Как свидетельствуют сохранившиеся документы, первые приборы для измерения температуры — термометры (а точнее, термоскопы) стал изготавливать Г. Галилей (см. т. 1, глава 6, п. 6.1) в конце 90-х гг. XVI столетия. Эти приспособления представляли собой стеклянный шар А, наполненный воздухом, из нижней части которого отходила частично заполненная водой трубка. Эта трубка заканчивалась в сосуде D, также наполненном водой. Когда воздух в сосуде расширялся, например, от тепла руки, уровень воды в сосуде поднимался. При помощи термоскопа можно было судить только об изменении степени нагретости тела: числовых значений температуры он не показывал, так как не имел шкалы. Кроме того, высота водяного столбика зависела не только от температуры, но и от атмосферного давления. Поэтому в действительности термометр Галилея измерял нечто неопределенное и позволял лишь сравнивать температуру разных тел в одно и то же время и в одном и том же месте.
Схема термоскопического опыта Г. Галилея
В 1636 г. Каспар Энс опубликовал книгу «Математический чудотворец», где была описана восьмиградусная шкала и впервые появилось слово «термометр». Сравнительно надежный термометр сконструировал и Отто фон Герике (см. т. 1, глава 6, п. 6.2). Прибор состоял из латунного шара, заполненного воздухом, и изогнутой (U-образной трубки со спиртом. Температуру указывал деревянный человечек, при помощи шнура и блока связанный с латунной запаянной коробочкой, плававшей в открытом конце термометра. В середине шкалы стояла точка, около которой указатель останавливался при первых заморозках, — ее изобретатель выбрал за начало шкалы.
Некоторые историки науки приписывают изобретение термометра также Френсису Бэкону (см. т. 1, глава 5, п. 5.4), Роберту Фладду, Санкториусу, Скарпи, Корнелию Дреббелю, Дж. Б. Делла Порта (см. т. 1, глава 5, п. 5.3) и Соломону де Каус. Эти ученые либо встречались с итальянским физиком, либо состояли с ним в переписке. Созданные ими термометры были воздушными и содержали сосуд с трубкой, наполненный воздухом и отделенный от атмосферы столбиком воды. Показания таких устройств зависели и от изменения температуры, и от изменения атмосферного давления.
На возможность выбрать в качестве реперной точки температуру кипения воды впервые указал Гюйгенс в 1655 г. Он писал, что при таком подходе можно будет сравнивать температуру (он называл ее «наблюдательной степенью теплоты») в разных местах.
В 1657 г. группа ученых и инженеров из Флоренции усовершенствовала термоскоп Галилея. Они снабдили прибор шкалой из бусин и откачали воздух из резервуара (шарика) и трубки. Это позволило не только качественно, но и количественно сравнивать температуры тел. Жидкостные термометры впервые описаны в 1667 г. в «Saggi di naturale esperienze fatte nell’Accademia del Cimento». В этом документе говорится, что подобные приборы давно изготовляют искусные ремесленники, которых называют «Confia». Они разогревают стекло на раздуваемом огне лампы и выделывают из него удивительные и очень нежные изделия. Сначала эти термометры наполняли водой, но они лопались при ее замерзании. Несколько позднее термоскоп Галилея подвергли более радикальной модернизации: его перевернули шариком вниз, а в трубку вместо воды налили спирт и удалили сосуд. Употреблять вместо воды винный спирт предложил Великий герцог тосканский Фердинанд II. Действие этого прибора основывалось на тепловом расширении спирта, в качестве «постоянных» точек брали температуры наиболее жаркого летнего и наиболее холодного зимнего дней. Флорентийские термометры не только изображены в «Saggi», но сохранились в нескольких экземплярах до нашего времени в Галилеевском музее (Флоренция).
В 1703 г. парижский физик Гийом Амонтон модернизировал воздушный термометр. Его устройство фиксировало уже не расширение воздуха, а изменение его упругости в зависимости от температуры при постоянном объеме. Объем фиксировали подливанием ртути в открытое колено, а барометрическое давление и его изменения при этом принимались во внимание. Нулем такой шкалы должна была служить «та значительная степень холода», при которой воздух теряет всю свою упругость (то есть современный абсолютный нуль), а второй постоянной точкой — температура кипения воды. Влияние атмосферного давления на температуру кипения еще не было известно Амонтону, а воздух в его термометре не был освобожден от водяных газов. В результате из его данных абсолютный нуль получался при -239,5 °С[24].
Первый современный термометр был представлен в 1724 г. физиком и искусным стеклодувом Д.Г. Фаренгейтом. Первоначально он тоже наполнял свои трубки спиртом и лишь под конец перешел к ртути. Современников удивляло, что изготовленные Фаренгейтом спиртовые термометры давали показания, хорошо согласующиеся между собой. Секрет талантливого мастера был прост: он очень аккуратно наносил деления на шкалу, используя для этого несколько опорных точек. Нуль своей шкалы он установил при температуре сосуществования смеси снега с нашатырем и поваренной солью. При температуре «начала замерзания воды» термометр Фаренгейта показывал 32°, а температура тела здорового человека во рту или под мышкой была эквивалентна 98°. Позднее он ввел еще одну опорную точку — температуру кипения воды (212 °F). Эта температура была всегда одна и та же при постоянных показаниях барометра. Сохранившиеся экземпляры термометров Фаренгейта отличаются тщательностью исполнения.
Примерно в 1740 г. во Франции вошла в употребление шкала Реомюра, построенная на двух опорных точках: температура замерзания воды — 0°, а температура ее кипения — 80°. Из проведенных измерений Реомюр сделал вывод о том, что между двумя этими температурами вода увеличивается в объеме на 0,080 своего первоначального объема. До Октябрьской революции в России повсеместно использовали термометры Реомюра. Только в 30-х гг. XX века они были вытеснены термометрами Андерс Цельсия.
Современная шкала Цельсия была предложена в 1742 г. Шведский физик окончательно установил обе постоянные точки: тающего льда и кипящей воды.
Однако первоначально он ставил 0° C — при точке кипения воды, а 100° C — при точке ее замерзания. По совету астронома М. Штермера он принял обратное расположение шкалы. Таким термометром впервые воспользовался всемирно известный шведский ботаник К. Линней. Термометр Цельсия получил широкое распространение практически во всем мире, за исключением США и Великобритании.
Уильям Томсон, лорд Кельвин (1824–1907)
В 1848 г. английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) доказал возможность создания абсолютной шкалы температур, нуль которой не зависит от свойств воды или вещества, заполняющего термометр. Когда Кельвин вводил свою температурную шкалу, градус на ней он определял следующим образом: «…все градусы имеют одну и ту же величину; т. е. единица теплоты, «падающая» от тела A при температуре T к телу B при температуре (T — 1) по этой шкале, производит одну и ту же механическую работу, каково бы ни было значение Т. Именно эту шкалу можно считать абсолютной и универсальной…». Кельвин стремился построить новую шкалу так, чтобы она максимально походила на любую из старых, например, газовую. Перебрав несколько вариантов, он в конце концов определил отношение температур через отношение теплот в цикле Карно (см. т. 2, глава 3, п. 3.4):
T1/T2 = Q1/Q2, (3.3)
где T1 и T2 — температуры нагревателя и холодильника соответственно, Q1 — теплота, отбираемая у нагревателя, Q2 — теплота, передаваема холодильнику. Точкой отсчета в «шкале Кельвина» послужило значение абсолютного нуля: T = -273,15 °С. При этой температуре прекращается тепловое движение молекул (см. т. 2, глава 3, п. 3.4). Следовательно, становится невозможным дальнейшее охлаждение тел. В результате получилась термодинамическая шкала TK, совпадающая по масштабу с газовой t °С, но со смещенным значением абсолютного нуля: