Тепловое расширение тел, т. е. изменение их размеров при изменении температуры
, было известно давно. Еще в XVII в. флорентийские академики демонстрировали впечатляющий опыт — цилиндр при комнатной температуре свободно проходит сквозь кольцо (диаметр кольца чуть больше диаметра цилиндра), а тот же цилиндр после нагревания сквозь кольцо не проходит. Но оставалось неясным, все ли тела изменяют свои размеры с температурой одинаково, какова зависимость удлинения от температуры. Ответ на эти вопросы дали Лавуазье и Лаплас в 80-х годах XVIII в. Мы рассмотрим их опыт по изучению теплового расширения твердых тел подробно, потому что по тщательности постановки он и сегодня может считаться образцовым физическим экспериментом.
Казалось бы, что проще? Возьмем металлический стержень, измерим его начальную длину при комнатной температуре, нагреем его на 10 °С, измерим длину при этой температуре, нагреем снова и т. д., получим зависимость длины от температуры в виде таблицы или графика и аппроксимируем эту зависимость алгебраической функцией. Но как измерить температуру твердого тела, если эта температура отличается от температуры окружающей среды? Эта задача и сегодня решается не слишком просто, в те же времена она была нерешаема. Значит, приходят к выводу Лавуазье и Лаплас, надо нагревать испытуемый стержень вместе с окружающей средой. И помещают стержень в резервуар с жидкостью. Теперь, если нагреть жидкость и поддерживать ее некоторое время при постоянной температуре, то согласно нулевому началу термодинамики, наступит тепловое равновесие в системе, состоящей из резервуара 1 (рис. 1), жидкости 2 и испытуемого стержня 3. Таким образом, измеряя температуру жидкости, мы можем быть уверены, что тем самым измерили и температуру стержня. Измерить начальную длину нетрудно, но вот изменение длины... Оно очень мало, это известно из наблюдений, это изменение не видно глазом. Да и попробуйте залезть с линейкой в горячее масло или воду! Но и в этом случае есть решение, ученые и не собираются измерять длину ни при какой температуре, кроме начальной, они измеряют удлинение, разность между длиной при некоторой температуре и начальной длиной. Для этого они помещают стержень на роликах * таким образом, чтобы один его конец упирался в неподвижную стойку 4, а другой — в планку 5, свободно подвешенную на оси 6. На верхнем конце планки расположена зрительная труба 7. До начала измерений труба горизонтальна и «смотрит» на нулевое деление линейки 8, расположенной на расстоянии 200 м от трубы. При нагревании стержень 3 удлиняется и толкает планку 5, заставляя ее поворачиваться вокруг оси 6 вместе с трубой 7. Тепловое расширение приходится учитывать при строительстве железных дорог (зазоры между рельсами) и линий электропередач (провода никогда не натягивают туго), при изготовлении различных машин и механизмов и даже посуды — посмотрев в таблицу, вы легко сообразите, почему лопается стакан из обычного стекла, когда в него наливают кипяток, и почему посуда из кварцевого стекла выдерживает большой перепад температур. Именно учет теплового расширения сделал возможным создание точных часов, что сыграло выдающуюся роль в развитии мореплавания, т. к. только с созданием хронометров был, наконец, решен вопрос с определением географической долготы. При изготовлении электровакуумных приборов, таких, как кинескопы, рентгеновские трубки, телевизионные передающие трубки, приходится подбирать сорта стекла с коэффициентом линейного расширения, близким по величине с тем металлом, который используется в качестве электрических вводов (молибден, ковар, иногда платина), т. к. в процессе изготовления баллоны приходится нагревать до 300 °С и выше.