Celsjusz i Kelvin. Władcy temperatury

W 170 r. n.e. Claudius Galenus, rzymski lekarz pochodzenia greckiego, jako pierwszy opracował standardową metodę opisu temperatury. Jednak pierwsze termometry nazwane termoskopami opracował dopiero Galileusz w 1593 r. Do mierzenia temperatury używał powietrza i wina. Odczyt z użyciem wina był jednak niedokładny z uwagi na zmieniające się ciśnienie atmosferyczne. Galileusz zbudował swój znacznie dokładniejszy termoskop będący unowocześnionym modelem wskaźnika temperatury. Niektórzy historycy uważają, że Galileusz zapożyczył pomysł swojego termoskopu od urządzenia skonstruowanego w 210 r. przez Filona z Bizancjum. Włoski geniusz jedynie go udoskonalił, umieszczając w szczelnie zamkniętym szklanym cylindrze kilka zanurzonych w cieczy szklanych przezroczystych kul zawierających pokolorowaną ciecz. Cylinder wypełniony był płynem o współczynniku rozszerzalności termicznej zdecydowanie większej od rozszerzalności wody. Zwykle używa się do tego celu czterochlorku węgla, etanolu czy izopropanolu. Szczelne zamknięcie cylindra powoduje uniezależnienie pomiaru od ciśnienia atmosferycznego. Każdy z przynajmniej pięciu pływaków został tak dobrany pod względem masy i objętości, by przy różnych temperaturach znajdował się w równowadze hydrostatycznej. Wzrost lub obniżenie się temperatury powodowały zatonięcie lub wypłynięcie oznakowanych pływaków.

Taki termometr był oczywiście niedokładny i nieporęczny w użyciu. Dopiero w 1664 r. Robert Hooke wynalazł termometr, w którym zabarwiony alkohol rozszerzał się pod wpływem ciepła i kurczył pod wpływem zimna. Wtedy właśnie dokonano pierwszych w historii niezawodnych zapisów temperatur.

czyli amerykańska codzienność

Urodzony 24 maja 1686 r. w Gdańsku Daniel Gabriel Fahrenheit początkowo pracował na termometrze z alkoholem, skonstruowanym przez duńskiego uczonego Olausa Roemera. Swój pierwszy rtęciowy termometr skonstruował w 1724 r., a rok później opracował także jego skalę, nazywaną odtąd skalą Fahrenheita. Punkt wrzenia na tej skali to 212°F, punkt zamarzania zaś 32°F. Rtęć jest bowiem jedynym metalem, który w temperaturze pokojowej znajduje się w stanie płynnym.

Mieszkając w Holandii, Fahrenheit konstruował termometry, barometry i wysokościomierze. Zaobserwował współzależność temperatury wrzenia wody od ciśnienia. Skala Fahrenheita jest używana obecnie głównie w USA, na Kajmanach, Belize i Palau. Większość państw świata preferuje skalę Celsjusza.

Skala Fahrenheita jest natomiast dość często używana w różnych częściach świata w termometrach medycznych. Temperatura zdrowego ludzkiego organizmu mierzona w tej skali wynosi 98°F, czyli 36,6°C. Niektórzy naukowcy są przekonani, że skala Fahrenheita pozwala najdokładniej wykryć zmiany w temperaturze ciała ludzkiego.

Nazwisko, które zna każde dziecko

W XVII i XVIII wieku żyła w szwedzkiej Uppsali pewna niezwykła rodzina. Nosiła nazwisko Celsjusz. Mężczyźni w tej rodzinie byli szczególnie uzdolnieni do nauk ścisłych, w tym astronomii, matematyki i fizyki. 27 listopada 1701 r. na świat przyszedł najsławniejszy członek tej rodziny – Anders. To on sprawił, że nazwisko rodowe istnieje w świadomości większości ludzi na świecie.

Anders był przede wszystkim znakomitym astronomem. Ale do pocztu wielkich wynalazców trafił nie za sprawą obserwacji nieba, ale pomiaru temperatury. Odziedziczony po ojcu i dziadku talent do matematyki i fizyki sprawił, że Anders Celsjusz w 1730 r., w wieku 29 lat, został profesorem Uniwersytetu w Uppsali. Celsjusz obserwował niebo, ale było to w ówczesnej Szwecji mocno kłopotliwe, gdyż w pochłoniętym działalnością wojenną kraju nie zbudowano żadnego obserwatorium. Młody astronom musiał zatem odwiedzać obserwatoria w Norymberdze, Rzymie i najsłynniejsze Obserwatorium Paryskie zbudowane za panowania króla Ludwika XIV, a kierowane przez Jacques'a Cassiniego. Był on synem pochodzącego z Italii francuskiego astronoma i matematyka Giovanniego Cassiniego, który w latach 1671–1712 został pierwszym dyrektorem tej znakomitej placówki naukowej.

Nazwisko Cassini kojarzy nam się dzisiaj głównie z sondą kosmiczną Cassini-Huygens, która 15 października 1997 r. wyruszyła z Cape Canaveral w siedmioletnią podróż w kierunku Saturna. Po osiągnięciu strefy planety Cassini-Huygens przez 13 lat przesyłała na Ziemię bezcenne dane dotyczące Saturna i jego księżyców. 15 września 2018 r. sonda zakończyła swoją misję i spłonęła w atmosferze badanej planety.

Obserwatorium Paryskie, do którego Anders Celsjusz przybył w 1734 r., wysłało go jako asystenta Pierre'a L. de Maupertuisa, który kierował wyprawą naukowo-badawczą do Laponii. Celem ekspedycji było dokonanie pomiarów geodezyjnych i ustalenie stopnia szerokości geograficznej badanego miejsca, które wykazałoby, że Ziemia pomimo swej kulistości jest rzeczywiście spłaszczona na biegunach. Podobna wyprawa w tym samym czasie badała tereny w Peru w okolicach równika. Udana ekspedycja do Laponii przyniosła Celsjuszowi rozgłos i sławę w Szwecji, a u niego samego utrwaliła przekonanie, że zorze polarne mają charakter magnetyczny.

Celsjusz był tak zachwycony Obserwatorium Paryskim, że rozpoczął starania, aby podobna uniwersytecka placówka powstała w Uppsali. W roku 1741 udało mu się zrealizować marzenia. W pierwszym szwedzkim obserwatorium Anders Celsjusz opracował listę ok. 300 gwiazd. Dokonał tego, obserwując nocne niebo za pomocą wytłumiających światło szklanych płytek. Na liście Celsjusza najjaśniejszą gwiazdą o „mocy" 25 szklanych płytek okazał się Syriusz.

W 1742 r., a więc na krótko przed swą śmiercią, szwedzki fizyk i astronom opracował i zaproponował termometryczną skalę do mierzenia temperatur nazwaną od jego imienia skalą Celsjusza. Opublikowany w Kronikach Królewskiej Akademii Nauk artykuł pt. „Uwagi o dwóch stałych stopniach termometru" okazał się przełomem w dziedzinie fizyki zajmującej się temperaturą ciał. Jako podstawę przy ustalaniu skali temperatur przyjął dwie wartości: dolną temperaturę krzepnięcia wody i przemianę jej w ciało stałe. Na podzielonej przez Celsjusza 100-stopniowej skali punkt zamarzania wody oznaczony jest symbolem 0°, a wrzenia 100°, kiedy woda przechodzi w stan lotny. Początkowo Celsjusz przyjął odwrotnie rozumiany odczyt. Podając te wartości, należy dodać literkę „C" jako oznaczenie, o jaką skalę tu chodzi. Od 1774 do 1954 r. jeden stopień Celsjusza rozumiany był jako 1/100 różnicy pomiędzy temperaturą topnienia lodu i wrzeniu wody przy ciśnieniu normalnym jednej atmosfery fizycznej.