Шведский астроном и физик

Андерс Цельсий (Anders Celsius) родился 27 ноября 1701 года в Упсале, Швеция. Отец Андерса, Нильс, и оба деда, Магнус Цельсий и Андерс Споул, были профессорами. Учёными были и многие другие родственники Андерса Цельсия, в том числе его дядя Улоф Цельсий (1670—1756), теолог, ботаник, историк и востоковед.

Отец скончался в тот год, когда Андерсу исполнилось 23 года. Если до этого момента Цельсий ещё задумывался о том, стоит или не стоит идти по стопам отца, то после смерти Нильса у его сына практически не осталось выбора – он дал твердую клятву матери – продолжить традицию двух дедов и отца.

У него был свой «конёк» – наблюдения за северными сияниями. Он следил за этим природным явлением, начиная с 15-летнего возраста, и к 30-летию накопил довольно серьёзный материал. Цельсий окончил Упсальский университет и с 1730 до конца жизни был профессором этого университета.

В 1733 Цельсий обнародовал данные более 300 наблюдений северного сияния, полученных им самим и другими астрономами в период с 1716 по 1732. Обнаружил, что отклонения стрелки компаса коррелируют с интенсивностью сияния. На этом основании он сделал правильное заключение, что природа Северного сияния связана с магнетизмом.

Идея узнать точные размеры всего земного шара в 18-м веке была идеей фикс. Для этого учёным было необходимо точно узнать, чему равна длина одного градуса меридиана на полюсе и у экватора. Чтобы добраться хоть до какого-нибудь полюса, в то время требовалось хорошее оснащение. Таких технологий ещё не существовало. Поэтому Цельсий, озабоченный этим вопросом, решил провести свои вычисления и исследования в Лапландии. Вместе с французским астрономом Пьером Луи Моро де Мопертюи Цельсий в 1733 году участвовал в экспедиции с целью измерения длины дуги меридиана в 1 градус в Лапландии (тогда — часть Швеции). Аналогичная экспедиция была организована на экватор, на территории нынешнего Эквадора. Сравнение результатов подтвердило предположение Ньютона, что Земля представляет собой эллипсоид, сплюснутый у полюсов.

После этой экспедиции власти Упсалы окончательно решили «раскошелиться» на обсерваторию. Она была открыта в 1741 году, когда у профессора Цельсия врачи обнаружили первые признаки надвигающейся беды… Он не сдался! Он ещё успел в следующем, 1742 году, опубликовать работу с описанием стоградусной шкалы термометра, в которой температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении была принята за 0°, а температура таяния льда – за 100°. А в год смерти Цельсия эту шкалу перевернули с ног на голову, приняв за 0° температуру таяния льда. Этой шкалой мы пользуемся до сих пор, называя её шкалой Цельсия. Впрочем, впервые она «дебютировала» чуть позже, в 1747 году…

При его участии была организована Упсальская обсерватория, директором которой он стал в 1740. Цельсий заявил, что главная цель его деятельности – организовать в Упсале самую настоящую астрономическую обсерваторию, оснащённую современнейшими телескопами и другими приборами. В те времена в Швеции сверхмощные телескопы не выпускали, а потому Цельсий отправился в научную командировку в Европу, чтобы присмотреться к самым крупным обсерваториям Старого света. И по возможности купить всё необходимое. В Нюрнберге ему предложили опубликовать свои наблюдения, в результате чего была отпечатана книга «Триста шестнадцать наблюдений за полярными сияниями, выполненных с 1716 по 1732 г.г.».

Сегодня это самое старейшее подобное заведение во всей Швеции. Интересные факты в науке открывались в стенах этой астрономической обсерватории. А. Й. Ангстрем проводил тут свои оптические и физические эксперименты, а К. Ангстрем исследовал солнечную радиацию. Цельсий весьма точно измерил яркость 300 звёзд, используя систему одинаковых стеклянных пластин, поглощавших свет. Впервые интенсивность свечения звёзд определялась инструментальным способом, а не с помощью человеческого зрения.

После двухлетних испытаний термометра Реомюра Цельсий в 1742г. обнаружил погрешность в градуировке шкалы. Оказалось, что она в большой степени зависит от атмосферного давления. Цельсий предложил оговорить давление при градуировке шкалы, и весь температурный диапазон разбил на 100˚, но отметку 100˚присвоил точке таяния льда, а за ноль градусов принял температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении.

Позднее шведский биолог Карл Линней (по другим источникам немец Штрёммер) поменял обозначения опорных точек. Так появилась широко применяемая теперь температурная шкала Цельсия. Её калибровка производилась при нормальном атмосферном давлении 1013,25 гПа.

Температурные шкалы создавались Фаренгейтом, Реомюром, Ньютоном и другими. Кстати, Ньютон (и великие ошибаются) выбрал опорной точкой температуру человеческого тела.

Температурная шкала Цельсия принята на I Генеральной конференции по мерам и весам в 1889 г. В настоящее время градус Цельсия - официальная единица измерения температуры, установленная Международным комитетом мер и весов, но с некоторыми уточнениями и определениями.

Цельсий был не единственным, а лишь одним из последних, кто участвовал в разработке температурной шкалы.

Первым изобрёл прибор термоскоп Галилео Галилей, случилось это в 1597 году, когда он взял стеклянную трубку с припаянным к ней небольшим стеклянным шариком, немного подогрел шарик и открытый конец трубки поместил в сосуд с водой.

В 1665 году голландский физик Христиан Гюйгенс вместе с английским физиком Робертом Гуком впервые предложили использовать в качестве отсчётных точек температурной шкалы точки таяния льда и кипения воды.

Одними из первых термометр в привычном для нас виде изобрели знаменитый Исаак Ньютон и датский астроном Оле Рёмер, на рубеже XVII и XVIII веков. Первый экспериментировал сначала с холодным зимним воздухом и тлеющими углями, разбив разницу температур на 12 частей. Это ему не очень понравилось, но он догадался поместить в тонкую трубку льняное масло, которое расширялось и поднималось, в зависимости от температуры.

Датчанину и в голову не пришло использовать льняное масло, которое недостаточно насыщено по цвету. Он взял крепкое красное вино, а свою шкалу разбил не на 12 частей, а на 60.

Но «знамя Рёмера» подхватил немецкий стеклодув и механик Даниэль Габриэль Фаренгейт, который большую часть жизни прожил в Нидерландах, но не поленился встретиться с Рёмерем лично. Было это в 1708 году, а в 1714 Фаренгейт предложил заменить спирт в термометре на ртуть.

За нижнюю точку холода Даниэль взял соль со льдом (около минус 17,8 градусов), верхнюю – температуру тела лошади (37,8 градусов). Разницу температур Фаренгейт не поленился разбить на 100 равных частей…

В 1731 г. новый градусник предложил Фершо де Реомюр, который на основе тех же контрольных точек (замерзания и кипения воды) построил восьмидесятиградусную шкалу.

После него термометр усовершенствовали профессор Академии наук и художеств в Санкт-Петербурге, выходец из Франции, Николя Делиль, и его соратник по Академии медик Йозиас Вайтбрехт. У последнего шкала была разбита на 150 градусов, начинаясь на точке кипения воды, а заканчиваясь на точке замерзания воды. Но ещё в том же XVIII веке всё с «ног на голову» поставил знаменитый Михайло Ломоносов.

Классический термометр, заполненный водой, невозможно разметить для температур ниже 4 градусов цельсия, так как в этом диапазоне вода начинает снова расширяться. Первоначальное определение градуса Цельсия зависело от определения стандартного атмосферного давления, потому что и температура кипения воды и температура таяния льда зависят от давления. Это не очень удобно для стандартизации единицы измерения.

Поэтому после принятия кельвина, в качестве основной единицы измерения температуры, определение градуса Цельсия было пересмотрено. Согласно современному определению, градус Цельсия равен одному кельвину, а ноль шкалы Цельсия установлен таким образом, что температура тройной точки воды равна 0,01 °C. В итоге, шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15:

°C = K – 273,15. (Тройная точка воды — строго определённые значения температуры и давления, при которых вода может одновременно и равновесно существовать в виде трёх фаз — в твёрдом, жидком и газообразном состояниях. Тройная точка воды — температура 273,16 К (0,01 °C) и давление 611,657 Па.)

До 1946 г. шкала называлась просто стоградусной. Только тогда Международный комитет мер и весов присвоил градусу стоградусной шкалы наименование "градус Цельсия".

Андерс Цельсий умер 25 апреля 1744 года в Упсале от туберкулёза. Он был похоронен в церкви Гамла Упсала.

В честь учёного был назван редкий минерал цельзиан– разновидность бариевого полевого шпата, который встречается в Швеции, Японии, Украине и астероид 4169. Шведский астронавт Кристер Фуглесанг участвовал в ESA под названием Celsius Mission (Миссия Цельсия). Несколько улиц в Швеции названы в честь Цельсия, в том числе и в Стокгольме, Гётеборге, Мальме и Уппсале. Даже шведская оборонительно промышленная группа Цельсия AB была названа в честь Андерса Цельсия.

Компания Coin Invest Trust для Островов Кука в мае 2014 года выпустила монету "Андерс Цельсий", посвященную 270-летию со дня смерти знаменитого создателя шкалы Цельсия.

Рассказывают, что ...

• Вплоть до второй половины XIX века температуру тела человека определяли эмпирически, приложив руку, хотя термометр был изобретён Г. Галилеем ещё в конце XVI века.

• Выдающийся учёный своего времени Даниэль Габриэль Фаренгейт (1686 - 1736), работавший в Голландии, в 1709 году предложил первый надёжный спиртовой термометр. В качестве исходных он использовал три точки отсчёта: 0° определялся в сосуде со смесью льда, воды, солей аммония и морской соли; 32° соответствовали температуре таяния льда; 96°соответствовали температуре полости рта. Температура кипения воды соответствовала по Фаренгейту 212°, что на 180° выше температуры таяния льда.

• Французский естествоиспытатель Рене Антуан Фершо Реомюр (1683 - 1757) в 1730 году изобрёл спиртовой термометр со шкалой от 0° до 80°, где 0° соответствовал температуре замерзания воды. Приняв объём спирта при 0° за 1000 условных единиц, Реомюр нагрел его до кипения, что соответствовало объёму в 1080 единиц. Так Реомюр определил температуру кипения воды: 80°.

Последнее слово в градировании шкалы термометра принадлежит Цельсию.

Успешное внедрение термометрии в клиническую практику в России связано с именем С.П.Боткина и относится к 1860 году.

*Градус Цельсия (обозначение: °C) — широко распространённая единица температуры, применяемая в Международной системе единиц (СИ) н

аряду с кельвином. Используется всеми странами, кроме США, Багамских Островов, Белиза, Каймановых Островов и Либерии.

• Даниель Габриель Фаренгейт (1686−1736). Именем учёного названа единица измерения температуры — градус Фаренгейта. Даниель происходил из зажиточной купеческой семьи. Родители надеялись, что он продолжит семейное дело, поэтому будущий учёный изучал торговлю. Шкала Фаренгейта до сих пор широко используется в США Если бы в какой-то момент он не проявил интереса к прикладным естественным наукам, то не появилось бы системы измерения температуры, которая долгое время главенствовала в Европе. Впрочем, её нельзя назвать идеальной, так как за 100 градусов ученый принял температуру тела своей жены, которая, как назло, на тот момент болела простудой. Несмотря на то, что во второй половине XX века систему немецкого ученого вытеснила шкала Цельсия, температурная шкала Фаренгейта по-прежнему широко используется в США.

Томсон лорд Кельвин, Уильям (1824 – 1907). Шотландско-ирландский физик и механик. Известен своими работами в области термодинамики, механики, электродинамики. В 1892 г. У.Томсону за его большие научные заслуги был присвоен титул барона Кельвина (по имени речки Кельвин, протекающей вблизи университета в г. Глазго). Томсон написал огромное количество работ по экспериментальной и теоретической физике. Пятидесятилетний юбилей его научной деятельности в 1896 г. отмечали физики всего мира. В чествовании Томсона участвовали представители разных стран, в том числе русский физик Н.А.Умов; в 1896 г. Томсон был избран почётным членом Санкт-Петербургской Академии наук. В честь Уильяма Томсона названа единица измерения абсолютной температуры – кельвин.

Рене Антуан Реомюр (1683 – 1757). Французский естествоиспытатель, иностранный почётный член Петербургской АН (1737). Труды по математике, физике, химии, физиологии, биологии. Предложил температурную шкалу, названную его именем. В 1730 году описал изобретённый им спиртовой термометр, шкала которого определялась точками кипения и замерзания воды и была разделена на 80 градусов (градус Реомюра).

Шкала Ранкина (измеряется в градусах Ранкина — °Ra) — абсолютная температурная шкала, названа по имени шотландского физика Уильяма Ранкина (1820—1872). Используется в англоязычных странах для инженерных термодинамических расчётов Шкала Ранкина начинается при температуре абсолютного нуля, точка замерзания воды соответствует 491,67 °Ra, точка кипения воды 671,67 °Ra. Число градусов между точками замерзания и кипения воды по шкале Фаренгейта и Ранкина одинаково и равно 180.

Соотношение между кельвином и градусом Ранкина: 1 K = 1,8 °Ra, градусы Фаренгейта переводятся в градусы Ранкина по формуле °Ra = °F + 459,67.

*Известны температурные шкалы Фаренгейта, Кельвина, Реомюра и др. Температурная шкала Фаренгейта (во втором варианте, принятом с 1714 г.) имеет три фиксированные точки: 0° соответствовал 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. Шкала Фаренгейта широко распространена в англоязычных странах, но ею почти не пользуются в научной литературе. Для перевода температуры по Цельсию (°С) в температуру по Фаренгейту (°F) существует формула °F = (9/5)°C + 32, а для обратного перевода – формула °C = (5/9)(°F-32).

Обе шкалы – как Фаренгейта, так и Цельсия, – весьма неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды и выражается отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур, в основе которых лежит экстраполяция к так называемому абсолютному нулю – точке, в которой должно прекратиться молекулярное движение.

Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая – абсолютной термодинамической шкалой; температуры по ним измеряются в градусах Ранкина (°Rа) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля, а точка замерзания воды соответствует 491,7° R и 273,16 K.

Число градусов и кельвинов между точками замерзания и кипения воды по шкале Цельсия и абсолютной термодинамической шкале одинаково и равно 100; для шкал Фаренгейта и Ранкина оно тоже одинаково, но равно 180.

Градусы Цельсия переводятся в кельвины по формуле K = °C + 273,16, а градусы Фаренгейта – в градусы Ранкина по формуле °R = °F + 459,7. в Европе долгое время была распространена шкала Реомюра, введённая в 1730 г Рене Антуаном де Реомюром. Она построена не произвольным образом, как шкала Фаренгейта, а в соответствии с тепловым расширением спирта (в отношении 1000:1080). 1 градус Реомюра равен 1/80 части температурного интервала между точками таяния льда (0°R) и кипения воды (80°R), т. е. 1°R = 1.25°С, 1°C = 0.8°R., но в настоящее время вышла из употребления.

После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы. Первая шкала - термодинамическая, которая не зависит от свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно. Единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин (1 К) - одна из основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия.

Вторая рекомендованная температурная шкала - международная практическая. Эта шкала имеет 11 реперных точек - температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1 К.

В настоящее время основной реперной точкой, как термодинамической шкалы, так и международной практической шкалы температур является тройная точка воды. Эта точка соответствует строго определенным значениям температуры и давления, при которых вода может одновременно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Причём, если состояние термодинамической системы определяется только значениями температуры и давления, то тройная точка может быть только одна. В системе СИ температура тройной точки воды принята равной 273.16 К при давлении 609 Па.

Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство тела, описывающееся физической величиной, изменение которой является признаком изменения температуры или термометрическим признаком. Это свойство должно быть достаточно легко воспроизводимо, а физическая величина - легко измеряемой. Измерение указанной физической величины позволяет получить набор температурных точек (и соответствующих им значений температуры), промежуточных по отношению к реперным точкам.

• Решающий вклад в развитие конструкции термометров внёс немец Габриэль Даниэль Фаренгейт. В1709 году он изобрёл спиртовой термометр, а в 1714 – ртутный. Он придал им ту же форму, что применяется и сейчас. Успех его термометров следует искать во введенном им новом методе очищения ртути; кроме того, перед запаиванием он кипятил жидкость в трубке.

Рене Антуан де Реомюр не одобрял применения ртути в термометрах вследствие малого коэффициента расширения ртути. В 1730 г. он предложил применять в термометрах спирт, а в 1731 году изобрёл водно-спиртовой термометр. И поскольку Реомюр нашёл, что применяемый им спирт, смешанный в пропорции 5:1 с водой, расширяется в отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды, то предложил шкалу от 0 до 80°.