кипения воды — 212°. Теперь становится понятным и другое число в формуле для перехода от шкалы Цельсия в шкалу Фаренгейта — это сотая часть интервала между точками кипения воды и плавления льда: (212 — 32)/100 = 9/5. А в рассказе Брэдбери 451 °F — 233 С — это температура, при которой воспламеняется бумага (при чуть более высокой температуре — 236 °C — возгорается сосновая древесина). В научной литературе американцы давно перешли на привычную нам стоградусную шкалу. Что же до обывателей, то их мнение образно выразил один фермер, который на вопрос, чем ему не нравится шкала Цельсия, ответил: «Я никогда не поверю, что 40 градусов — это очень жарко. Когда же утром по радио передают, что сейчас в округе плюс десять градусов, то я твердо знаю, что мне надо одеться потеплее, взять лопату и идти отгребать снег от гаража…»