Джерела перше зведення про температурі - відчуття тепла і прохолоди, спеки та холоду з усіма безперервними посиленнями і ослабленнями цих відчуттів.

 Температура як інтенсивне властивість. Які поширені відомості важливі для розуміння того, що таке температура? Заповнимо бочку холодної водою з відер. Сума обсягів води у відрах дорівнює обсягу бочки. Але скільки б холодної води ні влити в бочку, гарячої води при цьому не вийде. Міркування це зовсім не смішно і не наївно, і досвід цей не очевидний сам собою. Це дуже важливий закон природи. Ми просто звикли. Фізика - велике торжество людського розуму. Але вона часто розвивалася у зв'язку з вивченням здаються тривіальних речей» (Д. П. Томсон).

З кількох коротких палиць можна скласти одну довгу, якщо з'єднати їх між собою встик. Довжина, об'єм - властивості системи. Але тепер додамо: довжина, обсяг, площа, маса - приклади екстенсивних властивостей (латинське слово extensivus - протяжний).Екстенсивні величини складаються. На законі складання цих величин заснований метод їх вимірювання. Вимірювання екстенсивної величини - це порівняння її з іншою, однорідної з нею величиною (довжини з довжиною, площею з площею, обсягу з обсягом, маси з масою тощо).

Вимірювати температуру так, як вимірюють довжину, площу, об'єм, масу, не можна: температури не складаються. Неможлива така одиниця температури, якої можна безпосередньо вимірювати будь-яку температуру. Температура - приклад інтенсивних властивостей системи (латинське слово intensivus - напружений). До температурі закон додавання непридатний. Якщо залізний стрижень розділити (подумки) на кілька частин, температура кожної з них від цього не зміниться. Довжина кожної з частин зміниться. Безпосередньо установити числове співвідношення між різними температурами безглуздо і неможливо.Але як же вимірювати температуру, якщо не можна користуватися методом, придатним для екстенсивних величин? Завдання виявилося непростим. Історія говорить: геометрія виникла на кілька тисяч років раніше, ніж термометрія.

 Термоскоп. Видатний французький фізіолог К. Бернар (1813 - 1878) висловив думку: «Зазвичай називають відкриттям ознайомлення з новим фактом. Але я думаю, що ідея, пов'язана з цим фактом, складає насправді відкриття. Всякий експериментальний почин укладений в ідеї. Вона викликає експеримент». Запам'ятаємо цю думку. Вона дозволить правильно оцінити винахід термоскопа (грецьке слово skopeo - дивлюся) Галілеєм (ймовірно, у 1592 р.).

Давно була відома зв'язок між зміною в теплових відчуттях, які в нас викликає якесь тіло, і змінами самого тіла. Раніше всього помітили (найлегше було помітити) зміна обсягу повітря. До нас дійшли описи древніх приладів. Їх побудували Герон Олександрійський (приблизно в 1 ст. н. е..) і Філон з Візантії (приблизно у 2 ст. до н. е.). Дія цих приладів і було засноване на змінах об'єму повітря при нагріванні і охолодженні.

Прилад Філона (рис. 4) - це порожнистий свинцеву кулю з трубкою, доходила до його дна. Інший кінець трубки був опущений у відкритий посудину. У свинцеву кулю до половини була налита вода, і над нею знаходився повітря. Куля виставляли на сонце. Повітря розширювався і витісняв воду з кулі. Вона по трубці витікала у відкритий посудину. Прилад ставили в тінь. Повітря стискалося. Вода з посудини знову переходила в кулю.

Термоскоп Галілея (рис. 5) ще простіше приладу Філона і складався з скляної кульки і припаяної до нього вузькою скляної трубки.Нагрівали кулька в руках і опускали кінець трубки у воду, налиту в посудину. Після охолодження кульки вода піднімалася в трубці вище рівня в посудині. До трубки для зручності спостереження прикріплювали шкалу з довільно нанесеними поділками.

Термоскоп дозволяв якісно судити про підвищення чи зниженні температури за пересуванням рівня води в трубці. Втім, і якісне судження могло бути однозначним тільки тоді, коли при зміні температури не змінювалося атмосферний тиск. Прилад простий і неточний, і все ж можна без перебільшення сказати: наукова термометрія і, значить, термодинаміка починаються, коли Галілей винайшов перший термоскоп. Створення термоскопа пов'язано з геніальною ідеєю Галілея - судити про зміни температури по іншим вимірюваним змін в тілах.Ця ж ідея збереглася, коли від термоскопа стали переходити до термометру (грецьке слово metron - міра).Ідея вирішила все і принесла успіх.

 Термічна рівновага. Досить було термоскопа, щоб відкрити один із чотирьох основних законів термодинаміки - закон термічної рівноваги. Немає можливості зв'язати відкриття цього закону з одним або навіть декількома іменами і приурочити відкриття до певної дати. Багато дослідників, які займалися питаннями термометрії, не завжди усвідомлювали у термічному рівновазі обґрунтований досвідом закон і розглядали це рівновага як очевидне явище. По суті справи, вимірювання температури термоскопами (а пізніше термометрами) засноване на законі термічної рівноваги.

На початку другої половини 18 ст. Дж. Блек (1728 - 1799) ясно виклав закон термічної рівноваги із зазначенням умов, при яких воно може встановитися: «...Всі тіла, які вільно повідомляються один з одним і не піддаються нерівності зовнішніх умов, беруть одну і ту ж температуру. Її вказує термоскоп. Всі тіла приймають температуру навколишнього середовища. Застосування термоскопов навчило нас наступного. Нехай 1000 або більше різних родів матерії - метали, каміння, солі, дерево, пробка, пір'я, шерсть, вода і ряд інших рідин - мають спочатку різні температури.Помістимо всі ці тіла в кімнату без вікон, не висвітлену сонцем. Теплота буде передаватися від більш гарячих із цих тіл до більш холодним протягом, можливо, декількох годин або протягом дня. По закінченні цього періоду докладемо термоскоп послідовно до кожного тіла. Показання термоскопа буде точно одним і тим же».

Блек розглянув приклад, коли термічна рівновага встановилася між різними тілами. Тоді яке-небудь інше тіло (термоскоп в розглянутому прикладі), прийшовши в термічна рівновага з одним з перерахованих тіл, тим самим виявляється в термічному рівновазі з усіма іншими тілами. Справедливо і зворотне положення. Нехай якесь тіло, наприклад термоскоп, знаходиться в термічному рівновазі з кожним з ізольованих один від одного тел. Встановлення контакту між тілами, як у прикладі Блека, не викличе в них змін температури.Багато хто досі розглядають обидва положення як очевидні. Такий погляд є помилковим. Закон термічної рівноваги, як і всякий закон, заснований на досвіді. Геніальний фізик М. Планк (1858 - 1947), який багато зробив і для термодинаміки, зазначив: «Те, що два тіла, перебуваючи в термічному рівновазі з третім тілом, знаходяться між собою в термічному рівновазі, зовсім не само собою зрозуміло, але дуже чудово і важливо».

Закон термічної рівноваги дозволяє однозначно вимірювати температуру термоскопами (термометрами). Термоскоп (термометр) показує свою власну температуру, Вона дорівнює температурі тіла, з яким термоскоп (термометр) знаходиться в термічному рівновазі. У главі 1передбачені результати, описані Блеком. Кімната без вікна, не освітлена сонцем, - це термостат. Після кількох годин або дні очікування кожне тіло приходить в стан незаторможенного внутрішнього термічної рівноваги і стан зовнішнього термічної рівноваги.

 Термометр. Що ж треба зробити, щоб перетворити термоскоп у термометр? Як виконати програму, намічену самим Галілеєм: «Вимірювати те, що измеряемо, і постаратися зробити вимірюваним те, що ще не є таким».

Р. Бойль (1627 - 1691) писав: «Ці термоскопи, схильні до дії атмосфери різної ваги, а також тепла і холоду, легко можуть збити нас з пантелику, якщо ми не будемо одночасно визначати іншим приладом вага атмосфери». Інший прилад - це барометр. Його винайшов у 1644 р. Е. Торрічеллі (1608 - 1647). Сам же Бойль відкрив у 1661 р. залежність між тиском і об'ємом газу при постійній температурі.Барометр і закон Бойля дозволяють враховувати, як зміни в тиску повітря впливають на показання термоскопа.Але ще краще, ніж вносити поправки на зміну тиску, створити термоскоп, який не потребує них. Історично так і сталося. Ще до робіт Торрічеллі і Бойля винайшли рідинний термометр (1631), точніше, теж термоскоп. Показання його практично не залежали від зміни барометричного тиску.Рідинний термометр - це перевернутий прилад Галілея, заповнений замість повітря на перших порах водою, потім спиртом, іншими рідинами і, нарешті, ртуттю. Ртуть виявилася дуже зручним термометричним речовиною.Один фізик 18 століття заявив в захваті: «Безумовно природа створила ртуть для виготовлення термометрів!»

Кінець термометрической трубки спочатку залишали відкритим (позначилося походження від термоскопа Галілея), а потім стали запаювати його. Але завдання, які належало вирішити, на цьому не закінчилися. Треба було висловити показання термоскопа, тобто положення кінця ртутного стовпчика, числами. У Флоренції короткий час (1657 - 1667) існувала Академія експериментальних досліджень. Флорентійські академіки перетворили рідинний термометр (рис. 7) у надійний прилад. Більшість з них в минулому були учнями Галілея.

Рис. 6. Зразок флорентійського термометра. У 17 ст. вчені почали вимірювати температуру термометром, а багато люди прикрашали термометром свої оселі. Звідси старання склодувів створити можливо більш ошатні термометри, часом на шкоду їх прямим призначенням.

Флорентійські академіки відкрили, що в суміші води з льодом один і той же термометр завжди показує одне і те ж. Звідси і виникло поняття про станах (точках) з постійною температурою. Температура суміші не залежить від співвідношення кількостей води і льоду. При точності вимірювань температури в 17 ст. не можна було помітити, змінюється температура суміші при зміні барометричного тиску.Відкриття другої постійної точки - температури кипіння води - вимагає набагато більше часу. Температура кипіння помітним чином залежить від барометричного тиску. У 1724 р.це остаточно встановив склодув Р. Д. Фаренгейт (1686 - 1736).

Наукові прилади, наукова апаратура 17 і першої половини 18 ст. були майже виключно скляними. Тому рівень скляної промисловості і мистецтво склодувів істотно впливали на досягнення дослідників. Фаренгейт брав участь у важливих дослідах (1732), які призвели Блека (1760) до поняття теплоємності.

Відкриття двох постійних точок використовували, щоб зіставляти рівень рідини в трубці термометра з температурою тіла. Зміна довжини рідинного стовпчика при підвищенні температури від точки плавлення льоду до точки кипіння води (при тиску в одну атмосферу) ділили на довільну кількість рівних частин - градусів. Ділення продовжили і нижче, і вище двох постійних точок. Цей принцип побудови термометрической шкали з успіхом застосував Фаренгейт. Остаточне торжество принципу (1742) пов'язане з ім'ям А. Цельсія (1701 - 1744).Він позначив температуру плавлення льоду через 100 градусів, температуру кипіння води - через нуль градусів і ввів в загальне застосування стоградусную шкалу температур. Але незабаром (1750) ці позначення поміняли місцями. Цією шкалою користуються вже понад 200 років майже повсюди у світі.

 Газовий термометр постійного об'єму. Найважче для початківців (на жаль! не тільки для них) зрозуміти, у чому ж сенс чисел, якими виражають температури. Як часто змішують закони природи з допущеннями, прийнятими для побудови температурної шкали!

Розповімо, як перетворили газовий термоскоп постійного обсягу термометр. Ж. Амонтон (1663 - 1705) у зв'язку з роботою вогненної машини (вона приводила в рух його млин) зацікавився питанням, на яку частку зростає тиск повітря при його нагріванні (1699). Рішення цієї задачі навело Амонтона на думку (1702) судити про зміни температури за змін тиску повітря при (практично) постійному обсязі. У термоскопі Амонтона (рис. 8) ртуть відсікала повітря в кулі (його діаметр приблизно 8 см) від зовнішнього повітря.Вона знаходилася в нижній частині кулі і у вузькій трубці ВСІ (її діаметр приблизно 1 мм). При таких розмірах термоскопа тиск повітря в кулі змінюється, навіть значно, при (практично) постійному об'ємі повітря. Сучасні газові термометри - термометри постійного об'єму. Прилад Амонтона був їх першим зразком, першим втіленням вдалої ідеї.

Подальший виклад базується на сучасних уявленнях про температурі. Сучасну температурну шкалу. термодинамічну шкалу температур, будують не по двом постійним точкам, а по одній. Температурна шкала, запропонована Амонтоном, теж була заснована на одній постійної точці - точці кипіння води. Але Амонтон ще не знав, що температура кипіння води залежить від тиску. Постійна точка в сучасній шкалою не температура кипіння води, температура плавлення льоду під атмосферним тиском, а потрійна точка води. В цій точці знаходяться в рівновазі лід, вода і водяна пара.Тиск водяної пари (це насичений пар) одно в потрійний точці 4,579 мм рт. ст. Температури потрійної точки води приписали число 273,16 точно. Чому саме таке число, чому не інше, чому не ціла? Можна і інше, можна і ціле, але бажали звести до мінімуму розрив між новою шкалою і колишніми шкалами. Інших причин не було. Про числі 273,16 раніше говорили 273,16 градусів Кельвіна і писали 273,16°К. Зараз замість «градус Кельвіна» говорять «Кельвін» і пишуть 273,16 К.