Два термометра, опущенные в одну воду, должны показывать одинаковую температуру. В начале XVIII века добиться этого было отдельной инженерной задачей: приборы изготавливали вручную, а мастера пользовались разными шкалами и способами их нанесения. Фаренгейт работал над тем, чтобы показанию одного термометра можно было доверять и за пределами мастерской, где его сделали.
Биография Даниеля Фаренгейта
Будущего изобретателя готовили к торговой карьере. Однако его главным занятием стало изготовление приборов, для которого требовались и знание физики, и умение работать со стеклом.
Детство и обучение в Амстердаме
Даниель Габриель Фаренгейт родился в 1686 году в Данциге, нынешнем Гданьске, в купеческой семье. Подростком он потерял обоих родителей и отправился учиться торговому делу в Амстердам. Постепенно его увлекли физические опыты и устройство измерительных инструментов.
В молодости Фаренгейт путешествовал по европейским городам и знакомился с учеными. В Копенгагене он встретился с датским астрономом Оле Ремером, который уже работал над собственной температурной шкалой. Эти занятия помогли Фаренгейту выбрать направление исследований: найти температурные ориентиры, которые можно воспроизводить при изготовлении разных термометров.
Мастерская, научные опыты и признание
В 1717 году Фаренгейт обосновался в Амстердаме. Он делал термометры, барометры и ареометры, измеряющие плотность жидкостей, проводил публичные занятия с физическими опытами. Среди его научных знакомых был врач и естествоиспытатель Герман Бургаве, с которым он обсуждал измерения температуры.
В 1724 году мастера избрали членом Лондонского королевского общества. В том же году он опубликовал несколько работ о своих приборах и экспериментах. До конца жизни Фаренгейт продолжал заниматься изобретательством: его последним проектом стала машина для откачки воды. Он умер 16 сентября 1736 года в Гааге, в возрасте 50 лет.
Изобретения и открытия Фаренгейта
Качество термометра зависело от жидкости внутри, устройства стеклянной трубки и точности шкалы. Совершенствуя приборы, Фаренгейт одновременно получал возможность замечать особенности нагревания и охлаждения веществ.
Усовершенствование ртутного термометра
В ранних термометрах Фаренгейт использовал спиртовую жидкость, а в 1710-х годах начал работать со ртутью. Она позволяла получать более точные показания в более широком диапазоне температур, чем применявшаяся им спиртовая смесь. В частности, ртутный прибор подходил для опытов с кипящей водой.
Принцип работы легко увидеть по движению столбика. При нагревании ртуть расширяется и поднимается по узкой трубке, при охлаждении ее объем уменьшается. Но нанести рядом деления недостаточно: трубки могут отличаться толщиной канала, а резервуары — объемом. Каждый прибор нужно откалибровать, сопоставив положения столбика с известными температурами. Именно согласованность показаний сделала термометры Фаренгейта ценными для экспериментаторов.
Опыты с кипящей и переохлажденной водой
Фаренгейт исследовал зависимость температуры кипения воды от атмосферного давления. При меньшем давлении вода закипает при более низкой температуре. Поэтому кипящую воду можно использовать для проверки термометра лишь с учетом условий опыта.
Он наблюдал и другой эффект: вода способна оставаться жидкой после охлаждения ниже обычной точки замерзания. Встряхивание могло вызвать быстрое образование льда. Такой опыт показывал, что переход из жидкого состояния в твердое может задерживаться: для начала кристаллизации нужны подходящие условия. Это явление называют переохлаждением.
Шкала Фаренгейта
Знакомая шкала складывалась постепенно. Ее первоначальные ориентиры отличались от тех, по которым позднее стали проверять термометры.
Лед, соль и температура человеческого тела
В описании шкалы, опубликованном в 1724 году, Фаренгейт использовал нулевую отметку для холодной смеси льда, воды и соли. Температуре смеси чистой воды со льдом соответствовали 32 градуса, а температуре тела здорового человека — 96. Соль позволяла получить температуру ниже точки замерзания чистой воды.
Позднее при уточнении шкалы закрепили две удобные для воспроизведения отметки: 32 °F для таяния льда и 212 °F для кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Между ними оказалось 180 делений. Первоначальные 96 градусов для человеческого тела перестали служить опорной точкой современной шкалы.
Как перевести градусы Фаренгейта в Цельсии
У двух шкал различаются и нулевая отметка, и размер градуса: изменению температуры на 1 соответствует изменение на 1,8 °F. Для перевода числового значения из Фаренгейтов в Цельсии нужно вычесть 32 и разделить результат на 1,8:
Например, 86 градусов в американском прогнозе означают привычные 30 . Для обратного перевода значение в Цельсиях умножают на 1,8 и прибавляют 32.
Значение работ Фаренгейта для науки и повседневной жизни
Шкала Фаренгейта сохраняется в повседневном употреблении в США: ее можно встретить в прогнозе погоды, на термостате или в рецепте. Поэтому переключение между °C и °F на электронном приборе до сих пор связывает пользователя с работой мастера XVIII века.
Более широкий вклад Фаренгейта связан с сопоставимостью измерений. Ученым было необходимо сравнивать температуру, полученную в разных местах и в разное время, проверять чужие опыты и замечать небольшие различия. Современные приборы используют множество физических принципов: например, электрическое сопротивление датчика меняется при нагревании. Материал и конструкция могут быть другими, но по-прежнему требуется установить, какой температуре соответствует сигнал прибора.
Ранее Наука Mail рассказала о создании в России молекулярного термометра, определяющего температуру по изменению свечения.