Удивительная химия

Но это не все. что умеет «умный» прибор. В самой правой его части видна еще пара трубочек, к которым присоединены уходящие вправо резиновые шланги. Если переключить белую рукоятку, вода помчится из бака по одной из этих трубочек. А по другой она должна вернуться назад! То есть циркулирующая в термостате вода способна поддерживать постоянную температуру где-нибудь еще, обычно неподалеку от термостата. Например, в каком-нибудь приборе. Конечно, там надо предусмотреть герметичный кожух, в одно из отверстий которого вода будет вливаться, а из другого — выливаться.

А если нужно не просто подогреть или охладить вещество, а сильно повысить его температуру, например, чтобы хорошо просушить осадок на фильтре? Для этого существуют сушильные шкафы (рис. 2.11).

_{Рис. 2.11. Воздух в этом сушильном шкафу можно нагреть до +200 °C}

В них тоже имеется датчик температуры (обычно электрический), нагреватель и реле, с помощью которого можно задать требуемую температуру. Конечно, точность поддержания температуры в сушильном шкафу не идет ни в какое сравнение с термостатом. Но это и не требуется. В таких сушильных шкафах удобно также сушить вымытую химическую посуду.

Измерение температуры

Трудно найти человека, во всяком случае в цивилизованных странах, который бы ни разу не измерял температуру тела. Термометр — настолько привычная вещь домашнего обихода, что на него не обращают внимания. И только в случае недомогания мы пристально всматриваемся в ртутный столбик — не повышена ли температура? А ведь термометры появились сравнительно недавно, и в течение нескольких тысячелетий у людей не было не только термометров, но они даже не знали такого понятия, как температура. Слово это происходит от латинского глагола tempera — «соблюдать меру»; соответственно temperamentum у древних римлян означало «соразмерность». А вместо температуры использовали качественные понятия: тепло, холодно, жарко, очень жарко и т. д. Понятия эти весьма относительные: одному человеку в помещении может быть жарко, другому — прохладно (особенно если у него повышена температура).

Можно проделать простой эксперимент, показывающий относительность тепловых ощущений человека; этот эксперимент известен уже несколько веков. Поставьте в ряд три кастрюли или глубокие миски. В левую налейте воду погорячее, но такой температуры, чтобы в нее еще можно было опустить руку. Кстати, попробуйте спросить своих знакомых, какая должна быть температура воды, чтобы еще можно было держать в ней руку. Вероятно, некоторые ответят — градусов 60–70 и очень удивятся, если вы скажете им, что если температура воды в кастрюле будет выше 45 °С градусов, то они не смогут опустить в нее руку даже на несколько секунд! В среднюю кастрюлю налейте воду, температура которой близка к 36 °C, так чтобы рука в ней не чувствовала ни холода, ни тепла. А в правую — воду похолоднее (в нее можно добавить несколько кусочков льда из холодильника), а зимой — снега. Конечно, вода не должна быть совершенно ледяной, чтобы не «заморозить» руку. Теперь опустите правую руку в холодную воду, а левую — в горячую, и через 5-10 секунд перенесите обе руки в среднюю кастрюлю. Ощущение будет необычным: одна рука почувствует явное тепло, другой же будет холодно!

«Градусы тепла» научились измерять только в XVII веке. В эти годы уже работали французский философ, математик и физик Рене Декарт (1596–1650), итальянский физик и математик Эванджелиста Торричелли (1608–1647), знаменитый итальянский математик, физик и астроном Галилео Галилей (1564–1642), немецкий астроном, физик и математик Иоганн Кеплер (1571–1630), английский химик и физик Роберт Бойль (1627–1691), французский математик, физик и философ Блез Паскаль (1623–1662), выдающийся английский физик, математик и астроном Исаак Ньютон (1642–1727), другие ученые, заложившие основы современной науки. Отличительная черта этой эпохи — изобретение важнейших инструментов и проведение с их помощью количественных измерений. Именно переход от умозрительных суждений к эксперименту вызвал бурное развитие науки, продолжающееся по сей день.

Одним из важнейших изобретений XVII века было изобретение термометра. Сначала у него было мало общего с современным термометром. Например, Галилей изобрел термоскоп (рис. 2.12). Галилей взял стеклянную колбочку размером с куриное яйцо и присоединил к ней тонкую стеклянную трубочку длиной около 25 см. Нагрев колбочку руками, он опустил конец трубки в сосуд с водой. По мере остывания воздуха в колбочке вода частично заполняла трубку.

_{Рис. 2.12. Рисунок из старинной книги с иллюстрацией действия термоскопа}

Если колба нагревалась или охлаждалась, легко было заметить, что уровень воды в трубочке меняется. Впоследствии в трубочку стали вводить лишь капельку воды, которая двигалась вверх или вниз в зависимости от температуры воздуха. Прибор Галилея реагировал даже на небольшое нагревание или охлаждение колбочки.

Но это не был «настоящий» термометр, потому, что он реагировал не только на температуру, но и на атмосферное давление: при его повышении капелька воды двигалась в сторону колбочки, а при понижении — к концу трубочки. Причем изменение давления действовало на объем воздуха в колбочке значительно сильнее, чем изменение температуры. Так что это был «полутермометр-полубарометр». Однако о существовании атмосферного давления в то время ничего не знали.

Постепенно прибор Галилея все более совершенствовался. Воду стали подкрашивать, чтобы она была лучше видна, а на трубочку наносили деления, чтобы можно было судить о «степени тепла». Для повышения чувствительности диаметр трубки уменьшили, а ее длину увеличили. Ведь чем тоньше трубка, тем сильнее будет влиять на положение капельки воды температура в колбочке. Чтобы тонкая длинная трубка не сломалась, ее изгибали — иногда самым причудливым образом (рис. 2.13).

_{Рис. 2.13. Показаны некоторые попытки сделать трубки первых термометров более компактными}

По мере того как трубочки термометров становились все более узкими, чувствительность термометров возрастала и наконец повысилась настолько, что стало возможным помещать в колбочки термометров не воздух (его объем очень сильно меняется с температурой), а жидкость, объем которой реагирует на изменение температуры незначительно. Например, если нагреть при постоянном давлении 1 литр воздуха с 20 до 50 °C, его объем увеличится на 10 % — до 1,1 л. Если же нагреть с 20 до 50 °C литр воды, ее объем увеличится только на 1 % (до 1,01 л). Но вода при температуре ниже 0 °C замерзнет, и прибор сломается; поэтому вместо воды обычно использовали подкрашенный спирт, который не замерзает даже в самые сильные морозы. Помимо этого спирт расширяется при повышении температуры в несколько раз сильнее, чем вода. Объем жидкости от давления практически не зависит, поэтому «термоскоп» стал «настоящим» термометром.

Больших успехов в изготовлении термометров достигли мастера-стеклодувы из итальянского города Флоренции, где в 1657 году князь Леопольдо Медичи основал Академию опытов. Главное усовершенствование состояло в том, что из шара и трубки удаляли воздух, после чего конец трубки герметизировали сургучом. Так впервые удалось полностью избавиться от влияния атмосферного давления, а заодно устранить испарение жидкости из трубочки. Приборы флорентийских мастеров были настоящими произведениями искусства (рис. 2.14). Их изготовление описано в трудах Академии, изданных в 1667 году: «Прежде всего стеклодув должен изготовить шарик соответствующей величины с припаянной к нему трубкой. Наполнение инструмента жидкостью происходит следующим образом: шарик нагревают и затем сразу погружают открытый конец трубки в спирт. Спирт начинает медленно подниматься по трубке. При помощи воронки с вытянутым тонким носиком спирт доливают в шар. Трубка заранее делится на равные части, причем деления отмечаются белыми бусинами. Затем почти готовый термометр нагревают и, наконец, герметически закрывают его, как только спирт достигнет высшей точки».

_{Рис. 2.14. Изображения термометров в трудах итальянской Академии опытов (1666)}

Обычно бусинами из белой эмали, которые впаивали в разогретую трубку, делили шкалу на 10 равных частей. Затем каждый промежуток делили еще на 10 равных частей с помощью девяти бусин из черной или цветной эмали. На длинной спиральной трубке термометра помещали много делений и наблюдали малые изменения температуры. С помощью таких термометров флорентийские академики сделали несколько открытий. Они, например, установили, что показание термометра не меняется, когда его шарик погружен в толченый лед, даже если сосуд со льдом помещен в кипящую воду. Ученые не знали, как объяснить это явление и не догадывались, что оно наблюдается при плавлении любого вещества. Сейчас любой школьник знает, что температура смеси воды со льдом будет постоянной (0 °C). пока весь лед не растает.