Журнал «Открытия и гипотезы» - Открытия и гипотезы, 2014 №12

Журнал «Открытия и гипотезы»

Ежемесячный научно-популярный журнал

№ 12 (154) Декабрь 2014

ДЕВИЦА С ПЕРУАНСКИХ АНД

Группа исследователей из Нью-Йоркского университета во главе с Анжеликой Кортэлс изучила образцы мумии (так называемой Maiden, "Девицы").

Уникальная мумия была обнаружена в 1999 году на склоне вулкана Льюльяйльяко, возвышающегося на 6739 метров над уровнем моря на границе Аргентины и Чили.

Девочка-подросток 14–15 лет пять столетий пролежала во льдах на вершине шеститысячника, что способствовало отличной сохранности. Рядом с ней замороженные тела еще двух юных жертв: семилетнего мальчика и шестилетней девочки.

Тело семилетнего мальчика также подвергли изучению, а вот исследовать останки шестилетней девочки ученые пока не решаются. Скорее всего, трех детей принесли в жертву, о чем свидетельствуют находящиеся рядом с ними артефакты: золото, серебро, одежды, миски с едой и экстравагантный головной убор из белых перьев неизвестных птиц.

В ходе предыдущих исследований было установлено: перед тем как принести их в жертву, на протяжении года детей кормили "элитными" продуктами — маисом и высушенным мясом лам, хотя до этого они ели исключительно крестьянскую пищу, состоящую из картофеля и овощей.

НЕИЗВЕСТНОЕ ОБ ИЗВЕСТНОМ

Температура и термометры

Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества — теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково — градусами.

Окружающий нас мир мы ощущаем через данные нам природой чувства. Но не всегда эти чувства позволяют адекватно оценить и понять происходящее. Известен отрывок из «Пробирщика», где Галилей воспроизводит соображения Демокрита: «…я думаю, что все эти вкусы, запахи, цвета и т. д. сточки зрения предмета, в котором, казалось бы, они пребывают, суть не что иное, как одни лишь наименования, местом их пребывания является лишь ощущающее тело, так что если убрать ощущающее животное, то будут устранены и уничтожены все эти свойства».

Наконец, «тепло», т. е. то, что мы теперь называем температурой, является для Галилея чувственным признаком: «…я весьма склонен думать, что тепло носит такой же характер, и что те вещества, которые заставляют нас чувствовать тепло и которые мы называем общим именем «пламя», представляют собой множество мелких частиц той или иной формы, движущихся с той или иной скоростью, которые, встречаясь с нашим телом, проникают в него с величайшим проворством, их прикосновение, осуществляемое при прохождении в нашу ткань и ощущаемое нами, и есть то воздействие, которое мы называем теплом, приятным или неприятным в зависимости от величины и большей или меньшей скорости этих малых частиц, которые колют и пронизывают нас».

В «Пробирщике» пожалуй, впервые сказано, что холод не является положительным качеством, а есть лишь отсутствие тепла. Здесь еще нет кинетической теории тепла, и все же это был первый шаг к теории, утвердившейся в следующем столетии.

Изобретателем термометра принято считать Галилея: в его собственных сочинениях нет описания этого прибора, но его ученики, Нелли и Вивиани, засвидетельствовали, что уже в 1597 году он сделал нечто вроде термобароскопа. Галилей изучал в это время работы Герона Александрийского, у которого уже описано подобное приспособление, но не для измерения степеней тепла, а для поднятия воды при помощи нагревания. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной к нему стеклянной трубкой. Шарик слегка нагревали, и конец трубки опускали в сосуд с водой. Через некоторое время воздух в шарике охлаждался, его давление уменьшалось, и вода под действием атмосферного давления поднималась в трубке вверх на некоторую высоту.

В дальнейшем при потеплении давление воздуха в шарике увеличивалось, и уровень воды в трубке понижался, при охлаждении же вода в ней поднималась. При помощи термоскопа можно было судить только об изменении степени нагретости тела: числовых значений температуры он не показывал, так как не имел шкалы. Кроме того, уровень воды в трубке зависел не только от температуры, но и от атмосферного давления.

В 1657 г. термоскоп Галилея был усовершенствован флорентийскими учеными. Они снабдили прибор шкалой из бусин и откачали воздух из резервуара (шарика) и трубки. Это позволило не только качественно, но и количественно сравнивать температуры тел. Впоследствии термоскоп был изменен: его перевернули шариком вниз, а в трубку вместо воды напили спирт и удалили сосуд.

Термометр Галилея к Галилею особого отношения не имеет. Представляет собой запаянный стеклянный цилиндр, наполненный жидкостью, в которой плавают стеклянные сосудики-буйки. К каждому такому сферическому поплавку прикреплена бирка с выбитым на ней значением температуры. Поплавки по-разному наполнены жидкостью таким образом, что их средняя плотность различна: самая маленькая плотность у верхнего, самая большая — у нижнего.

С понижением температуры воздуха в помещении соответственно понижается температура воды в сосуде, вода сжимается, и плотность её становится больше и тем самым изменяется положение буйков. При понижении температуры шарики поднимаются вверх, при повышении — опускаются. Текущее значение температуры определяется по нижнему из всплывших шариков.

Существуют различные виды температурных измерителей: Жидкостные термометры, описанные выше, основаны на принципе изменения объёма жидкости, которая залита в термометр (обычно это спирт или ртуть), при изменении температуры окружающей среды.

В связи с запретом применения ртути во многих областях деятельности ведется поиск альтернативных наполнений для бытовых термометров. Например, такой заменой может быть сплав галинстан (68,5 % галлия, 21,5 % индия и 10 % олова).

Принцип работы электрических термометров основан на изменении сопротивления проводника при изменении температуры окружающей среды. Электрические термометры более широкого диапазона основаны на термопарах (контакт между металлами с разной электроотрицательностью создаёт контактную разность потенциалов, зависящую от температуры).

Механические термометры действуют по принципу расширения или сжатия металлической или биметаллической спирали.

Оптические термометры позволяют регистрировать температуру благодаря изменению уровня светимости, спектра и иных параметров при изменении температуры. Например, широко распространены инфракрасные измерители температуры тела.

В процессе исследования теплоты члены Парижской «Академии опытов», желая доказать, что все тела расширяются при нагревании, предложили опыт, который и сейчас повторяется в школах и известен как «кольцо Гравезанда», но вместо шара, который в холодном состоянии может пройти сквозь кольцо, а в горячем не проходит, члены Академии применяли цилиндр. Они показали также, что тепловое расширение жидкостей больше, чем твердых тел, и имели ясное понятие о теплоемкости.

Иметь термометр и понимать, что он показывает это разные вещи. Поэтому одновременно с изобретением разных типов термометров видоизменялись и температурные шкалы.

Понятие абсолютной температуры было введено У. Томсоном (Кельвином), в связи с чем шкалу абсолютной температуры называют шкалой Кельвина.

Используемые в быту температурные шкалы не являются абсолютными и поэтому неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды, из-за чего температуру приходится выражать отрицательным числом. Шкала Кельвина лишена этого недостатка.

Температуре замерзания воды при стандартном атмосферном давлении соответствуют 273,15 К или 0 °C или 32 F.

Масштаб шкалы Кельвина привязан к тройной точке воды, при этом от неё зависит постоянная Больцмана. Это создаёт проблемы с точностью интерпретации измерений высоких температур. Сейчас Международное бюро мер и весов рассматривает возможность перехода к новому определению кельвина, основанному на фиксации численного значения постоянной Больцмана, вместо привязки к температуре тройной точки замерзания воды.