Termometro išradimas
Senovės mokslininkai kūno temperatūrą nustatydavo, jį palietę. Tik XVI a. pabaigoje kilo mintis kūnų šiluminio plėtimosi reiškinį pritaikyti temperatūrai matuoti. Pirmasis tai bandė padaryti Galilėjus. Paskaitose jis demonstravo prietaisą, kuris buvo dabartinio termometro prototipas. Šį prietaisą sudarė nedidelis stiklinis rutuliukas su prilituotu prie jo stikliniu vamzdeliu. Rutuliukas būdavo palengva kaitinamas, o vamzdelio galas įleidžiamas į vandenį. Labai greitai oras rutuliuke atvesdavo, jo slėgis sumažėdavo, ir tada vanduo, veikiamas atmosferos slėgio, kildavo vamzdeliu iki tam tikro aukščio. Oro slėgis pašildytame rutuliuke padidėdavo, o vandens lygis vamzdelyje sumažėdavo. Atvėsusiame rutuliuke vanduo pakildavo. Šis prietaisas buvo pavadintas termoskopu (iš graikų kalbos žodžių “termo”- šiluma; “skopeo”-žiūrėti, stebėti). Galilėjaus amžininkai patobulino termoskopą, įtaisę jame skalę. Kiekvienas konstruktorius savajam prietaisui sukurdavo savo skalę. Pradinius taškus parinkdavo laisvai, pavyzdžiui pagal “didžiausią žiemos šaltį” arba “aukščiausią vasaros temperatūrą”. Beje, Oto fon Gerikės, Magdeburgo miesto burmisto, padaryto termometro skalėje nuline parinkta 1660m. rudens vienos dienos temperatūra, kai Magdeburge pirmą kartą pašalo. Atstumai tarp skalės padalų taip pat parinkti laisvai, todėl palyginti įvairių termometrų parodymus buvo neįmanoma. Be to, Galilėjaus termoskopo ir į jį panašių prietaisų parodymams turėjo įtakos ne tik temperatūros, bet ir atmosferos slėgio pakitimai: sumažėjus slėgiui, skysčio lygis vamzdelyje nukrisdavo, padidėjus – pakildavo. Skaičiavimai rodo, kad, temperatūrai pakitus 1°C, skysčio lygis vamzdelyje pakinta tiek pat, kiek atmosferos slėgiui pakitus 2,5mm Hg. Pavyzdžiui, Maskvoje atmosferos slėgio svyravimai siekia 20mm Hg ir daugiau. Tai atitinka temperatūros pakitimą 8°C. Vadinasi, sumažėjus atmosferos slėgiui 20mm Hg, Galilėjaus termometre temperatūra pakyla 8°C. Taigi senovinis termoskopas drauge buvo ir baroskopas (iš graikų kalbos žodžių “baros”- sunkumas, “skopeo”-stebėti).
Atmosferos slėgio įtaka termometro parodymams pirmą kartą pašalinta prietaise, kuris 1641m. buvo padarytas Toskanos hercogui Ferdinandui II. Prietaiso rutuliukas pripildytas alkoholio, o oras iš stiklinio hermiškai užlakuoto vamzdelio išsiurbtas. Šildomo alkoholio tūris didėjo, ir skysčio lygis vamzdelyje kilo. Pirmuosius praktiškai pritaikomus termometrus 1714m. padarė olandų stiklapūtys D. Faranheitas. Jis sukonstravo gyvsidabrio termometrą, kuriame ledo, vandens ir druskos mišinio temperatūra buvo laikoma nuline, o normali žmogaus kūno temperatūra 100°. Padalijęs šį temperatūrų intervalą į 100 lygių dalių, Farenheitas gavo 1° vertę. Farenheito skalės laipsnis žymimas °F. Pagal šią skalę ledo tirpimo temperatūra lygi 32°F, o vandens virimo temperatūra 212°F. Faranheito termometrai dar ir dabar naudojami JAV bei Anglijoje. Apie 1740m. prancūzų fizikas R. Reomiūras pasiūlė alkoholio termometrą su pastoviais ledo tirpimo (0°) ir vandens virimo (80°) taškais. Atstumą skalėje tarp ledo tirpimo ir vandens virimo taškų jis padalijo į 80 dalių. Reomiūro skalės laipsnis žymimas °R. Beveik tuo pačiu metu švedų fizikas A. Celsijus naudojo gyvsidabrio termometrą, kuriame tarpas tarp ledo tirpimo ir vandens virimo taškų padalytas į 100 dalių. Norėdamas išvengti neigiamų skaičių, matuojant žemą temperatūrą, vandens užšalimo tašku jis laikė 100°, o vandens virimo tašku – 0°. Šios skalės laipsnis žymimas °C. Tačiau patogiausia pasirodė esanti skalė, kurioje ledo tirpimo temperatūra buvo žymima 0°C, o vandens virimo temperatūra 100°C. Tokiu termometru dabar mes ir naudojamės. Įdomu pažymėti, kad termometras pirmiausia buvo tobulinamas tik meteorologiniams stebėjimams. Jis priskiriamas prie meteorologinių prietaisų. Vėlau juo buvo matuojama gyvenamųjų patalpų, o medicinoje – ligonio kūno temperatūra(beje, kaip tik šiam tikslui termometrą sukonstravo vienas pirmųjų jo išradėjų – italų gydytojas Santorigas, Galilėjaus amžininkas), jis naudojamas, atliekant cheminius tyrimus ir pan. Dabar gaminamų termometrų veikimas pagrįstas kitais fizikiniais reiškiniais. Tai padėjo padidinti temperatūros matavimo tikslumą. Pavyzdžiui šiuolaikinis elektrinis termometras parodo temperatūros svyravimus iki 0,000001°C. Taip pat galima išmatuoti labai žemą ir aukštą temperatūrą.Šilumos prigimtis
Dar 1744-1745m. M. Lomonsovas “Ąpmąstymuose apie šilumos ir šalčio priežastį” teigė, kad šiluminę energiją sąlygoja kūno dalelių – molekulių – judėjimas. Kad būtų akivaizdu, kuo Lomonsovo pažiūros iš esmės skiriasi nuo tuo metu vyravusių teorijų, trumpai susipažinkime su šilumos vaizdiniais, susiformavusiais dar XVIII amžiuje. Šiluma buvo įsivaizduojama kaip besvoris ir nematomas skystis, įsiskverbiantis į kūno poras (panašiai kaip vanduo susigeria į kempinę). Iš tikrųjų pastebime, kad ugnies židinio šiluma puodo sienelėmis perduodama vandeniui, iš vandens – į jį panardintam šaukštui; karštas šaukštas, įleistas į šaltą vandenį, jį sušildo. Bet kuris jūsų galėtų pateikti daugybę pavyzdžių, tarsi patvirtinančių požiūrį į šilumą kaip į skystį, prasiskverbiantį pro smulkiausias kūno poras. Kad šis skystis ne tik nematomas, bet ir besvoris, tuo laiku buvo nustatyta sveriant šaltą ir karštą kūną. Šis skystis pavadintas “kaloriku”. Lomonosovas ryžtingai paneigė kaloriko hipotezę. Tačiau daugelis žymių Europos mokslininkų ir toliau gynė požiūrį į kaloriką. Ir tik XVIII a. pabaigoje anglų fizikas Rumfordas bandymais įrodė Lomosovo idėjų teisingumą. Stebėdamas, kaip Miuncheno arsenale gaminamos patrankos, Rumfordas atkreipė dėmesį į didelį šilumos kiekį, išsiskiriantį jas gręžiant.Kad trinant išsiskiria šiluma, buvo žinoma dar prieš Rumfordo stebėjimus. Istorijos apyaušryje žmonės trindami išgaudavo ugnį. Tačiau Rumfordas buvo tikras tyrinėtojas ir šiame paprastame reiškinyje įžvelgė gamtos dėsnį. Stebėdamas kaistantį patrankos vamzdį. Rumfordas galvojo, ar tai nevyksta todėl, kad pjuvenų, susidariusių gręžiant metalą, šiluminė talpa mažesnė. Dėl to metalo luite esančios šilumos kiekis, metalui virstant pjuvenomis nepakis, tik pakilus temperatūrai, panašiai kaip kibire, kurio sulankstyti šonai, bus tas pats vandens kiekis, bet jo lygis pakils. Tačiau pasirodė, kad metalo luito ir pjuvenų šiluminė talpa yra vienoda, ir pasitenkinti tokiu aiškinimu negalima. Tada Rumfordas spėjo, kad gręžiant šiluma į gaminį patenka iš oro. Šį spėjimą jis patikrino, apliejęs gręžiamą vamzdį vandeniu. Tačiau rezultatas buvo toks pat – vanduo net užvirė. Tada Rumfordas pareiškė: jeigu toliau gręžiant galima gauti neribotą šilumos kiekį, tai šilumos negalima laikyti medžiaga, todėl ir visus šiluminius reiškinius reikia laikyti judėjimu. Žinomas anglų chemikas Devis greitai įrodė, jog vienas į kitą trinamus du ledo gabaliukus galima paversti vandeniu; paskui jis parodė, kad vakuume, liesdamasis su besitrinančiais kūnais, vaškas gali išsilydyti. Kaip ir Rumfordas, Devis tvirtino, kad šiluma atsiranda, judant dalelėms.
Kaip veikia šaldymo mašinosŽinoma, kad kiekvienas skystis verda, esant tam tikrai temperatūrai. Ši temperatūra priklauso nuo garų slėgio virš skysčio. Pavyzdžiui, vanduo esant normaliam atmosferos slėgiui, verda kai temperatūra lygi 100°C. Padidinus slėgį, virimo temperatūra taip pat pakyla. Pavyzdžiui, slėgis padidėja hermetiškai užsidarančiame greitpuodyje, todėl virimo temperatūra pakyla iki 120°C. Kai slėgis mažas, pavyzdžiui aukštai kalnuose, virimo temperatūra būna mažesnė. Žinoma atvejų, kai alpinistai aukštai kalnuose negalėjo išsivirti verdančiame vandenyje kiaušinių, nes 7134m. aukštyje (Lenino viršukalnėje Pamyre) slėgis yra 300mm Hg, ir vanduo verda, kai temperatūra 70°C. Esant tokiai temperatūrai, kiaušinio baltymas nesukreša. Sumažinus slėgį, galima pasiekti, kad skystis užvirtų, būdamas kambario temperatūros. Be to, jis vėsta, nes garuojančio skysčio vidinė energija (virimas taip pat garavimo procesas) mažėja ir, jeigu skystis jos negauna iš kitur, jo temperatūra kinta. Aušimo efektas, garuojant skysčiui, pritaikomas kai kuriose šaldymo mašinų sistemose, be kita ko, tose, kurios naudojamos buityje ( “Зил”, “Юрюзань”, “Минск” ir kt.). šiuose šaldytuvuose kaip aušinimo skystis naudojamos dujos freonas-12. Jeigu namuose yra šaldytuvas, pagal instrukciją susipažinkite su jo veikimo principu ir pamėginkite atsakyti į šiuos klausimus:1. Ar kambario temperatūrai turi įtakos jame veikiantis šaldytuvas? Jeigu taip, tai kokios: pakelia ar sumažina ją?2. Kuri vieta šaldytuve šalčiausia ir kodėl? Atsakymą patikrinkite kambariniu termometru.3. Kur šaldytuve temperatūra aukštesnė – vidurinėje lentynoje ar apačioje? Kodėl? Atsakymą patikrinkite bandymu.4. Kodėl freono, patenkančio iš kompresoriaus, kuriame jis suspaudžiamas, į kondensatoriaus, esančio šaldytuvo užpakalinėje sienelės išorėje, kanalus, temperatūra aukšta?(Tai galite pajusti, palaikę ranką ant užpakalinės šaldytuvo sienelės.
Kaip susidaro sniegas ir ledas
Gamtoje vyksta nuolatinė vandens apykaita. Garuodamas nuo upių, ežerų ir jūrų paviršiaus, nuo drėgno dirvožemio, žolės, nuo medžių ir krūmų lapų, vanduo virsta garais, kyla į viršų, sutirštėja ir susidaro debesis, o paskui iškrinta ant žemės paviršiaus, suteka į upes ir jūras, jį sugeria dirvožemis, augalai. Paskui vanduo vėl išgaruoja. Šis niekada nesiliaujantis procesas pagal aplinkybes gali būti labai įvairus: kartais į žemę iškrinta lietus, kartais kruša arba sniegas. Kad suprastume šių reiškinių priežastis, susipažinkime su kai kuriomis vandens savybėmis. Vandens gali būti ir skystis ir dujos ir kietasis kūnas. Kai atmosferos slėgis normalus, nuo 0°C iki 100°C vanduo – skystis, žemiau 0°C jis virsta ledu, o virš 100°C vanduo – garais. Vanduo, kaip ir bet kuris skystis, garuoja bet kokios temperatūros, tačiau 100°C temperatūros jis garuoja labai greitai ir visu tūriu – vanduo verda. Kai temperatūra dar aukštesnė ir slėgis normalus, vanduo virsta garais. Vandens garai nematomi. Balti kamuoliai, kuriuos matome virš arbatinio su verdančiu vandeniu, yra ne garai, o smulkios vandens dalelytės, atsiradusios dėl vandens garų kondensacijos. Žiemą iš lauko į kambarį įneštas šaltas metalinis daiktas aprasoja. Taip įvyksta dėl kambaryje esančių vandens garų kondensacijos. Kaip vyksta kondensacija? Ore negali būti neribotas kiekis vandens garų. Juo šiltesnis oras, juo daugiau jame garų. Tačiau kai vanduo ura bet kokios temperatūros, didinant drėgmės kiekį, visada oras prisisotina vandens garų. Pavyzdžiui, 10°C temperatūros viename kubiniame metre oro gali buri ne daugiau kaip 9,5g garų, o 20°C temperatūros – ne daugiau kaip 17g. Jeigu vandens garų yra daugiau, oras būna persotintas, t.y. pereina į tokią būseną, kad tereikia tik mažos priežasties, ir garas ima tirštėti į vandens lašelius.
Visiškai gryną orą galima labai persotinti. Tačiau atmosferos oras niekada nebūna absoliučiai grynas: jame visada yra higroskopinių dulkelių (t.y. dulkelių, sudarytų iš medžiagų, sugebančių pritraukti ir sugerti oro drėgmę), įvairių druskų kristalėlių ir kitų dalelių. Tokios dalelės ir yra kondensacijos branduoliai. Jie lengvai pritraukia garų daleles, o šios sutirštėja, sudarydamos apie juos vandens apvalkalėlį. Nuo Žemės paviršiaus kylantis sušilęs oras drauge neša ir vandens garus. Kildamas aukštyn ir vėsdamas, oras vis labiau artėja prie sočiosios būsenos. Pagaliau tam tikrame aukštyje prasideda kondensacija, ir ore susidaro smulkiausi vandens lašeliai. Iš jų susideda apatinis debesų sluoksnis. Oras su likusiais jame garais toliau kyla į viršų. Stiprus oro srautas gali su savimi nusinešti ir susidariusius vandens lašus. Pasiekę atmosferos sluoksnį, kurio temperatūra mažesnė negu 0°C, šie vandens lašai vis labiau vėsta ir pagaliau sušąla. Ant jų krinta ir šąla kiti vandens lašai. Dėl to ir susidaro kiekvienam gerai pažįstami lediniai rutuliukai – krušos kruopelės. Vėsdami vandens garai ne visada kondensuojasi į vandenį. Kai kada jie iš karto gali virsti ledo kristalėliais (snaigėmis). Didėjant debesiui, vandens lašai, krušos kruopelės arba ledo kristalėliai stambėja. Sunkis verčia juos kristi, bet nuo žemės kylantis šilto oro srautas kliudo šiam judėjimui. Galiausiai ateina toks momentas, kai dalelės pasidaro labai stambios ir sunkios, o kylantis oro srautas negali jų sulaikyti. Tada lyja, sninga ar krinta kruša. Vasarą gali lyti ar būti kruša. Snaigės yra daug mažesnės už krušos kruopeles ir, krisdamos pro šiltus apatinius oro sluoksnius, spėja ištirpti. Jos virsta rūko lašais arba vandens garais. Kitokį vaizdą galima pamatyti žiemą. Tada net ir prie Žemės paviršiaus temperatūra žema. Todėl sniego kristalėliai, krintantys iš debesų, pakeliui į Žemę neištirpsta, o netgi padidėja. Snaigės padidėja tada, kai jos krinta pro oro sluoksnius, šaltesnius negu pačios snaigės. Garai, liesdamiesi su šalta snaige, sutirštėja ir nusėdę dar labiau ją padidina. Sniego kristalėlių forma labai įvairi, ji priklauso nuo oro temperatūros ir vandens garų kiekio jame. Kai temperatūra artima 0°C, dažniausiai iškrinta labai išsišakojusios žvaigždutės, o kai ji žemesnė – mažytės plokštelės, prizmės, adatėlės. 0°C temperatūros oras dažnai būna persotintas vandens garų. Tokiomis sąlygomis snaigės auga labai greitai ir netolygiai; sniego kristalėlių kampuose susidaro rageliai, kurie paskui šakojasi, suteikdami snaigei žvaigždutės formą. Kai šalčiai labai stiprūs, žvaigždutės beveik nedidėja. Todėl per stiprius šalčius kartais matome saulėje kibirkščiuojančius paprasčiausius kristalus – “deimanto” dulkes. Sniego kristalėliai labai maži: didžiausi sudaro milimetro dalis. Kai oro temperatūra artima 0°C, krisdami kristalėliai gali sulipti į 1 cm dydžio sniego dribsnius. Kai kuriais atvejais susidaro dar didesni dribsniai. Pavyzdžiui, 1892m. gruodžio 4d. Saksonijoje snigo dribsniais, kurių skersmuo siekė 12cm. Pučiant vėjui, didelės snaigės sulūžta, sutrupa, ir į žemę krinta mažytės kristalų nuolaužos.Ištrauka iš S. Karno dienoraščio…
… Šiluma – tai ne kas kita, kaip varomoji jėga arba, tiksliau, pakitęs judėjimas; tai kūno dalelių judėjimas; visur, kur naikinama varomoji jėga, tučtuojau atsiranda šiluma, ir jos kiekis būna proporcingas dingusiai varomajai jėgai. Ir atvirkščiai: visuomet, dingstant šilumai, atsiranda varomoji jėga. Taigi galima padaryti bendrą išvadą: gamtoje egzistuoja nekintamas varomosios jėgos kiekis; iš esmės ji niekuomet nesukuriama ir niekuomet nesunaikinama; iš tikrųjų ji tik keičia formą, t.y. sukelia tai vienos rūšies judėjimą, tai kitos, bet niekada neišnyksta…