В мире используется сразу несколько шкал измерения температуры. История, почему так произошло, — сложная и запутанная. В ее центре находится фигура Габриэля Фаренгейта — человека, который первым сделал термометр таким, каким мы его знаем.
Жизнь Фаренгейта
340 лет назад, 24 мая 1686 года, родился Габриэль Фаренгейт. Хотя сейчас его связывают со шкалой температуры, в основном используемой в США, появился на свет он в польском Гданьске, хотя сам при этом по происхождению был немцем.
Семья Фаренгейта принадлежала к купеческому сословию Ганзейского союза, однако его родители умерли от отравления грибами. Казалось бы, жизнь не оставила 15-летнему юноше ни единого шанса не то что заниматься наукой, но и просто не умереть с голоду. Однако ему повезло: родственники смогли отправить его в Амстердам, где он помогал местному торговцу и учился у него бухгалтерскому делу.
Там Фаренгейт и прожил следующие пять лет, пока не решил, что ему надоело, и убежал. Следующие пару лет он путешествовал по Скандинавии и Священной Римской Империи, пока не добрался до родного Гданьска. И где-то в этом путешествии началась сложная и противоречивая история изобретения им шкалы температур.
Кто изобрел термометр
В общем, термометр и шкалы на нем изобрели задолго до рождения Фаренгейта, правда, кто это конкретно сделал сказать невозможно. Обычно вспоминают Галилео и 1597 год, но и с ним не все так просто. В работах самого ученого описания подобного прибора нет. Однако его ученики утверждали, что он сконструировал его.
При этом они сами же вносят дополнительную путаницу в этот вопрос. Дело в том, что явление расширения жидкостей при нагревании было известно еще Герону Александрийскому, жившему в I веке до нашей эры. Правда, применить это явление для измерения температуры он не догадался. Зато это пришло в голову тем, кто жил после него, в частности Галилео Галилею.
Как бы там ни было, а еще за несколько десятилетий до рождения Фаренгейта термометры уже были достаточно распространены в Европе. Однако просто наблюдать за расширением спирта (а именно он использовался у них в те времена) – это одно, а создать точную систему отсчета – совсем другое. Где на шкале должно находиться ноль и какой величине должен соответствовать градус?
Еще в 1665 году англичанин Роберт Хук и голландец Кристиан Гюйгенс предложили привязать температурную шкалу к точкам замерзания и кипения воды. Кроме того, уже тогда было очевидно, что важную роль играет также температура здорового человеческого тела. Однако величину градуса они выбрали крайне неудачно, приравняв его к изменению температуры, при котором объем спирта увеличивается на 1/500.
Теоретически все выглядело очень красиво, но при таком подходе самая зафиксированная ими температура составляла 13 градусов, а самая низкая -7. Градусы были слишком большими, чтобы использовать их на практике даже для метеорологических наблюдений, не говоря уже о медицине.
Вторую попытку в 1701 году предпринял Исаак Ньютон. Он взял нуль точку замерзания воды и построил шкалу так, чтобы 12 градусов соответствовали температуре нормального человеческого тела, а 33 — точке кипения воды. Это было уже лучше, но на практике все равно приходилось пользоваться десятыми и сотыми долями градуса.
Надо было как-то точнее разметить шкалу термометра или, как говорят физики, проградировать ее. И для этого нужно было измерить температуру в более широком диапазоне. Это удалось датскому астроному Оле Ремеру.
Ремер известен сегодня прежде всего как человек, который первым измерил скорость света, причем ошибся менее чем в два раза, и то лишь из-за оптического эффекта, о котором тогда ничего не было известно. Он также был выдающимся изобретателем в области измерительных приборов и человеком, благодаря которому Дания еще в 1683 году получила собственную единую систему измерения физических величин, а в 1700 году — григорианский календарь.
Ремер взял за ноль температуру, которую ему удалось измерить во время самой суровой зимы, а за 60 градусов принял точку кипения воды. Таким образом, вода замерзала при 7,5 градусах, а температура человеческого тела составляла около 30 градусов.
Фаренгейт и его шкала
Именно с Ромером в 1708 году встретился во время своих странствий Фаренгейт. И их встреча вот уже три столетия порождает нездоровые слухи. Согласно официальной версии, молодой ученый вдохновился исследованиями старшего и сам, вернувшись в Гданьск, проградировал шкалу, измерив температуру снега, смешанного с нашатырем.
Однако еще при жизни обоих возникла версия. Градус Ремера все еще был слишком велик для практического использования. Похоже было на то, что Фаренгейт просто сделал его в четыре раза меньше, сохранив тот же принцип разбиения шкалы. Таким образом он во многих случаях смог избавиться от неудобных десятых долей.
На самом деле все не совсем так. Сам Габриэль Фаренгейт, который в 1718 году вернулся в Амстердам и оттуда продвигал свою шкалу и проводил опыты с другими сконструированными им приборами, действительно упоминал об идее умножить градусы Ремера на четыре. Но это не меняет того факта, что на созданной им шкале точке кипения воды соответствует 212 градусов, а не 240, как было бы при механическом умножении.
Важную роль в практическом применении новой шкалы сыграло усовершенствование термометра, осуществленное Фаренгейтом. Спирт, используемый тогда для измерения температуры, далеко не самое удобное вещество для наблюдения. Фаренгейт был не первым, кто попытался использовать для этой цели ртуть, которая расширяется значительно лучше. Однако именно он понял, что ее особенность можно использовать для того, чтобы поделить шкалу мельче.
Именно поэтому она стала первой, которую можно вместе с ртутными термометрами использовать для широкого круга бытовых задач. А это именно было время принятия национальных систем измерения. И потому когда создавалась британская имперская метрическая система, там в качестве стандарта для температуры приняли градусы немецкого изобретателя из польского Гданьска, жившего в Голландии.
Другие шкалы
Фаренгейт представил свою шкалу на заседании Королевского научного общества в Лондоне 5 мая 1724 года. И, казалось бы, она должна была всех удовлетворить. Но это было не так, и другие ученые продолжали научные поиски в этой области. Например, его французский коллега Рене Реомюр (которого не стоит путать с Ремером) продолжал экспериментировать со спиртовыми термометрами. И ему все-таки удалось градуировать шкалу термометра до, как он думал, точки кипения воды и обозначить ее как 80 градусов, оставив ноль на точке замерзания.
Его альтернативная шкала очень понравилась правительству Франции, которому традиционно не нравилось все, что делалось в Англии. Однако Реомюр ошибся. Он принял за точку кипения воды температуру кипения спиртового раствора (78 °С), и еще при его жизни ошибку обнаружили, однако вместо того, чтобы все-таки признать, что чистая вода кипит при 108 градусах Реомюра, увеличили сам градус так, чтобы он соответствовал исходному значению.
Кто знает, что было бы, если бы последователи Реомюра избрали другой путь. Возможно, его шкала до сих пор где-то использовалась, а так она отправилась в музеи вместе со шкалами Ремера, Ньютона и Гука.
Однако не так сложилось со шкалой, предложенной в 1742 году шведским астрономом, метеорологом и математиком Андреасом Цельсием. На первый взгляд, она не имела никаких перспектив. Потому что он не только предложил ее, когда все уже начали привыкать к фаренгейтовой, но и сначала установил ноль как точку кипения воды, а 100 градусов — как точку ее замерзания.
Шкала могла совсем остаться никому не известной, ведь через два года после ее изобретения Цельсий умер, не дожив до своего 43-го дня рождения. Однако соотечественники-ученые сразу оценили замысел и то, насколько лучше он становится, если «перевернуть» шкалу.
Началось ее постепенное распространение по миру. Сначала такие термометры назывались шведскими, затем просто стоградусной шкалой, и только в 1948 году Международный комитет мер и весов принял решение использовать градус Цельсия в качестве общепринятой единицы измерения температуры.
Однако и это еще не конец. Еще в XVIII веке ученые задались вопросом: как далеко от привычного нам диапазона простирается шкала температур. И если верхнюю ее границу не так-то просто разглядеть даже сейчас, относительно нижней еще тогда стало понятно, что она находится не так уж далеко от точки замерзания воды.
В 1848 году Уильям Томпсон, лорд Кельвин, опубликовал статью, согласно которой температура на 273 градуса Цельсия ниже точки замерзания воды является максимально холодным состоянием, в котором могут существовать вещества. Сегодня мы знаем его как абсолютный ноль. А поскольку он играет важную роль в физике, была создана новая шкала, ноль на которой соответствует этой предельно низкой температуре, а единица измерения, равная по значению градусу Цельсия, называется кельвином.
При этом интересно, что в то время шкала Фаренгейта все еще оставалась значимой, благодаря чему возникла необходимость как-то адаптировать ее к существованию абсолютного нуля. Так, в 1859 году, появилась шкала Ранкина. Ноль на ней был тот же, что и на шкале Кельвина, но использовались градусы не Цельсия, а Фаренгейта.
Правда, эта инициатива так и осталась мертворожденной. Хотя крупнейшая на тот момент в мире Британская империя продолжала использовать шкалу Фаренгейта, в научных кругах и других странах постепенно утверждалась 100-градусная шкала шведского физика.
В XXI веке от шкалы Фаренгейта отказались даже в Великобритании. В мире осталось всего две страны и несколько небольших островных территорий, которые ее используют. Одна из них называется США, и там даже космические расстояния пытаются измерять в футах и милях.
Соответственно, и температура звезд тоже часто подается в градусах Фаренгейта. А поскольку США доминируют в освоении космоса, то и остальному миру так или иначе приходится контактировать с этой системой. А значит, следует понимать, как переходить от одной шкалы к другой
Как перевести значение температуры между шкалами
Чтобы перевести градусы Фаренгейта в шкалу Цельсия, необходимо только от нужного значения вычесть 32 и умножить результат на 5/9. Соответственно, для обратного перехода нужно градусы Цельсия разделить на 5/9 (или умножить на 9/5) и добавить 32.
Перевод в другие шкалы, даже в те, которые сейчас не используются, тоже достаточно прост. Кельвины — это градусы Цельсия, к которым прибавляют 273,15. Соответственно, для обратного пересчета нужно просто вычесть это же число.
Шкала Ранкина переводится так: либо значение умножают на 5/9 и получают кельвины, либо от него отнимают 459,67 и получают градусы Фаренгейта. Далее, в зависимости от того, что получилось, применяют одну из приведенных выше формул для перевода в градусы Цельсия.
Для перевода со шкалы Реомюра нужно значение умножить на 1,25. Для обратного перехода — умножить градусы Цельсия на 0,8. Для перевода градусов Ремера в цельсии от них нужно отнять 7,5, умножить на 40 и разделить на 21. Для обратного перехода нужно сначала умножить на 21, затем разделить на 40 и, наконец, прибавить 7,5. Градусы Ньютона нужно умножить на 100 и разделить на 33, и тогда получаются градусы Цельсия.
