Μέχρι στιγμής στο μάθημα της Φυσικής έχουμε μιλήσει για 2 από τα 7 βασικά μεγέθη: το μήκος και τη μάζα. Επίσης, έχουμε μιλήσει για τρία παράγωγα μεγέθη: εμβαδόν, όγκος και πυκνότητα. Τώρα θα μιλήσουμε για ακόμη ένα βασικό μέγεθος που όμως επηρεάζει όλα τα υπόλοιπα όταν αλλάζει: τη θερμοκρασία.
Το φυσικό μέγεθος που εκφράζει πόσο ζεστό ή κρύο είναι ένα σώμα ονομάζεται θερμοκρασία, θα μας πει η φυσική επιστήμη των περασμένων αιώνων και σήμερα η εισαγωγική φυσική.
Αλλά γιατί έλαβε αυτό το όνομα;
(θερμοκρασία < θερμός + κράση)
Και, φυσικά, όλοι αμέσως καταλαβαίνουμε την έννοια της θερμοκρασίας! Ξέρουμε προτού μας το πει η φυσική ότι κάποια πράγματα είναι κρύα, πολύ κρύα, ζεστά, πολύ ζεστά, καυτά(!) ή χλιαρά. Πώς το γνωρίζουμε αυτό; Δια της αφής και των αισθήσεων που έχει το σώμα αυτό που έχουμε και το οποίο μάς έδωσε ο Θεός. Άρα, ήδη μπορούμε να διακρίνουμε μεταξύ των ψυχρών και των ζεστών σωμάτων, αλλά το σώμα μας δεν μπορεί να διακρίνει με ακρίβεια! Γι’ αυτό και κατασκευάσαμε οργάνα, κατασκευάσαμε κλίμακες μέτρησης και προσπαθούμε έκτοτε να προσεγγίσουμε τις διαφορές θερμοκρασίας των διαφόρων σωμάτων γύρω μας αλλά και εντός του σώματός μας!
Πάμε να διαβάσουμε πώς κατασκευάστηκαν τα θερμόμετρα!
Τα πρώτα θερμόμετρα ονομάστηκαν θερμοσκόπια από τους αρχαίους Έλληνες Ήρωνα και Φίλωνα που φέρονται να είχαν επινοήσει τέτοια όργανα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας. Ως νεότεροι εφευρέτες του σύγχρονου θερμομέτρου αναφέρονται πολλοί χωρίς να προσδιορίζεται ο πρώτος. Αναφέρονται πάντως αρκετοί που επινόησαν, σχεδόν ταυτόχρονα, θερμοσκόπιο. Πολλοί αποδίδουν το θερμόμετρο στον Γαλιλαίο, άλλοι στον Βάκωνα και άλλοι στον Ολλανδό φυσικό Drebbel που φέρεται να κατασκεύασε τέτοιο όργανο το 1621.
Επίσης ο Ιταλός Σαντόριο Σαντόριο ήταν ο πρώτος που σκέφθηκε να προσαρμόσει μια αριθμητική κλίμακα στο θερμοσκόπιο, η οποία είχε σαν πρακτική αξία μόνο την επισήμανση θερμοκρασιακής διαφοράς, μια και εκείνη την εποχή δεν υπήρχε μονάδα και κλίμακα μέτρησης.
Το 1709 ο Γερμανός Γκάμπριελ Φαρενάιτ (Fahrenheit) επινόησε ένα θερμοσκόπιο με οινόπνευμα, το οποίο αντικατέστησε αργότερα με υδράργυρο (1714). Αυτό ήταν το πρώτο όργανο που έφερε το όνομα «θερμόμετρο» και δεν διέφερε σημαντικά από το σύγχρονο υδραργυρικό θερμόμετρο. Για να αποκτήσει το όργανο που είχε εφεύρει και πρακτική σημασία, ο Φαρενάιτ επινόησε την κλίμακα μέτρησης που φέρει το όνομά του, τη θερμοκρασιακή κλίμακα Φαρενάιτ (1724). Όπως συμβαίνει σε όλες τις κλίμακες μέτρησης, ο Φαρενάιτ αυθαίρετα απέδωσε την τιμή 32 στο σημείο που το νερό μετατρέπεται σε πάγο και την τιμή 212 στο σημείο που το νερό μετατρέπεται σε ατμό. Και για τις δύο τιμές προϋπέθεσε ότι τα φαινόμενα συμβαίνουν (σε ατμοσφαιρική πίεση ) στην επιφάνεια της θάλασσας.
Μια άλλη άποψη σχετική με την βαθμονόμηση του Φαρενάιτ είναι η εξής: Ο Φαρενάιτ έβαλε ως μηδέν στην κλίμακα τη χαμηλότερη θερμοκρασία που πέτυχε στο εργαστήριό του. Αυτή ήταν η θερμοκρασία που αναπτύσσεται αν ανακατέψουμε πάγο με χλωριούχο αμμώνιο και είναι περίπου -32 βαθμοί κάτω από τη θερμοκρασία του πάγου όταν αυτός βρίσκεται μαζί με το νερό. Την υψηλότερη θερμοκρασία την έβαλε 100 που αντιστοιχούσε στη θερμοκρασία του σώματός του, η οποία ήταν περίπου 40 βαθμοί πάνω από τη θερμοκρασία που βρίσκεται ο πάγος με το νερό.
Το 1742 ο Σουηδός αστρονόμος Άντερς Κέλσιος (Anders Celsius) επινόησε μια εκατοντάβαθμη κλίμακα. Επίσης αυθαίρετα, απέδωσε στο σημείο πήξης του νερού την τιμή 100 και στο σημείο βρασμού την τιμή 0. Η κλίμακα αυτή όμως, αντιστράφηκε από τον Κάρολο Λινναίο, αποκτώντας την σημερινή γνωστή μορφή. Γι’ αυτό και η κλίμακά του ονομάστηκε «εκατοντάβαθμη» και πήρε το όνομά του μόλις το 1948 σε μια διεθνή σύνοδο του Διεθνούς Γραφείου Μέτρων και Σταθμών.
Το 1866 ο Βρετανός ιατρός Σερ Τόμας Άλμπατ (Sir Thomas Allbutt) επινόησε ένα θερμόμετρο, στο οποίο μια στένωση στο σωλήνα εμπόδιζε την κάθοδο της υδραργυρικής στήλης στο δοχείο υποδοχής, όταν η θερμοκρασία κατέβαινε. Αυτό ήταν το πρώτο ιατρικό θερμόμετρο.
Το 1848 ο Λόρδος Κέλβιν (William Thomson Kelvin) πρότεινε την κλίμακα της απόλυτης θερμοκρασίας:
«… Η χαρακτηριστική ιδιότητα της κλίμακας που προτείνω είναι ότι όλες οι διαβαθμίσεις της έχουν την ίδια τιμή, δηλαδή αν μια μονάδα θερμότητας μεταβαίνει από ένα σώμα (Α), θερμοκρασίας Το αυτής της κλίμακας, σε ένα σώμα Β θερμοκρασίας (Τ-1)ο, θα έχει το ίδιο μηχανικό αποτέλεσμα, ανεξάρτητα από την τιμή της (Τ). Αυτό δικαιολογεί την ονομασία “απόλυτη κλίμακα”, εφόσον τα χαρακτηριστικά της είναι τελείως ανεξάρτητα από τις φυσικές ιδιότητες οποιασδήποτε χημικής ουσίας ή στοιχείου…».
Η κλίμακα υιοθετήθηκε και πήρε το όνομα τού (κλίμακα Κέλβιν ή απόλυτη κλίμακα). Σύμφωνα με αυτήν, το νερό παγώνει στους 273ο Κ και βράζει στους 373ο Κ. Στο σημείο 0οΚ, που ονομάζεται και απόλυτο μηδέν, σύμφωνα με το 2ο Θερμοδυναμικό Νόμο, σταματά η θερμική κίνηση των ατόμων ή μορίων που απαρτίζουν ένα χημικό στοιχείο ή μια χημική ένωση.
Άρα, όπως και στο μέγεθος της μάζας, η μονάδα μέτρησης βλέπουμε ότι διαμορφώθηκε μετά από μεγάλο χρονικό διάστημα, άλλαξε πολλά πρόσωπα και ακόμη αλλάζει, διότι συνεχώς εξελίσσονται οι τεχνικές μέτρησης με μεγαλύτερη ακρίβεια της θερμοκρασίας. Έτσι, σήμερα έχουμε περάσει από τα θερμόμετρα υδραργύρου στα ηλεκτρονικά θερμόμετρα, και ακόμη σε αυτά που εξ αποστάσεως ελέγχουν τη θερμοκρασία.
Για να είμαστε απολύτως ακριβείς, η θερμοκρασία απλώς μας δείχνει ότι ένα σώμα έχει γίνει πιο θερμό ή πιο ψυχρό, δεν είναι αυτή ο κύριος δράστης. Όμως, μόνο δια της θερμοκρασίας μπορούμε να αντιληφθούμε τον κύριο δράση -αυτή τον προδίδει- που είναι η θερμική ενέργεια ενός σώματος. Η αύξηση της θερμικής ενέργειας που έχει ένα σώμα οδηγεί στην αύξηση της θερμοκρασίας και όταν αυτό συμβεί, τότε έχουμε αλλαγές στη δόμη του σώματος, οι οποίες επηρεάζουν το σύνολο αυτής, όπως και όλα τα μεγέθη που έχουμε μάθει ως τώρα: μήκος, εμβαδόν, όγκο και πυκνότητα.
Περισσότερα όμως για τη θερμική ενέργεια θα πούμε στην επόμενη ενότητα.