Zagadki temperatury

Czy przy 60 stopniach jest wystarczająco ciepło?

24 maja będziemy obchodzić 330 rocznicę urodzin jednego z najbardziej znanych gdańszczan Daniela Gabriela Fahrenheita, twórcy i producenta rtęciowych barometrów, wysokościomierzy i termometrów, autor skali temperatur do dziś używanej w niektórych krajach anglosaskich. Jego termometr rtęciowy znalazł praktyczne zastosowanie w lecznictwie przy mierzeniu temperatury człowieka oraz w meteorologii, przy określeniu temperatury powietrza. Wykorzystał przy tym odkrytą przez siebie zależność temperatury wrzenia od ciśnienia.

Problem temperatury występuje powszechnie w naszym życiu a także we wszystkich dziedzinach nauki i produkcji przemysłowej. Można powiedzieć, że jest wszechobecny. Od zarania dziejów ludzie określali stan cieplny otaczającego ich powietrza i przedmiotów. Początkowo skala temperatury ograniczała się do stwierdzeń: ciepło, zimno, gorąco.

Z czasem w wielu procesach produkcji rzemieślniczej powstała potrzeba dokładniejszego niż odczucie określenia temperatury. Wiele pokoleń rzemieślników (np. garncarzy, płatnerzy itd.) umiało oceniać temperaturę ciał. Dokonywali tego zazwyczaj wizualnie, przez określenie barwy rozgrzanego przedmiotu. Wraz z rozwojem rzemiosła i przemysłu coraz pilniejszą stawała się potrzeba znalezienia sposobu dokładniejszego określania temperatury. Zaczęto do pomiaru temperatury wykorzystać zjawiska fizyczne, których jedna właściwość silnie zależy od temperatury, a pozostałe są w przybliżeniu niezmienne. I tak na przykład zależność  rozszerzalności termicznej cieczy wykorzystano w termometrach cieczowych

W dniu dzisiejszym większość z nas jako jedną z pierwszych porannych czynności wykonuje rzut oka na termometr. Pomaga nam to w codziennym życiu. Na podstawie prognozy planujemy czas wolny, czy choćby ubieramy się. 

Gdy słyszymy, że lato było najcieplejsze w Europie w całej historii pomiarów, które prowadzone są od kilkuset lat, zadajemy sobie pytanie czym dawniej mierzono temperaturę gdy nie było termometru. Obserwacja czy nam jest ciepło lub zimno oraz zamarzania i wrzenia, zmusiła ludzi do wypracowania uniwersalnych metod określania zjawiska przechodzenia zimna w ciepło. Musiano wymyśleć urządzenie, przy zastosowaniu którego można określać zmiany temperatury. Nie było to takie łatwe i pracowano nad tym wiele stuleci.

Pierwszy termometr, a właściwie termoskop, opisał w 210 roku p.n.e. grek  – Filon z Bizancjum, a nieco później Heron z Aleksandrii. Był to przyrząd pozwalający na określenie różnicy temperatury ciał, którego zasada działania opierała się na wykorzystaniu zjawiska rozszerzalności cieplnej gazów. Przyrząd ten składał się z jednostronnie zasklepionej rurki, której otwarty koniec zanurzony był w naczyniu napełnionym cieczą (winem lub octem). Przyrząd nie posiadał skali a jedynie dwie ruchome obrączki na rurce umożliwiające zaznaczanie zmian temperatury.

W czasach nowożytnych do idei termoskopu powrócił ok. 1600 r. Galileusz. Choć wiele źródeł podaje Galileusza jako wynalazcę termometru (termoskopu ze skalą), żaden z opisów termoskopu Galileusza nie zawiera informacji o skali. Zarówno termoskop Filona z Bizancjium jak i Galileusza były termoskopami powietrznymi, ponieważ były oparte na zjawisku rozszerzalności powietrza pod wpływem temperatury. Termoskop Galileusza miał zasadniczą wadę: reagował nie tylko na zmiany temperatury, ale także na zmiany ciśnienia atmosferycznego. 

Pierwszym precyzyjnym termometrem był jednak dopiero wynalazek Gabriela Daniela FAHRENHEITA, urodzonego w Gdańsku, ale w wyniku rodzinnej tragedii rzuconego przez los do Holandii. Było to jego największe osiągniecie; opracował w praktyce i teorii podstawy konstrukcji termometrów, wyskalowanych na podstawie trzech stałych punktów. 

Fahrenheit eksperymentował ze skalą termometru: zbudowanie go zajęło mu trzy lata, a kiedy otrzymał pożądany rezultat, modlił się z wdzięczności do Boga. W 1701 r. wielki fizyk Izaak Newton zaproponował, żeby za dwa punkty graniczne pozwalające wyznaczyć skalę termometru uznać moment zamarzania i wrzenia wody. Taką właśnie skalę opracował Fahrenheit i ogłosił ją w 1713 r. Punktami charakterystycznymi skali stały się: temperatura topnienia lodu, temperatury ciała zdrowego człowieka i wrzenia wody 

Termometr Fahrenheita nie różni się zbytnio od pomysłu Galileusza. I tutaj mamy zbiorniczek cylindryczny z cieczą i cieniutką rurkę, w której poziom cieczy podnosi się, lub opada, przez co widać minimalne nawet zmiany objętości cieczy w zbiorniczku. Tym razem jest to jednak układ zamknięty, przez co nie wrażliwy na ciśnienie atmosferyczne. W budowaniu termometrów Fahrenheit doszedł do prawdziwego mistrzostwa. 

Około roku 1715 jako pierwszy na świecie zastosował rtęć w termometrach i opracował efektywną technikę wypełniania nią delikatnych szklanych urządzeń. Traktował ją jako swój sekret handlowy i przez 18 lat, niemal do śmierci, nikomu jej nie ujawnił. Fahrenheit poświęcił całe życie nauce: nigdy się nie ożenił i zmarł bezdzietnie w 1736 r. w Hadze

 W roku 1725 opracował termometryczną skalę, nazwaną od jego nazwiska. Początkowo powszechnie stosowana, po nowej (1742) propozycji szwedzkiego astronoma Andersa Celsiusa ograniczona do krajów anglosaskich; obecnie stosowana w USA, Australii i Nowej Zelandii. 

W skali Fahrenheita woda zamarza w 32 st. (0 st. C), wrze w 212 st. (100 st. C), a normalna temperatura ciała ludzkiego to 98 st. (36,6 st. C). Te trzy punkty pozwalały mu kalibrować swoje urządzenia (przez wiele lat eksperymentował ze skalą, którą zresztą później poprawiano). Jest to termodynamiczna skala temperatur, gdzie punkt wrzenia i zamarzania dzieli dokładnie 180 stopni. Dlatego też jeden punkt na skali Fahrenheita to 1/180 przedziału miedzy punktem zamarzania i wrzenia wody. 

Skala Fahrenheita stała się na tyle uniwersalna, że zaczęto ją stosować a od roku 1720 do codziennego użytku weszły również rtęciowe termometry konstrukcji Gdańszczanina

Niestety w 1742 r. szwedzki astronom, Anders Celsius, zaproponował inną skalę, opartą na zachowaniu się wody, gdzie 0 stopni to temperatura przechodzenia wody z fazy stałej w ciekłą, a 100 stopni to temperatura jej wrzenia. 32°F odpowiadają temperaturze topnienia lodu, a 212°F - wrzenia wody. Jest to obecnie podstawowa skal stosowana na świecie w życiu codziennym. Ciekawostką jest, że Celsjusz przyjął oznaczenia odwrotne do używanych obecnie. Temperatura topniejącego lodu wynosiła u niego 100°C, a temperatura wrzenia wody 0°C. „Odwrócenia” skali dokonał przyrodnik Karol Linneusz lub producent termometrów Daniel Ekström w 1850 r

Skala Fahrenheita nie była nigdy używana w Gdańsku. Zamiast niej używana była skala Réaumura – wprowadzona w1731 roku przez francuskiego fizyka, często używana w Europie Środkowej do początków XX stulecia. W skali Réaumura temperatura topnienia lodu odpowiada 0° (tak jak w skali Celsjusza), a wrzenia wody 80° (100 °C), dlatego 1 °C odpowiada 0,8 w skali Réaumura.

Teraz już wiemy, że tytułowe 60 stopni Fahrenheita to tylko 15,56 ºC. 

W nauce i technice używana jest obecnie skala Kelvina. Skala Kelvina nazywana jest również bezwzględna skala temperatur jest to podstawowa jednostka w układzie SI. Temperatura zamarzającej wody jest w tej skali równa 273,15K, a temperatura wrzenia wody 373,15K natomiast temperatura 0 K jest równa temperaturze – 27315 K. ponieważ skal Kelvina oparta jest na skali Celsjusza i różnica temperatury jest w obu przypadkach  ta sama, temperaturę w Kelvinach otrzymujemy przez dodanie do liczby wyrażonej w stopniach Celsjusza stałej 273,15. Należy zwrócić uwagę, ze przy wyrażaniu temperatury w skali Kelvina, w przeciwieństwie do skali Celsjusza oraz Fahrenheita, nie używa się symbolu stopnia.

W poniższej tabeli, celem porównania,  przedstawiono wybrane temperatury w skali Kelvina, Celsjusza i Farenheita

Pierwszy oficjalnie zanotowany pomiar temperatury powietrza miał miejsce dokładnie 357 lat temu w 1659 roku w Wielkiej Brytanii. Od tego czasu pomiary temperatury odbywają się codziennie. Przez wiele lat temperaturę mierzono termoskopem, ale na początku osiemnastego wieku pierwszy termometr rtęciowy wynalazł urodzony w Gdańsku fizyk Gabriel Fahrenheit. Od tego czasu w większości krajów Europy zaczęto stale mierzyć temperaturę powietrza i ją zapisywać w kronikach meteorologicznych. W Polsce miało to miejsce w 1779 roku, w Szwecji w 1856 roku, a w Niemczech w 1891 roku. Oznacza to, że wszystkie pomiary wykonane począwszy od siedemnastego wieku są jak najbardziej wiarygodnym źródłem informacji. I to właśnie dzięki nim wiemy, kiedy było najcieplejsze lato w całej historii pomiarów. 

Słynny gdańszczanin DANIEL GABRIEL FAHRENHEIT  urodził się 24 maja 1686 w kamienicy przy ulicy Ogarnej jako syn kupca i armatora Daniela i Konkordii z domu Schuman.  Po początkowej nauce w Szkole Mariackiej miał studiować w Gdańskim Gimnazjum Akademickim lecz tragiczna śmierć rodziców pokrzyżowała te plany i w roku 1701 został wysłany przez opiekunów na praktykę kupiecką do Amsterdamu. 

Praktykował w kantorach kupieckich i dodatkowo studiował fizykę. Bardzo pasjonowała go idea mierzenia temperatury i wiele czasu poświęcał na budowę instrumentów naukowych. Nawiązywał kontakty i wymieniał doświadczenia z innymi wybitnymi uczonymi w tej dziedzinie. Do Gdańska powracał w latach 1709 i 1712, gdzie wspólnie z twórcą pierwszej szkoły technicznej w Gdańsku i Polsce, Pawłem Paterem prowadził doświadczenia nad skonstruowaniem mierników temperatury i ciśnienia. Badania kontynuował w roku 1714 w Dreźnie, podczas pracy w hucie szkła. 

W 1721 opisał zjawisko przechłodzenia wody, udowodnił zależność temperatury wrzenia wody od ciśnienia, opisał właściwości platyny; zajmując się optyką, ulepszył teleskop Newtona. Opublikował wyniki badań nad nową konstrukcją termometru, barometru i miernika gęstości cieczy (aerometru). 

W 1724 roku został członkiem, najważniejszej wówczas organizacji naukowej na świecie, Królewskiego Towarzystwa Naukowego w Londynie gdzie w spisie członków figurował jako : Mr. Fahrenheit dżentelmen z Gdańska

Zasłynął jako twórca pierwszych dokładnych termometrów, które napełniał rtęcią, a także skali termometrycznej, nazwanej od jego nazwiska skalą Fahrenheita, stosowanej nadal w krajach anglosaskich. W pozostałych rejonach świata stosuje się skalę Celsjusza opracowana w 1742 roku przez Szwedzkiego fizyka i astronoma Andreasa Celsjusza. Odkrył zależność punktu wrzenia cieczy od ciśnienia. Do innych wynalazków należały termometry lekarskie, które sprzedawał po florenie za sztukę oraz pompa odśrodkowa do czyszczenia kanałów, na którą uzyskał patent.  

Daniel Gabriel Fahrenheit był prawdziwym pionierem w wielu dziedzinach fizyki. Gdyby za jego czasów istniała Nagroda nobla, z pewnością by ja otrzymał. Mimo tych osiągnięć żył i umarł w biedzie nie było go stać nawet na portret. 

Wizerunek Daniela Gabriela Fahrenheita opracowali naukowcy z Politechniki Gdańskiej. Udało się to dzięki metodzie modelowania komputerowego na podstawie informacji historycznych, zachowanych wizerunków jego krewnych oraz portretów ówcześnie żyjących mieszkańców Gdańska. 

Do dzisiejszych czasów nie zachował się żaden portret uczonego. Wszystko, co można znaleźć w internecie, a dotyczy wizerunku wynalazcy anglosaskiego systemu mierzenia temperatury, to fałszywki. Na podstawie inwentarza pośmiertnego wiemy tylko, jak się Fahrenheit ubierał. Nosił peruki, surdut i kamizelkę.

W Gdańsku Fahrenheit ma o swoim imieniu ulicę oraz jest patronem jednego z zadaszonych dziedzińców Gmachu Głównego Politechniki Gdańskiej a jego imię nosi również tramwaj i hotel. Miasto Gdańsk przyznaje stypendium naukowe im. Daniela Gabriela Fahrenheita, finansujące przez okres roku  studia zagraniczne na renomowanych uczelniach dla wybitnie zdolnych gdańszczan legitymujących się polską maturą.

W centrum miasta na ulicy Długi Targ ustawiono kolumnę meteorologiczną Fahrenheita, czyli uliczny miernik temperatury i ciśnienia, gdzie w trzymetrowej, stylizowanej na XVIII wiecznej kolumnie znajduje się zamknięta gablota z termometrem rtęciowym do pomiaru temperatury z dwoma skalami tj. według Fahrenheita i Celsjusza oraz barometr po pomiaru ciśnienia  powietrza wzorowane na oryginale z 1752r. Kolumna znajduje się przy wylocie ulicy Mieszczańskiej na ulicę Długi Targ opodal miejsca, w którym Fahrenheit urodził się i spędził młodość, czyli ulicy Ogarnej w kamienicy dzisiaj oznaczonej numerem 95.

Zachował się jego testament w którym czytamy;” .. proszę sprawić mi pogrzeb najtańszy, czwartej klasy(… całą resztę, sprzęty, naczynia, pościel, jeśli są cos warte, spieniężyć i przekazać do Gdańska ukochanym dzieciom mojej siostry” Pochowany został w Hadze w kościele św. Wincentego. Obecnie znajduje się tam tablica pamiątkowa z napisem w języku holenderskim: „ w kościele  klasztornym został pochowany został Daniel Gabriel Fahrenheit, urodzony w Gdańsku w Polsce 24 maja 1686. Zmarł w Hadze 16 września 1736. Osiedlił się w Amsterdamie w 1717. Twórca termometrii, wynalazca przyrządow, uczony, członek towarzystwa Królewskiego”

Fot. Kuba Terakowski 

Kim jest najbardziej znany gdańszczanin na świecie? Można się na ten temat spierać, ale w kilku krajach anglosaskich, w tym w Stanach Zjednoczonych, dzień w dzień wymieniane jest nazwisko tylko jednego: Fahrenheita.