Текст книги "Физика"

Автор книги: С. Каплун

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 21 страниц) [доступный отрывок для чтения: 8 страниц]

Биография термометра

Что такое термометр, мы знаем с детства. А известно ли вам, что термометрия – наука об измерениях температуры – составляет целый раздел физики и уходит своими корнями в глубину веков?

Изобретению термометра предшествовало создание термоскопа – прибора, который отмечал снижение или повышение температуры. Первые термоскопы (греч. «терме» – тепло, жар и «скопео» – смотрю) были построены еще до нашей эры в Древней Греции и в Древнем Египте. Работали они просто: при потеплении воздух внутри некоего шара расширялся и вытеснял воду из шара в трубку. По изменению уровня воды и судили об изменении температуры.

Чаще открытием называют ознакомление с новым фактом. Но я считаю, что в открытии главную роль играет идея, связанная с этим фактом. Любое экспериментальное начинание заключается в идее.

К. Бернар

Прибор Филона из Византии (примерно II в. до н. э.) представлял собой пустотелый шар со свинцовой трубкой, доходящей до его дна. Второй конец трубки был опущен в открытую емкость. В свинцовый шар наливали воду (до половины) и выставляли на солнце. Воздух расширялся, вытеснял воду из шара, и эта вода через трубку перетекала в открытую емкость. Когда прибор переносили в тень, воздух сжимался, и вода из сосуда снова переходила в шар.

Понятно, что физическое объяснение процессов, происходящих в этом приборе, не соответствовало нашим современным представлениям.

Термоскоп Галилея

Особого внимания заслуживает опыт Галилея с термоскопом, который он провел примерно в 1597 г. (некоторые историки считают, что это произошло раньше, примерно в 1592 г.).

Термоскоп Галилея был значительно проще по конструкции: это стеклянный шарик с припаянной узкой стеклянной трубочкой.

Термоскоп Галилея

Опыт был таков. Руками согревали колбу и опускали конец трубки в воду, налитую в открытую емкость. Затем, когда убирали руки с колбы, вода из чаши по мере остывания сосуда начинала подниматься в трубочку. К трубочке прикрепляли шкалу из бусинок, которые размещали произвольно.

Этот термоскоп позволял отслеживать повышение или понижение температуры на качественном уровне. Но так мы говорим сейчас.

Бенедетто Кастелли, который был учеником Галилея, писал в 1638 г.: «Этот эффект вышеупомянутый сеньор Галилей использовал при изготовлении инструмента для определения степени жары и холода».

Ранее никому и в голову не приходила мысль о возможности измерения степени тепла и холода, потому что считали: холод и тепло – это различные свойства, перемешанные в материи.

Кстати, не знакомый с работой Галилея врач Санкториус из Падуанского университета, который в то же время начал измерять температуру человеческого тела, создал термоскоп, очень похожий на термоскоп Галилея.

Флорентийские термометры

Для того чтобы превратить термоскоп в термометр, необходимо было продвинуться дальше в изучении тепловых явлений. Выдающийся ученый Р. Бойль (1627–1691) писал о термоскопах: «Эти термоскопы, подверженные влиянию атмосферы, а также тепла и холода, легко могут сбить нас с толку, если мы не будем определять другим прибором вес атмосферы».

Флорентийские термометры

Под весом атмосферы здесь подразумевалось атмосферное давление, а «другой прибор» – это барометр, который в 1644 г. изобрел Э. Торричелли (1608–1647). А сам Бойль открыл в 1661 г. зависимость между объемом газа и давлением при постоянной температуре. Таким образом, барометр и закон Бойля позволяли учитывать, как именно изменения давления воздуха влияют на показания термоскопа. (Кстати, во времена Галилея сама идея о том, что воздух может давить на землю, казалась просто дикой!)

Надо было создать термоскоп, которому не нужны поправки, связанные с атмосферным давлением. И он был создан!

Примитивный воздушный термоскоп Галилея ученик Галилея Э. Торричелли преобразовал в жидкостный (спиртовой) термометр. Его конструкция была существенно улучшена Торричелли и членами Флорентийской академии исследований (ее еще называют «Академия экспериментальных исследований») и оказалась настолько удобной для различных применений, что в XVII в. «флорентийские термометры» приобрели известность.

Они представляли собой герметично запаянную трубку, заполненную ртутью или спиртом. Об изменениях температуры свидетельствовало изменение в их уровне.

Эти термометры ввел в практику в Англии Р. Бойль, во Франции они распространились благодаря астроному Бульо (1605–1694), получившему в подарок такой термометр от польского дипломата.

С этих пор показания термоскопов перестали зависеть от атмосферного давления. Опыты с ними стали общим увлечением; ими даже украшали комнаты, потому что они были очень красивыми. Но после флорентийских академиков так искусно изготавливать термометры уже никто не умел.

От термоскопа до термометра

Чтобы термоскоп стал термометром, следовало научиться выражать его показания в виде числа, то есть изобрести шкалу.

Исследователь Отто фон Герике – магдебургский бургомистр, известный своим интересом к научным исследованиям, – создал собственный термоскоп, который можно считать предшественником термометра.

Этот термометр состоял из медного шара с U-образной трубкой, в которую был налит спирт. На поверхности спирта в открытом колене плавал поплавок, а от него шла нить, перекинутая через блок. На конце нити была подвешена фигурка ангела, держащего в руке палочку, которой он показывал на деления шкалы, нарисованной на стене дома. Шар был окрашен в голубой цвет, на нем были нарисованы звезды и выведена гордая надпись «Perpetuum mobile» («вечный двигатель»).

За ноль Герике выбрал температуру… того осеннего дня 1660 г., когда были первые заморозки в городе Магдебурге!

Термометр Герике имел тот же недостаток, что и термометр Галилея, и назовем его термоскопом, потому что показания на нем зависели от атмосферного давления. Но попытка создать шкалу достойна внимания потомков!

Известно, что в 1701 г. И. Ньютон опубликовал работу «О шкале степеней тепла и холода», в которой была описана двенадцатиградусная шкала. Ноль он поместил там, где находится точка замерзания воды, а 12 градусов соответствовали температуре здорового человека. Важно, что Ньютон достаточно четко говорил о температурной шкале.

Усовершенствовал конструкцию термометра немец Габриэль Даниэль Фаренгейт (1686–1736), использовавший идею Олафа Ремера. Фаренгейт изготовлял ртутные и спиртовые термометры такой формы, какие применяются и сейчас. Успех его термометров объясняется тем, что он ввел новый метод очистки ртути, кроме того, перед запайкой он кипятил жидкость в трубке.

Современники Фаренгейта всегда удивлялись тому, что различные его термометры давали одинаковые показания. «Секрет» Фаренгейта заключался в том, что он очень аккуратно наносил деления шкалы, используя для этого всегда одни и те же «опорные» точки.

Его термометрическая шкала (во втором варианте, принятом с 1714 г.) имела три фиксированные точки: нулевая точка соответствовала температуре смеси воды, льда и нашатыря, 96° – температуре тела здорового человека (под мышкой или во рту). В качестве контрольной температуры для сверки различных термометров было принято значение 32° для точки таяния льда. Точка кипения воды приходилась на 212 °Б (именно так обозначают температуру по шкале Фаренгейта).

Во Франции популярной стала другая термометрическая шкала, которую в 1740 г. предложил Рене Реомюр (1683–1757). Реомюр обнаружил, что применяемый в термометре спирт, смешанный в пропорции 5:1 с водой, расширяется в отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды. На этом основывается предложенная им шкала – от 0 до 80 °Л..

Современная шкала Цельсия была создана в 1742 г. шведским астрономом и физиком Андрисом Цельсием (1701–1744).

Цельсий предложил стоградусную шкалу термометра, в которой за ноль градусов принимается температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении, а 100 градусов – температура таяния льда. Деление шкалы составляет 1/100 этой разницы.

Когда начали использовать термометры, оказалось удобнее поменять на шкале местами 0 и 100 градусов. Возможно, в этом участвовал ботаник Карл Линней (он преподавал медицину и естествознание в том же Упсальском университете, где Цельсий преподавал астрономию), предложивший еще в 1738 г. за ноль температуры принять температуру плавления льда, но похоже, что он не додумался до второй реперной («опорной») точки.

Вообще существовало более десятка различных термометрических шкал. В России XVIII в. была распространена шкала Делиля, которую затем заменили шкалой Реомюра. Только в тридцатые годы ХХ в. в СССР шкала Цельсия вытеснила другие термометрические шкалы.

Приведем формулу, с помощью которой вы сможете переводить значение температуры из шкалы Фаренгейта в шкалу Цельсия:

где t – значение температуры по шкале Цельсия, а F – значение температуры по шкале Фаренгейта.

Позже, когда физики поняли, что температура является мерой средней кинетической энергии движения молекул, стало очевидным, что температуру можно измерить даже в джоулях! Кроме того, пришли к выводу, что существует состояние, при котором температура вещества является самой низкой и уже ниже быть не может. Если выразить эту наиболее низкую температуру по шкале Цельсия, то ее значение будет -273,16 °C.

Из этого следует, что можно создать такую температурную шкалу, в которой это значение принимается за ноль, а все остальные находятся выше. Такая шкала называется абсолютной шкалой температур, или шкалой Кельвина (она названа так в честь выдающегося английского ученого Уильяма Томсона – лорда Кельвина).

Один градус по этой шкале равен одному градусу по шкале Цельсия. Таким образом, связь между значением температуры по шкале Цельсия и температуры по шкале Кельвина имеет следующий вид:

T = t + 273,

где Т – значение температуры по шкале Кельвина, а t – значение температуры по шкале Цельсия.

В заключение этого краткого обзора сделаем важное замечание. Температура – это такая физическая величина, которую невозможно измерять так же, как, например, длину, объем, массу. Поясним это следующим образом.

Длина ряда из нескольких палок равна сумме длин каждой из них. Измерение длины – это сравнение ее с определенным эталоном.

К температуре это применить невозможно. Например, если мысленно разделить нагретый стержень на несколько частей, то это не означает, что его температура равна сумме температур каждого куска! Недаром задача измерения температуры как физической величины решалась несколько веков!

Сейчас существуют десятки новых методов измерения температуры и в обычных, и в экстремальных условиях. Все они основываются на современных научных идеях и технологических достижениях.

Холодно и жарко

Температурные условия в разных уголках Земли, в околоземном пространстве, на звездах существенно различаются.

Взгляните на средние значения температуры земной атмосферы на разных высотах от поверхности Земли:

Температура вещества внутри Земли определена недостаточно точно, поэтому приведенные ниже данные являются ориентировочными (для того чтобы вы привыкли к шкале Кельвина, которой пользуются в Международной системе единиц, эта температура приведена именно в кельвинах):

А теперь сравните между собой некоторые значения температуры, которые встречаются в природе и технике:

температура горения соломы – 800 °C, дров – 1000 °C, антрацита – 1300 °C;

температура пламени газовой горелки 1600–1850 °C;

температура вольфрамовой нити лампочки накаливания – 2530 °C и выше;

температура газов в камере сгорания ракетного двигателя – 2200–3700 °C;

наиболее высокая температура, зарегистрированная на Земле в 1922 г. в Северной Африке – 58 °C; самая низкая температура, зарегистрированная на Земле (Антарктида, научная станция «Восток», 1960 г.), – 88,3 °C.

Жаркая пустыня

Холодная Антарктида

Тепловые машины

Прообраз двигателя

Как известно, тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу.

Первым устройством для преобразования тепла в механическую работу могла быть паровая пушка «Архитронито» (в переводе – сильный гром). Описание этого прибора найдено в записях Леонардо да Винчи, который приписывает это изобретение Архимеду. Некоторые специалисты считают, что речь идет не об известном всем Архимеде и изобретение относится к более позднему периоду. Такая пушка вполне могла существовать, но ее нельзя, конечно, считать двигателем.

Поэтому прообразом теплового двигателя считается созданный в I в. до н. э. выдающимся ученым и изобретателем того времени Героном Александрийским так называемый эолипил. Устройство представляло собой полый шар. В вертикальной плоскости шар имел две выступающие, расположенные диаметрально противоположно друг к другу, изогнутые трубки. Под шаром был установлен сосуд, частично заполненный водой. Когда под сосудом разводили огонь, вода в нем закипала. Выделявшийся пар, поступал во внутреннюю полость шара по паропроводам и вытекал из нее посредством изогнутых трубок, вызывая вращение шара. Отметим, что это устройство было сделано только для развлечения: его назначение – быть просто интересной игрушкой.

Первая паровая машина – эолипил

Промежуток времени от создания эолипила до устройств, превращающих силу огня в полезную работу, был огромен.

Первые тепловые двигатели

Потребность в создании механизмов для откачки воды из шахт возникла в связи с интенсификацией добычи угля и минералов, вызванной резким ростом производства в ходе первой промышленной революции. На некоторых шахтах Великобритании количество лошадей, используемых для привода водоотливных колес, достигало 500 голов, а расходы на их содержание были огромными. Поэтому и появились первые двигатели.

Прототип паровой турбины (1629 г.)

Двигатель Христиана Гюйгенса (1629–1695) представлял собой цилиндр с поршнем, соединенным с механической тягой. На нижнюю полость цилиндра насыпали порох, сжигание которого приводило к падению давления воздуха и обеспечивало разность давлений на поверхности движущегося поршня.

Эта модель не нашла практического применения, хотя изобретение было действующим и имело признаки, присущие всем газовым двигателям. Именно начиная с двигателя Гюйгенса в энергетике появляются понятия цилиндр и поршень.

Первый двигатель Дени (Дениса) Папена (1647–1714) создавали как замену двигателю Гюйгенса, ассистентом которого Папен был в период с 1671 по 1674 год.

Дени (Денис) Папен

Папен установил, что после взрыва пороха в цилиндре остается до двадцати процентов исходного объема воздуха, и предложил заменить порох на воду, которая, испаряясь при нагревании, приобретает «эластичность (давление), подобную воздушной», а после охлаждения цилиндров создает «более совершенный вакуум», чем при применении пороха.

Паровой двигатель Папена

В двигателе Папена пар служит для получения разряжения под поршнем, а полезная работа осуществляется с помощью атмосферного воздуха. Чтобы заставить поршень поднять груз, необходимо манипулировать стержнем, клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой.

Однако сложность управления механизмом Папена привела к тому, что первым большое распространение получил паровой насос английского инженера Томаса Севери (1650–1715), предложившего использовать насос для откачки воды из шахт.

Принцип работы насоса был разработан с учетом опыта работы паровых устройств английского маркиза Эдварда Сомерсета.

Эдвард Сомерсет II, маркиз Уорчестерский, первым в Европе спроектировал и установил в своем имении «промышленную» водонапорную систему для фонтана (1664) и систему подачи воды в башни замка (1665).

Томас Севери

Насос Севери

Технологическую основу системы составляли два сообщающихся сосуда, в одном из которых образовывался нагретый пар, вытесняющий воду из второго сосуда до заданного уровня. Подпитывание водой парового и водяного сосудов осуществлялось вручную.

Насос Томаса Севери работал следующим образом.

На первом этапе рабочая емкость целиком заполняется паром. После отсоединения емкости от источника пара последний конденсируется, создавая разрежение, обеспечивающее всасывание воды в рабочую емкость после открытия приемного клапана. Затем приемный клапан закрывается и открывается напорный клапан, соединяющий емкость с источником пара. Давление пара котла вытесняет воду из емкости через отливной клапан вверх. В последних версиях насоса использовались две емкости, что обеспечивало непрерывность процесса откачки воды.

Английский механик Томас Ньюкомен (1663–1729), применив идеи Папена и Севери, создал в 1705 г. паровую машину для откачивания воды. Его устройство стало очень популярным на производствах, связанных с откачиванием воды из шахт.

Паровая машина конструкции Томаса Ньюкомена (1817 г.)

Принцип действия машины Ньюкомена был таков. Пар из котла поступал в цилиндр с поршнем и поднимал этот поршень. (Поршень через коромысло был связан с грузом, который уравновешивал его.) После впрыскивания в цилиндр холодной воды из специального резервуара пар конденсировался и поршень опускался. При этом с помощью коромысла груз поднимался, что давало возможность воде из шахты подниматься по трубе.

Универсальный двигатель Джеймса Уатта

В 1765 г. англичанин Джеймс Уатт (1736–1819) создает первую действующую модель двигателя, рабочий ход которого обеспечивался не созданием вакуума, а избыточным давлением.

В период с 1765 по 1769 год Уатт создает последовательный ряд все более и более мощных моделей и в 1769 г. получает патент на свое изобретение. Несмотря на то, что первые двигатели Уатта были одностороннего действия (для шахтных подъемников не было необходимости обеспечивать полезную нагрузку обратного хода), преимущество перед двигателем Ньюкомена было очевидным – мощность двигателя определялась уже не только габаритами цилиндра, но и давлением пара.

С 1774 г. на заводе М. Болтона близ Бирмингема начинается выпуск насосов Дж. Уатта, представляющих модернизированный вариант насоса Ньюкомена.

Начало эпохи транспортного машиностроения относят к 1781 г., когда Уатт создает двигатель с вращающим моментом на валу, на котором впервые применяются механизм преобразования поступательного движения, регулятор частоты вращения и водомерное стекло на котле.

В 1784 г. Уатт создает первый двигатель двойного действия с кривошипно-шатунным механизмом, который на долгие годы стал основной энергетической установкой морских паровых судов. Таким образом машины Уатта могли не только откачивать воду, но и приводить в движение станки и корабли!

Кто же он такой – создатель двигателя Джеймс Уатт?

Джеймс Уатт

Детство и отрочество Джеймса проходили в тихом патриархальном шотландском городке Гринвок, находящемся в тридцати километрах от Глазго. Любовь к ремеслу ребенок унаследовал от отца, который работал на строительстве кораблей, а тягу к знаниям – от деда, преподавателя математики. В восемнадцать лет юноша отправился приобрести специальность в Глазго. Став учеником в мастерских, Уатт за первые два года получил квалификации чеканщика, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов.

По совету дяди – профессора Мюирхеда, молодой изобретатель поступает в университет Глазго, где он получает должность механика. Именно здесь он начал изучать, улучшать модели паровых машин. С тех пор тепловой двигатель стал главным содержанием его исследований.

Схема паровой машины Уатта (1775 г.)

О точной дате появления универсального двигателя историки спорят до сих пор. Однако на этот вопрос, наверное, и нельзя дать однозначного ответа, поскольку сам процесс создания изобретателем своего детища имеет большую продолжительность. Формальными ориентирами могут быть 1769 г., когда Уатт запатентовал первый вариант двигателя, и 1782 г., когда был внедрен в практику усовершенствованный образец.

Уатт легко сходился с людьми и как никто другой умел располагать их к себе. За короткий срок он приобрел в университете немало друзей и знакомых.

Но жизнь диктовала свои условия. Приходилось поддерживать отношения не только с учеными, но и с промышленниками, банкирами, членами парламента. Реальные владельцы капитала были необходимы Уатту. Безмерно устав от материальной нужды, уже широко известный изобретатель однажды с горечью признался: «Я предпочел бы стоять перед заряженной пушкой, чем иметь дело со счетами и сделками».

Финансовые трудности заставили Уатта уже в зрелом возрасте проводить геодезические исследования, работать на строительстве каналов, сооружать порты и пристани, пойти, наконец, на экономически невыгодный союз с предпринимателем Джоном Ребеком, которого вскоре постиг полный финансовый крах.

Материальное положение Уатта улучшилось после того, как он вступил в деловые отношения с уже упомянутым бирмингемским промышленником Метью Болтоном. Но этому предшествовал один весьма интересный эпизод.

Российский царский двор и Академия наук знали, во что вкладывать деньги, и не жалели их, чтобы привлечь к себе талантливых европейских ученых. В золотой для науки век ученые ехали в Россию, а не из нее. И вполне естественно, что одним из тех, кто попал в поле зрения радетелей о благе российской науки и техники, был Джеймс Уатт. Предложенная ему оплата была и большой, и крайне ему необходимой.

Существует достаточно света для тех, кто хочет видеть, и достаточно мрака для тех, кто не хочет.

Б. Паскаль

Намерение Уатта уехать в Россию вызвало неслыханный переполох у него на родине. «Боже, – писал поэт Дарвин, дед известного натуралиста, – как я был напуган, когда услышал, что русский медведь зацепил Вас своей громадной лапой и тянет в Россию! Умоляю не ездить, если только это возможно… Я надеюсь, что Ваша огненная машина оставит Вас здесь».

Не высокие патриотические чувства, а экономический интерес и четкий расчет заставили англичанина Болтона сделать все возможное, чтобы Уатт подписал договор, подготовленный моторным заводчиком. Еще бы! Ведь согласно документу, две трети доходов от использования уаттовских машин на предприятиях промышленника шли последнему.

Существует мнение, что Уатт – инженер, изобретатель, конструктор, но не более того. Это совсем не так. Он был талантливым и эрудированным ученым, внесшим большой вклад в теоретические основы теплотехники. Он следил за тем, что уже сделано и что происходит в исследуемой им области. Уатт специально овладел немецким и французским языками – для чтения необходимых научных трудов. Из большого теоретического наследия Уатта можно выделить три главных направления его поисков: исследование свойств воды и водяного пара, изучение теплоты парообразования, определение взаимосвязи между давлением и температурой водяного пара.

В личности Уатта впервые гармонично проявился симбиоз ученого-исследователя и инженера-конструктора, что позже переросло в норму для представителей прикладной науки.

Научно-исследовательская и конструкторская активность Уатта в преклонные годы заметно снизилась. Силы таяли, возраст брал свое. «Будем в дальнейшем изготовлять те вещи, – писал в 1785 г. ученый Болтону, – которые мы уже умеем делать, а все остальное предоставим молодым людям, которым не грозит потеря денег или имени». А чтобы обеспечить стабильные и гарантированные доходы от паровой машины, Уатт по подсказке Болтона получил патент, который юридически обезопасил вплоть до 1800 г. ее создателя и его компаньона-промышленника от энергичных и ловких конкурентов, дышащих в затылок.

Уатт прожил удивительную и долгую жизнь. Умер он в возрасте восьмидесяти трех лет и был похоронен в приходской церкви в Хэндс-Уорти рядом с прахом его многолетнего сподвижника Болтона. Вскоре в Вестминстерском аббатстве в благодарность соотечественники возвели славному сыну Англии замечательный памятник, где есть надпись:

Не для того, чтобы увековечить имя, которое будет жить, пока процветают мирные искусства, но чтобы показать, что человечество отдает почести тем, кому оно обязано, с благодарностью король, его слуги, а также многочисленные дворяне и граждане королевства возвели этот памятник Джеймсу Уатту.

Его гений путем опыта усовершенствовал паровую машину. Благодаря этому он приумножил богатства своей родины, мощь людей и поднялся до высоких ступеней среди великих деятелей науки, этих истинных благодетелей человечества.

От универсального двигателя к железной дороге

Роберт Фултон

Со временем тепловые двигатели «научили двигаться» и тележки, и корабли. Американец Роберт Фултон (1765–1815) применил такой двигатель в построенном им пароходе.

Этот пароход «Клермонт» в 1807 г. совершил свое первое плавание по реке Гудзон.

А 25 июля 1814 г. локомотив Джорджа Стефенсона (1781–1848) совершил первую поездку по узкоколейке со скоростью 6,4 км/ч. Затем в 1823 г.

Схема паровой тележки Мердока (1786 г.)

Стефенсон основал первый паровозостроительный завод. Так началась эра железных дорог в Европе и во всем мире. В сентябре 1825 г. лучший из паровозов, сконструированных Стефенсоном, совершил поездку по линии длиной 21 км Стоктон – Дарлингтон со скоростью уже 12 км/ч.

Первый паровоз Р.Тревитика (1803 г.)

В России первую железную дорогу с паровой тягой построили отец и сын Черепановы (Ефим Алексеевич и Мирон Ефимович). Паровоз Черепановых начал ходить в августе 1834 г. в Нижнем Тагиле на заводе семьи Демидовых. Там по железной дороге длиной около 1 км перевозили грузы массой до 3,5 т со скоростью 13–16 км/ч.

Джордж Стефенсон

В 1836–1838 гг. была построена Царскосельская железная дорога (27 км) общего пользования.

Сейчас общая протяженность железных дорог во всем мире достигает уже 1,3 млн км; они есть почти в каждой стране.