/nginx/o/2022/10/29/14927890t1he786.jpg)
/nginx/o/2023/07/14/15455036t1h292e.jpg)
Sajandeid kestnud soojuse mõõtmine on andnud meile arusaama molekulide ja aatomite liikumisest ja neid nägemata suudeti saada aimu nende olemusest. Nüüd teame, et nii klassikaline kraadiklaas kui ka elektrooniline termomeeter avavad meile nii soojusliikumise kui ka muudegi protsesside olemust. Mõõtmata pole meil aga arusaama maailmast. Tee temperatuuri olemuse mõistmiseni on olnud aga paras uperpalliderohke kadalipp. See tee pole aga kaugeltki otsa saanud, vaid jätkub.
Vaadake nimekirja inimestest, nende sünni- ja surmadaatumeid ja püüdke ära aimata, mis neid seob: Cornelius Drebbel (1572–1633), Galileo Galilei (1564–1642), Robert Fludd (1574–1637), Giovanni Francesco Sagredo (1571–1620), Giambattista della Porta (1535–1615), Giuseppe Biancani (1566–1624), Salomon de Caus (1576–1626), Santorio Santori (1561–1636).
Mälumänguga kokku puutunu hakkaks arutama selle üle, kas loetelus olev Galilei võiks olla võtmeisik kõigi nende enam-vähem samal ajal elanud tegelaste puhul. Ehk on tegu mõne salaseltsiga näiteks?
Oletame, et Heliotsentrilise Maailma Pooldajate Ühing või muu selline? Ilmselt pole sellist olemas olnudki, sest aasta pärast Tartu Ülikooli asutamist, 1633. aastal nimelt, hakkas Galileo Galilei kallal askeldama inkvisitsioon, püüdes kaitsta väljamõeldist, et maailma keskmeks on Maa.
Millise salaseltsiga siis tegemist oli?
Nimekiri on ilmselt veelgi pikem ja tegemist ei ole isegi astronoomide seltskonnaga, vaid tegelastega, kes ühel või teisel moel pretendeerivad termomeetri, ja just nimelt paisuval vedelikul põhineva termomeetri leiutaja tiitlile. Nimetatud on pärit Hollandist, Inglismaalt, Prantsusmaalt ja Itaaliast ja üks toonaste teadlaste võtmeküsimusi oligi see, kuidas mõõta seda, mis põhjustab soojusnähtusi.
/nginx/o/2023/07/14/15455037t1habf1.jpg)
Paisuval vedelikul toimivate termomeetrite nimekamaid loojaid on Santorio Santori, kes oli Padovas ja Veneetsias meditsiiniprofessor.
Santori mõõtis oma ameti kohaselt selle seadmega ka inimese kehatemperatuuri ja talt on pärit hulkteisigi leiutisi: inimese kogukehakaal, mille abil ta uuris ainevahetust – kui palju sisse söödi, kui palju välja läks ning arusaadavalt, milline oli bilanss.
Celsiusele lähemale
1701. aastal sündis Uppsala astronoomiaprofessorile Nils Celsisusele poeg Anders – tulevane «kraadiklaasimees». Celsiuse nimigi on tuletatud nende pere valduste – Högen (kõrgendik) – ladindusest (celsus – kõrge lad k). Samal aastal tutvustas Taani astronoom Ole Christensen Rømer (1644–1710) maailmale ka esimest dokumenteeritud temperatuuriskaalat.
Rømeri termomeetri nulliks oli soolase vee külmumistemperatuur ja 60 juurde oli märgitud vee keemine. Miks 60? Aga toona oli kuuekümnendsüsteem sama loomulik kui täna kümnendsüsteem. Aga miks ikkagi 60, mis on viis korda 12?
/nginx/o/2023/07/14/15455038t1h6b73.jpg)
Proovige järele: lugege pöidlaga oma vasaku käe sõrmeliigeseid ja parema käega seda, mitu korda olete juba igale kolmele sõrmeliigesele pöidlaga osutanud. Korra proovinud, hakkab teile see loendamismeetod ehk meeldimagi.
Rømer taipas lõpuks, et soolane vesi pole hea kriteerium, ja võttis lähtekohaks mageda vee külmumistemperatuuri. Selle juurde kirjutati 7,5 kraadi ja nii sündis esimene üsna ajumurdva skaalaga termomeeter.
Fahrenheit – veelgi veidram skaala
Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736), Gdanskis sündinud saksa füüsik ja teadusinstrumentide meister, tegi aga järgmise skaala, mis ajupiinamise mõttes annab Rømeri omale silmad ette. Tema termomeeter põhines elavhõbedal, mis teadupoolest on hea paisuja ja kahaneja. Ja nüüd: Fahrenheitki võttis meresoolase vee ja ütles, et see külmub 30 kraadi juures, siis pistis oma termomeetri terve inimese suhu ja ütles, et see on 96 kraadi. Põmm – 66-kraadine skaala. Tuli välja, et sel juhul keeb vesi 212 kraadi juures. Tavalise vee külmumistemperatuuri korrigeeris ta siis 32 kraadi juurde ning oligi paigas vee külmumis- ja keemistemperatuuri 180-kraadine vahe. Lihtne?
Ameerika Ühendriikides on see siiani kautusel. Samasse ajajärku jääb ka René Antoine Ferchault de Réaumuri (1683–1757) 1730. aastal loodud termomeeter. Veidi kannatust ka selle toimimise kirjelduse lugemisel: nimelt kasutas Réaumur mõõtmiseks piirituse ja vee segu. Termomeetri ülesehitus oli selleks ajaks juba üsna reeglipärane: klaasist termomeetri allosas on pirnjas vedelikumahuti, mille kohal siis peenike klaastoru, kuhu soojenev vedelikusammas paisuda saab.
Réaumur sättis asjad nii, et üks tuhandik selle mahuti ruumalast vastas ühele kraadile tema kraadiklaasi skaalal. Réamuri skaalal vesi külmus null kraadi juures ja kees 80 kraadi juures.
Euroopas kuni 19. sajandi lõpuni kasutusel olnud temperatuuri mõõtmise viis hääbus – eks seda vee ja piirituse lahust oli tüütu sättida, aga uskuge või mitte: juustumeistrid kasutavad Réaumuri temperatuuriskaalat tänaseni! Jah, küll mitte vist enam piiritusel termomeetritega.
Ikka veel sammuke enne Celsiust
Aastal 1732 ehitas prantsuse astronoom Joseph-Nicolas Delisle (1688–1768) elavhõbedatermomeetri, mille nullpunkt oli vee keemispunkt ja iga kraad vastas siis elavhõbeda kokkutõmbumiseni ühe saja tuhandiku osa võrra. Venemaad külastanud Delisle tõdes, et sealse talveõhu temperatuur ta tagurpidi skaalaga termomeetri järgi oli 2500 kraadi ja vesi külmus 1500 kraadi juures. Ta vähendas seda skaalat 10 korda.
Nüüd murtakse pead selle üle, kuidas kogu see temperatuuritants millegi sootuks uuega asendada ja temperatuur tuletada näiteks füüsika fundamentaalkonstantidest.
Delisle saatis oma termomeetreid õpetlastele katsetamiseks üle Euroopa. Nii sattuski Delisle’i termomeeter ka Uppsala astronoomi Anders Celsiuse kätte, kes jagas vahemiku vee keemisest külmumiseni sajaks osaks. Sellest ajast ka sentikraadid – sajaks osaks jagatud kraadid –, mis inglise keeles me kõrvu siiamaani kostavad. Celsiuse skaala jäi aga ikka veel pea alaspidi: vesi kees null kraadi juures ja külmus 100 kraadi juures.
Ilmselt oli negatiivse arvu mõiste sedavõrd keerukas toonases kultuuris, et krõbedat külma oli vaja sagedamini kirjeldada kui vee keemistemperatuurist kuumemaid protsesse.
Linné pöörab Celsiuse skaala pea pealt jalgadele
Aastal 1744 Anders Celsius suri ja 1745 sattus ta termomeeter samuti Uppsala õpetlase, botaanik Carl von Linné (1707–1778) kätte. Linné oli see, kes pööras selle Celsiuse skaala selliseks, nagu me täna teame: vesi külmub nulli juures ja keeb saja juures. Seda hakati kutsuma Rootsi skaalaks või uueks Celsiuse skaalaks. Esimene selline termomeeter pandi üles 1745. aastal Uppsala botaanikaaeda.
Peale Celsiuse skaala ümberpööramist on Linné teene elusorganismide ladinakeelse kahest sõnast koosneva süstemaatika loomine. Linné oli ka esimene, kes klassifitseeris inimese loomana ja andis meile tänaseni külge kleepunud nime Homo sapiens. Linné ja Celsius olid ühes teiseski asjas saatusekaaslased: nimelt toonases Rootsis ei olnud perekonnanimesid, aga need pidid olema ülikooli vastu võetud üliõpilastel. Nii saigi Anders Nilssonist Celsius ja Nils Ingemarssonist Linnegårdi sünnitalu järgi siis Linneaus ehk Linné. «Von» seal vahel lisandus pärast 1757. aastat, kui ta tõsteti aadliseisusse.
Sellega temperatuurivirvarr veel ei lõppenud
Soojusega on see peen värk, et näiteks 18. sajandi lõpul kõneleti soojusest pigem filosoofia ja psühholoogia valdkonda kui füüsika valda kuuluvast nähtusest. Põhjus on ka arusaadav: «on soe» on arusaadavalt tunne. Koos aurumasina leiutamisega aga uuriti ja puuriti uut füüsikaharu – termodünaamikat.
Briti füüsik William Thomson (1824–1907) avaldas 1848. aastal artikli, milles osutas absoluutse nulli olemasolule. Toona tegelesid termodünaamikud nn ideaalse gaasi kirjeldamisega ja absoluutne null, –273 kraadi Celsiuse skaalal, oli see punkt, kus ideaalse gaasi ruumala langes samuti nulli. Aastal 1892 lõi kuninganna Victoria Thomsoni rüütliks – lord Kelvin oli ta samanimelise jõe järgi, mis tema Glasgow’ labori lähistel voolas.
Ja paar asja veel
Austria füüsik Ludwig Eduard Boltzmann (1844–1906) näitas, et temperatuur on proportsionaalne sellega, kui kiiresti molekulid liiguvad, ning see on ka üks viis soojuse liikumiseks: kiiremini liikuvad aineosakesed panevad aeglasemalt liikuvad samuti kiiremini liikuma. Just sel põhjusel on soojuse loomupärane kulg alati soojemalt asjalt külmemale ja jahutamiseks tuleb alati tööd teha. Vaadake või elektriarveid, mida teile töötav külmkapp või õhukonditsioneer koju kutsub. Nende arvete maksmiseks peate lõpuks ju isegi tööd tegema. Kuuma suveilmaga soojeneb aga jahe tuba üles täiesti iseseisvalt ja tasuta.
Vee keemistemperatuur sõltub aga õhurõhust – kõrgemäestikus keeb vesi nii madalal temperatuuril, et munagi ei kalgendu keenuks.
Tänaseks on nulli paikapanekuks kasutusse võetud vee kolmikpunkti temperatuur: see on seisund, kus jää, veeaur ja vedel vesi on omavahel tasakaalus ehk siis samal ajal olemas. Celsiuse skaalal on see 0,01 kraadi. Vesi, mille kolmikpunkti määratakse, on 1967. aastast paika pandud üsna täpse koostisega ja nii on siis tänane absoluutne null –273,15 Celsiuse kraadi.
Muide, selle kohaselt on ka eri standardite järgi vee keemistemperatuurid juuksekarva lõhki ajades erinevad. Nii keeb Ameerika normaalrõhul, mis on 101 325 kilopaskalit (kPA), vesi 99,97 Celsiuse kraadi juures ja üleilmselt keemikute kasutatava normaalrõhu juures, mis on 100 000 kPa, koostise osas täpseks timmitud vesi 99,61 C kraadi juures.
Aga kogu see saaga jätkub, sest nüüd murtakse pead selle üle, kuidas kogu see temperatuuritants millegi sootuks uuega asendada ja temperatuur tuletada näiteks füüsika fundamentaalkonstantidest. Elame, näeme!
Temperatuuriskaalad
- Lisaks Celsiuse, Fahernheiti ja Kelvini temperatuuriskaaladele on kasutuses olnud veel Rømeri, Newtoni, Delisle’i, Réamuri ja Rankine’i skaala.
- Need on üksteiseks teisendatavad kuna «kraadi pikkused» soojusenergia mõttes ja protsesside – nagu näiteks vee keemine ja jäätumine – temperatuuriväärtused on teada.