Fahrenheit, Réaumur, Celsius, Kelvin: Termomeetri saamislugu
Temperatuuri tajuti lihtsalt füsioloogiliste meelte kaudu. Kasutati mõisteid külm, jahe, leige, kuum, kõrvetav, keev ja teisi. On ju veel siiani tuntud sellised mõisted nagu ihusoe, lüpsisoe, päevasoe, jääkülm ja teised. Kuid täpsemalt oli asi paika panemata.
Tõsi, mingi veetermomeetri, paisupaagi ja toruga, konstrueeris 1597. aastal Galileo Galilei, kuid neid konstruktoreid oli teisigi. Konkreetsemalt hakkas asi arenema lähiminevikus, kui kirjutati aastanumbreid algusega 17.. – siis leiutasid praktikas levima hakanud termomeetreid ehk kraadiklaase kolm teadlast.
Fahrenheit, Gabriel Daniel (1686–1736)
Üheks leiduriks oli Danzigis (praegune Gdansk, Poola) sündinud sakslane, kes algul proovis õnne kaupmehena Hollandis, aga kvalifitseerus siis ümber klaasipuhujaks ja hakkas valmistama teadlastele instrumente. Sajand pärast Galileid ehk 1709. aastal leiutas ta piiritustermomeetri. Selle 0-punktiks valis ta lume ja ammooniumkloriidi (salmiaagi) segu temperatuuri.
Tol ajal oli see kättesaadav võimalikult madala temperatuuriga keskkond, tunduvalt allpool praegust nulli. Järgmiseks punktiks valis Fahrenheit inimese keha temperatuuri. Nende kahe punkti vahe jagas leidur 100ks. Ettevõtmine oli tollimõõdu maailmas pretsedenditu juhus – kümnendsüsteem alles terendas kusagil horisondil. Tähiseks sai °F. Edaspidi kasvatas leidur skaalat, ekstrapoleerides üles- ja allapoole. Tänapäeval näitab tema kraadiklaas vee külmumist 32 °F ja keemist 212 °F juures, inimese kehatemperatuur on 98,6 °F (st 37 °C).
Réaumur, René Antoine Fechault de (1683–1757)
Réaumur oli Prantsuse loodusteadlane, kes selgitas inimkonnale mesilaste elustiili. Ja leiutas 1730. aastal ka piiritustermomeetri, kuid selle erinevusega, et valis 0-punktiks jää sulamispunkti, vee keemise aga tähistas arvuga 80, vahe jaotas ta 80ks. Niisugune veider keemispunkt sai temalt eluõiguse faktist, et piiritus paisus sellesse piirkonda jõudmisel 80x10–3 korda.
Küllalt suur, muljetavaldav ja ümmargune number, sest elavhõbe paisunuks ainult 13x10–3 korda. Réaumuri kraadi tähiseks sai °R ja vahel kohtab seda tähist ka praegu vanade füüsikute või kirjanike töid lugedes.
Celsius, Anders (1701–1744)
Kolmas mees oli Rootsi matemaatik ja tähetark, kes leidis 1742. aastal, et kraadiklaas peaks näitama vee keemist 0 ja jää sulamist 100 kraadi juures. Selles skaalas säras juba tulevase kümnendsüsteem ilu! Ametlikult võeti kümnendsüsteem kasutusele pool sajandit hiljem, kuulsa Pariisi meetri kehtestamisega 1791. aastal.
Niisuguse, nagu pea peale pööratud skaala asetas jalgadele, 0 allapoole, kaasmaalasest loodusuurija-arst Karl Linné kohe pärast leiutaja surma ehk 1745. a. Teistel andmetel teinud seda Celsiuse õpilane ja järglane tähetornis, Mortin Strömer 1750. aastal. See skaala kehtib siiani selles maailmas, kus kasutatakse meetrimõõtu ja kümnendsüsteemi. Ühiku tähis on °C.
Thomson, William (1824–1907) ehk Lord Kelvin
Hiljem ilmus teadusmaailma seoses temperatuuride mõõtmisega neljaski teadlane, noor Inglise füüsik, kes tegi ilma temperatuuri gradueerimise vallas, seda eespool mainitutest sada aastat hiljem. Nooruk lõi 1848. aastal 24aastasena oma absoluutse temperatuuriskaala, mille 0-punkt on Celsiuse skaala sügavas miinuses, -273,15 °C.
Selle nullpunkti nimetas noor William absoluutseks nulliks ja madalaimaks temperatuuriks füüsikas. Niisuguses olukorras on molekulide ja aatomite liikumine praktiliselt lõppenud, need on tardunud vaikellu – temperatuur on ju nende energeetiline ajur. Veidra nullarvuni jõudis noor teadlane, uurides põhjalikult oma eelkäijate füüsikute töid. Kui Celsiuse kraadiklaas näitas 0, jõudis William juba 273 kraadini, vesi kees temal 373 K juures. Thomsonil skaalat allapoole nullpunkti enam ei eksisteerivat, ehkki statistilises füüsikas, mis tegeleb energianivoode hüpetega, olevat võimalik sattuda ka negatiivsesse tsooni.
Kuninganna Victoria lõi ligi pool sajandit hiljem (1892) Thomsoni lordiks suurte teenete eest füüsikas, lord Kelviniks. Nimi oli laenatud Glasgow’ ülikooli füüsika instituudi hoone tagant läbivoolanud jõekeselt. Värske lordi nimega hakati kohe kutsuma ka tema nooruses väljatöötatud skaalat ja praegu kasutavad seda teadlased üle maailma. Sellest moodustati rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi (SI) põhiühik, temperatuuri ühik on kelvin, tähis K. 1 K = 1 °C. Aastani 1968 nimetati seda veel Kelvini kraadiks, nüüd vaid kelviniks ja kraadi tähistavat nullikest enam ei märgita. Ja mis kõige veidram, Kelvini kraadiklaasi ei ole füüsiliselt olemas... Seda puudust korvab absoluutne ja klassikaline temperatuuriskaala.
Temperatuur igapäevaelus
Meie, lihtsurelikud, meetrimõõdu ja kümnendsüsteemi tarbijad, kasutame jonnakalt Celsiuse skaalat. Ligi sajand tagasi, 1933. aastal, kehtestas VIII Kaalude ja Mõõtude Komitee oma Berliini konverentsil, et kraadi tähist °C tuleb lugeda mitte kui temperatuuri mõõtühiku celsius tähist, vaid kui ladinakeelset centum = sada – kui sajandikku sajapügalasel skaalal, selle esimese tähe järgi. (Analoog pikkuse mõõtmisel centimeetriga (cm) – sajandik meetrist.) Seega peaksime ütlema, et haigel on palavikku 38 centi- ehk sajandikkraadi, ütleme aga 38 kraadi ja sealjuures me isegi ei mõtle enam vanameister Celsiuse peale.
Vanasti öeldi: niimitu kraadi Celsiust. See oli periood, mil Euroopas tõugati troonilt Fahrenheiti. Kuid Fahrenheiti austajatel on siiani kasutusel vana ühik °F. Meeletu aeg, kolm sajandit on möödunud, aga ikka võidutseb see maades, kus on veel kasutusel tollimõõt. Ja Austraaliast tuleb tänagi kiri: neil on vilus 90 kraadi!
Kaasajal on olmes laialt levinud elektroonsed temperatuurimõõtjad, nende mõõtediapasoon on lai, –50 kuni +50 sentikraadi, täpsus on samuti lai mõiste. Ekraanile saadab näidu mõõdetavast keskkonnast pooljuhttakisti, termistor. Viimase takistus küll väheneb temperatuuri muutudes, (negatiivne temperatuurisõltuvus), kuid see on muljetavaldavalt suur, 5–10% kraadi kohta ja suhteliselt lineaarne. See, suhteliselt lineaarne sõltuvus, pannakse samuti paika skaala kahes punktis, rohkemaks ei ole tehnilisi võimalusi ja vaegkohtades tekkib paratamatult +/– viga. Ja ehkki riist näitab kraade skaalal kümnendikkoha täpsusega, ei saa viimast kohta usaldada – kuigi on meeldiv vaadata, kuidas komajärgsed numbrid vahelduvad ja selle järgi hinnata ruumi soojenemist või jahenemist.
Muide, metallide negatiivse elektritakistuse ja temperatuurisõltuvuse avastas 1833. aastal hõbesulfiiti (Ag2S) uurides suurteadlane Michail Faraday Londonis, seda pea kaks sajandit tagasi! Praktiline vajadus käivitus sajand hiljem.
Taolisi, temperatuurist sõltuvaid elektrilisi riistu, on teisigi, kas või kahest erinevast metallist kokkujoodetud termopaar, mis „toodab” mõõtmiskohalt voltmeetri tarbeks termoelektrilist pinget – viimane sõltub temperatuurist.
Osades kohtades, näiteks külmlettides, on kasutusel veel ka termomeetreid, kus tundlikuks elemendiks on kahest erineva soojuspaisumisega metallist (bimetallist) spiraal. Temperatuuri muutuse mõjul keerdub spiraal osutinäiduks.
Viimane tehnikasaavutus on infrapunakiirtele reageeriv termomeeter. Suunatuna kasvõi kümne meetri kaugusel asetsevale objektile, tunneb riist ära sealsete molekulide temperatuuriga seotud „rabelemisel“ tekkivad elektromagnetilised lained (8–14 µm) ja muundab need ekraaninäiduks. Riist marssis meie eraellu militaarse õhutõrjeraketi ninaotsast.
Tavatermomeetri ehitusest
Klassikaline termomeeter, olgu see välis-, toa-, või lapse vannitusvee temperatuuri mõõtmiseks, koosneb klaasist anumakesest, milles toimub vedeliku soojuspaisumine – põhimõtteliselt sama nagu vanameister Galileil. Paisumist näitab vedelikusammas anumast väljuvas kapillaartorus.
Juuspeenes torukeses, tänu sellega kokkuehitatud optilisele prismale – sisuliselt suurendusklaasile – on vedeliku sammas hõlpsalt vaadeldav ning kõrgus hinnatav kõrvaleseatud skaalalt. Vedelikuks kasutatakse siniseks või punaseks värvitud etanooli. Viimane külmub alles –114 °C juures (Hg –39 °C). Elavhõbedatermomeetreid olmesse ei valmistata, sest elavhõbe on materia non grata, keskkonnaohtlik materjal.
Termomeetrite valmistamine ei ole lihtne. Klaasballooni ja kapillaari suletud vedelikuga toorikud märgistatakse kriipsukestega 0 ja 30 kraadises keskkonnas ning valitakse seejärel skaalade komplektist vahemikule sobiva intervalliga eksemplar. Seega on igas kraadiklaasis omajagu käsi- ja mõttetööd.
Kuidas neid kraadiklaase ka ei valmistata ja skaalasid ei valita, ikka kannatab täpsus. Kas või kapillaartoru valmistamisel tekkivast läbimõõdu paratamatust ebaühtlusest. Isegi laboratoorse kraadiklaasi passi, millel ühekraadised jaotused ja kus on arvestatud isegi kapillaari klaasimassi joonpaisumist, kirjutatakse veaks +/–1 °C. Milline võiks siis viga olla veel olmekraadiklaasil? Ei ole midagi imelikku, kui kolm kõrvuti asetsevat kraadiklaasi näitavad eri näite! Mõjub isegi vaatleja asukoht ja vaatlusaeg. Tähtis on veel kraadiklaasi asukoht ruumis. Igatahes peaks see olema mitte aknalaual ja välisseinal, viimasest peaks see olema vähemalt meetri kaugusel. Ametlikult mõõdetakse ruumi keskelt, silmade kõrguselt ja lugem fikseeritakse, kui see ei muutu.
0 K juures
Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudi teadlased, doktorid Urmas Nagel ja Toomas Rõõm on jõudnud madalate temperatuuride ja terahertsspektroskoopia laboratooriumis Kelvini temperatuurini 0,007 K. Tetrahertskiirgust registreerivad detektorid töötavad 0,3 K juures. Madalaid temperatuure ja tugevaid magnetvälju vajatakse materjalide uute omaduste uurimisteks. Temperatuuri mõõdetakse pooljuhttakistustermomeetriga, mille takistus nulli juures ronib lõpmatusse.
Teooria (termodünaamika kolmas printsiip) ütleb, et absoluutne null on praktiliselt saavutamatu. Tänapäevane maailmarekord on miljardiku kraadi lähedal – üheksa nulli peale koma!
Temperatuuriskaalade üleminekuvalemeid
| Skaala nimetus | Celsiuse kraadidelt teistele kraadidele | Teistelt kraadidelt Celsiuse kraadidele |
| Fahrenheit | [°F] = [°C] x 9/5 + 32 | [°C] = ([°F] − 32) x 5/9 |
| Kelvin | [K] = [°C] + 273,15 | [°C] = [K] − 273,15 |
| Rankine | [°R] = ([°C] + 273,15) x 9/5 | [°C] = ([°R] − 491,67) x 5/9 |
| Delisle | [°De] = (100 − [°C]) x 3/2 | [°C] = 100 − [°De] x 2/3 |
| Newton | [°N] = [°C] x 33/100 | [°C] = [°N] x 100/33 |
| Réaumur | [°Ré] = [°C] x 4/5 | [°C] = [°Ré] x 5/4 |
| Rømer | [°Rø] = [°C] x 21/40 + 7,5 | [°C] = ([°Rø] − 7,5) x 40/21 |
Termomeetrite ajaloost
Ülo Vaher
Temperatuur on füüsikaline suurus, mis iseloomustab süsteemi või keha soojuslikku olekut ehk soojusastet. Aga suurusi on paremaks arusaamiseks ja võrdlemiseks vaja mõõta ning tavaoludes sobib selleks kõige paremini tavaline termomeeter.
Füüsikateadusele selle tänapäevases mõistes, mille fundamentaalseks osaks on mõõtmised ning kvantitatiivsed seosed valemite näol, pani aluse juba I. Newton. Tema töö hõlmas ka soojusnähtusi ning aastal 1700 töötas ta välja temperatuuriskaala, mille juures ta kasutas linaseemne õli ning selle soojuspaisumist. Baaspunktideks valis ta lume sulamis- ja vee keemistemperatuuri, kuid jagas selle vahemiku vaid 33 soojakraadiks. See sai hiljem aluseks ka tänapäevani argielus valitsevale Celsiuse temperatuuriskaalale, kes jagas nende püsipunktide vahemiku mugavamaks 100 kraadiks ning oli seega vaid Newtoni skaala edasiarendajaks.
Oma temperatuuriskaala pakkus 1701. aastal välja Taani astronoom O. C Rømer, kes läks ajalukku esimese mehena, kes suutis mõõta valguse kiirust. Tema võttis nullpunktiks merevee külmumispunkti ning vee keemispunktiks 60 (°Rø). Tollal oli maailmas veel valitsevaks arvusüsteemiks 60-süsteem ning kümnendsüsteem alles valmistus pealetungiks.
Prantsuse astronoomi J.-N. Delisle üheks teeneks oli elavhõbedatermomeetri leiutamine 1732. aastal. Peeter I kutsus ta Peterburgi observatooriumi rajama. Venemaa pakaste tõttu kasutas ta esialgu 2400 (või 2700) kraadilist skaalat (külmamõõtjat), kuid 1738 rekalibreeris J. Weitbrecht selle ümber nii, et jättis nullpunktiks vee keemistemperatuuri, vee külmumistemperatuuriks võttis aga 150 kraadi (numbrid suurenesid hoopis külmema suunas). Ta saatis oma termomeetri ka teistele teadlastele, teiste hulgas ka Celsiusele, kes võttis 150 asemel kasutusele 100. Delisle skaalaga termomeetrid jäid Venemaal kasutusele veel sajaks aastaks. Celsiuse esialgne „pea peal" skaala pöörati teistpidi alles pärast tema surma Rootsi botaaniku C. Linné pealekäimisel.
Väljapaistva panuse soojusfüüsika arengusse andis Glasgow insener ja füüsik W. J. M. Rankine, kes 1859 pakkus välja oma temperatuuriskaala, mille nullpunktiks võttis ta absoluutse nulli nagu Kelvingi, kuid vahemiku ühikuna kasutas juba levinud Fahrenheiti kraadi (absoluutsele nullile vastaks seega ka -459,67 °F).
