Многие проверяют, какую температуру показывает термометр, прежде чем выйти на улицу – ведь это помогает решить, как лучше одеться перед выходом. Медицинские приборы незаменимы, когда доводится болеть (все ведь помнят, что не стоит сбивать жар до +38°C, поскольку он представляет собой естественную защитную реакцию организма и, в общем-то, необходим для борьбы с болезнью?). Соответствующие измерения применяются на кухне для готовящихся блюд и в животноводстве, в металлургии – для определения степени нагрева сплавов – и при выгонке рассады. Пожалуй, сегодня не существует такой отрасли или сферы деятельности, где не требовались бы, пусть даже лишь время от времени, точные данные о температуре.
Мы настолько привыкли к нашим помощникам-термометрам, что не представляем жизни без них – а ведь история этого полезнейшего изобретения сравнительно недавняя, и еще триста лет назад человек вполне обходился рамками простых рассуждений «тепло» или «холодно». На том же принципе был создан и первый прибор, «прадедушка» современного уличного термометра. Точная дата его появления неизвестна, а вот авторство история сохранила: в конце XVI века Галилео Галилей уже использовал термоскоп, идею которого почерпнул в трудах Герона Александрийского. Суть устройства состояла в том, что стеклянный шарик с припаянной к нему трубкой нагревали, а затем конец трубки опускали в емкость с водой. При остывании стекла давление воздуха внутри шарика снижалось, и вода начинала подниматься по трубке; при повторном нагреве теплый воздух выдавливал воду из трубки обратно в емкость.
Разумеется, ни о каких шкалах измерений речи еще не шло, да и про влияние атмосферного давления на этот опыт ученые даже не подозревали. Однако в середине XVII столетия флорентийские стеклодувы уже начали производить более совершенный вариант термоскопа; такие мастера даже выделились в отдельную профессию, называвшуюся confia. Тогда же были сделаны и некоторые изменения, впоследствии оказавшиеся крайне важными для развития самой идеи температурных измерений. Во-первых, вместо воды в стеклянные трубки стали заливать винный спирт, а, во-вторых, наносить на них деления. Разумеется, «показатели» двух подобных устройств, даже вышедших из рук одного мастера, не совпадали друг с другом, но в рамках отдельно взятого прибора можно было получить довольно точное представление о том, насколько изменилась температура.
В большинстве случаев шкала имела только пятьдесят отметок, причем таяние снега (наш 0°C) приходилось примерно на 10, а разгар летнего зноя не поднимался выше 40. Это давало достаточно широкий спектр для проведения текущих измерений, и с этим уже можно было работать на перспективу. К слову, опыты, аналогичные тем, что ставил Галилей, проводили и его ученики, и другие выдающиеся умы той эпохи, многие из которых состояли в переписке с Галилеем, или же были знакомы с результатами его трудов. Так что работы по термоскопу некоторые исследователи считают общей заслугой научной мысли рубежа XVI-XVII веков. Новый же этап в данной области наступил с XVIII столетием: сначала Гийом Амонтон придумал использовать для измерений ртуть, затем Даниель Фаренгейт представил миру свои, очень точные и тщательно выполненные, приборы, а к середине века Андерс Цельсий предложил систему, основанную на таянии льда и кипении воды. Кстати, изначально его шкала была перевернутой: 0°C использовался для кипятка, а +100°C означали замерзание льда. К концу века, однако, ее уже перевернули с ног на голову, и до сих пор по всему миру на шкалы термометров наносят преимущественно либо градусы Цельсия, либо Фаренгейта, а то и вовсе дублируют их в одном устройстве – для удобства.
В 1848 году появилась еще одна система, которую разработал Вильям Томсон, лорд Кельвин (его отсчет шел от абсолютного нуля). Впрочем, существовали также варианты Реомюра, Ньютона, Делиля, Ранкина, Рёмера. К слову, у Цельсия и Фаренгейта совпадает показатель в -40°, так что «мороз под сорок» следует трактовать совершенно одинаково, услышав эту фразу хоть в России, хоть в Европе, хоть в США. Одновременно с экспериментами относительно параметров измерения решались и чисто технические вопросы – в первую очередь с тем, какую жидкость лучше всего применять в жидкостном термометре. Ртутные модели ушли в небытие сравнительно недавно, и даже сейчас они кое-где встречаются, хотя производство такой продукции прекращено во всем мире. Из нертутных устройств наибольшее распространение получили конструкции на основе спирта – они абсолютно безопасны для человека и окружающей среды, и даже если разобьются, то не нанесут никакого вреда людям, животным или растениям.
Наряду со спиртовыми термометрами предлагались также приборы на базе ацетона, сероуглерода, галлия и галинстана (сплава на основе галлия), толуола, пентана и таллиевой амальгамы. Правда, стоит заметить, что сами жидкостные измерения давно перестали быть безальтернативным решением: наука ушла далеко вперед, и показания температуры теперь можно получать самыми разными способами. Во-первых, это, конечно же, механические устройства, в которых устанавливается биметаллическая пружинная лента. При нагреве эта спираль разворачивается, при охлаждении скручивается, что обеспечивает движение стрелки по размеченной шкале. Различные типы биметаллических пластин сегодня нашли самый широкий спектр применения во многих отраслях. В частности, без них не обходится ни один термостат и ни одно защитное устройство в электроприборах. Так, когда на кухне привычно щелкает закипевший чайник, это срабатывает биметалл, эффективно защищающий такую технику от перегревов.
Механические модели активно задействованы и, например, в кулинарии. Тем, кто хочет получить идеально прожаренный стейк (идеально в том смысле, что с точностью до градуса соответствующий вашим личным предпочтениям), стоит купить механический кулинарный термометр. Показания прибора, поставленного в духовку, позволят предельно точно контролировать необходимый температурный режим, и раз за разом выдавать великолепно приготовленные блюда. Ну а если простого отслеживания духовки недостаточно, купите электронный термометр со щупом: он покажет, насколько хорошо прожарилось или пропеклось блюдо в глубине, так что с этим помощником ситуация «снаружи готово – внутри сыро» навсегда останется в прошлом.
В основе работы подобного рода электроники лежит принцип изменения сопротивления проводника при колебаниях температуры окружающей среды. Внутри прибора устанавливается термопара – два металла с разной электроотрицательностью – что и обеспечивает очень чуткую реакцию на тепло или холод. Экран устройства обычно выводит не только целые градусы, но и их десятые доли, хотя в кулинарии настолько высокая точность не очень-то и нужна. Однако некоторые гурманы настаивают, что именно эти крохотные нюансы порой способны решить все, и коренным образом повлиять на вкус готового блюда. К такому типу устройств относится и большинство современных домашних метеостанций, а также агрегатов для использования внутри помещений и больших конструкций, которые располагают на крышах и наружных стенах зданий (часы-термометры). Есть и медицинские модели, ставшие отличной альтернативой ртутным градусникам – вот здесь-то как раз точность измерений до десятой доли оказалась критически важна и востребована.
Впрочем, в медицине существуют и другие варианты. С одним из них после пандемии коронавируса стала прочно ассоциироваться работа медиков: это инфракрасный термометр, бесконтактный способ измерения которым высоко оценили и врачи, и обыватели. Собственно, такие устройства – это уже пирометры, и принцип их работы строится на отслеживании мощности теплового излучения, идущего от объектов. Так что всевозможные тепловизоры, по сути, «родные братья» такого медицинского оснащения. Ну а все вместе они входят в почтеннейшее и обширное семейство оптических приборов, которые выдают показатели температуры, основываясь на уровне светимости, спектре света, тепловых излучениях и других показателях, которые можно считывать визуально (пусть даже и не при помощи несовершенного человеческого глаза).
Есть также достаточно широкий ассортимент специализированной техники, применяемой в отдельных отраслях, или же для решения конкретных задач. Есть и газовые конструкции, работающие на принципах второго закона Гей-Люссака (их вообще не используют в быту, но широко задействуют как контрольные агрегаты для проверки и перепроверки точности показаний других типов, в том числе на производствах – для контроля качества продукции). Кстати, даже этот самый контроль еще не означает гарантированную защиту от возможных погрешностей в показаниях, поскольку такие отклонения от реального положения дел могут появляться из-за целого ряда факторов.
Классический пример: зимой вы выглядываете в окно, чтобы прикинуть, насколько основательно следует утепляться. Радостно видите, что красная полоска довольно высоко, выходите наружу – и начинаете ворчать и жаловаться на некачественные изделия, которые обещают тепло, в то время как мороз стоит просто лютый. Однако дело тут обычно вовсе не в конкретных моделях, а в том, на что они реагируют. Во-первых, любое здание, даже энергоэффективное, все равно имеет определенный уровень теплопотерь, который тем больше, чем сильнее разница в температурной «вилке». Если внутри дома +20°C, а снаружи -10°C, погрешности будут не сильно заметны – но если в доме те же +20°C, а вне дома уже -30°C, даже самые лучшие из приборов будут «барахлить».
Вокруг здания всегда есть своего рода тепловая завеса: нагретый воздух уходит наружу через микротрещинки и полости стен, нарушения изоляции, деформации уплотнителей, и так далее. В итоге даже если в современном пластиковом стеклопакете вы не видите привычных морозных узоров, это вовсе не означает, что окна идеально герметичны. Кроме того, свою лепту вносят и погодные факторы: ветер запросто может «сбросить» два-три градуса, а то и больше. Расположение агрегата на солнечной стороне дома, наоборот, будет всегда «приподнимать» его результаты – понятное дело, ведь нашему уличному градуснику на солнце действительно «тепло». Законы физики никто не отменял.
Многим садоводам прекрасно знакомо явление «теплового кармана», когда в той части участка, которая хорошо укрыта от ветров – строениями, заборами, плотными насаждениями – но при этом находится на солнце большую часть дня (и особенно в полдень), формируется своего рода особый микроклимат. Такой уголок всегда весной начинает оттаивать раньше, и культуры в нем могут «стартовать» с цветением на несколько дней быстрее, чем точно такие же сорта, но высаженные на продуваемых или менее согретых солнышком местах. Так что в случае с отслеживанием погоды за окном выходом может быть только исключение или минимизация внешних факторов. Если расположить своего верного помощника не прямо на стекле, а хотя бы в десяти-пятнадцати сантиметрах от стены дома, то влияние собственной тепловой завесы здания на показания будет гораздо меньше, хотя и не исчезнет вовсе. Хотите идеальной точности – устанавливайте агрегат вдали от строений и коммуникаций, как это делают метеорологи.
Либо, как вариант, можно купить и установить у себя современную домашнюю метеостанцию. Самые простые варианты таких агрегатов умеют отслеживать только температуру и влажность внутри того помещения, в котором они расположены – это может быть удобно, если вы предпочитаете не мучиться от перетопа или недостаточного нагрева, а подстраивать систему отопления под комфортный для вас режим. То же самое относится и к поддержанию оптимального уровня влажности (в современных многоквартирных домах проблема пересушенного воздуха возникает очень часто, но и радикальная попытка справиться с ней, запустив в постоянном режиме увлажнитель, может кончиться плохо – отвалятся отсыревшие обои, по углам появится плесень, и придется вести с ней долгую упорную борьбу).
Наиболее эффективные и «продвинутые» модели домашних метеостанция способны на гораздо большее. Во-первых, в комплекте к ним идут наборы разнообразных датчиков, которые необходимо разместить в подходящих местах, в точности следуя инструкциям производителя. Датчики в постоянном режиме передают показатели, которые агрегат суммирует и обрабатывает, выводя на монитор всю интересующую пользователя информацию. Влажность воздуха внутри и снаружи, температура в доме и «за бортом», направление и скорость ветра, атмосферное давление и его колебания, степень освещенности или облачности, и так далее. В системах умного дома такие комплексы могут вдобавок подключаться к Интернету и сопоставлять получаемые прогнозы погоды с реальным положением дел. Ну и, разумеется, в подобной электронике могут присутствовать дополнительные функции, вроде часов, настраиваемого таймера и будильника, и даже передачи данных, например, на систему отопления, которая обязана будет скорректировать нагрев. Хозяину же «умной техники» остается лишь подключить своих помощников к специальному приложению у себя в смартфоне, и спокойно управлять их работой, даже будучи на другом краю земного шара. Мог ли Галилео Галилей даже в самых ярких фантазиях представить себе подобное?