При одном и том же изменении температуры разные материалы расширяются по-разному. Сплав железа и никеля (в соотношении от 5 до 3), например, расширяется только на одну десятую того, что показали бы железо или сталь. По этой причине такой сплав весьма полезен, чтобы делать из него измерительные ленты, прутки стандартной длины и так далее. Поскольку его длина более постоянная, чем таковая у большинства металлов, торговое название для этого сплава — инвар
[59].
Стекло расширяется в зависимости от температуры почти в той же степени, что сталь. Если стеклянный сосуд подвергнуть значительному температурному воздействию, одна часть этого сосуда будет расширяться (или сокращаться), в то время как другая часть, на которую температура еще не воздействует, останется в прежнем состоянии. По абсолютному значению, это расширение или сокращение будет весьма невелико, но его будет достаточно для того, чтобы создать внутреннее напряжение, которому силы сцепления стекла не способны противостоять, поэтому стекло треснет.
Одним из путей решения этой проблемы является использование относительно тонкого стекла, чтобы при нагревании одной части сосуда другая часть также нагревалась достаточно быстро
[60]. Более удачный путь состоит в том, чтобы использовать борсодержащее стекло, обычно известное под торговым названием «пирекс», который при том же изменении температуры изменит свой объем только на треть от того, насколько изменяется обычное стекло. Поэтому пирексное стекло гораздо более устойчиво к изменениям температуры; они вызывают в нем гораздо меньшие внутренние напряжения. Таким образом, не требуется приносить в жертву температурной стабильности ни его толщину, ни механическую прочность. Кварц обладает еще меньшей тенденцией к изменению своего объема в зависимости от температуры (меньшей даже, чем у инвара), а потому еще более пригоден для этой цели. Кварцевый сосуд можно нагреть «докрасна», затем погрузить в ледяную воду, и он выйдет из этого испытания неповрежденным.
Однако, несмотря на поразительные эффекты, которые вызывает это небольшое изменение объема, они остаются ничтожными по фактическому размеру. Чтобы использовать их для измерения температуры, нужно каким-то образом их усилить, в противном случае для измерения температур они становятся непригодными. К счастью, для усиления небольших объемных расширений существуют достаточно простые методы.
Один метод состоит в том, чтобы спаять вместе ленты из двух различных металлов, например железную и медную. При данном изменении температуры изменение в объеме (и поэтому в длине) медной ленты составит величину почти в два раза большую, чем у железной ленты того же размера. Если две металлические ленты не спаять вместе, медь расширится под влиянием увеличения температуры и выскользнет из-под железа, которое расширится крайне незначительно, и станет гораздо длиннее, хотя изначально обе полоски были равной величины. Если же вместо нагрева мы применим охлаждение, то опять же, сократившись, медная полоска станет короче железной, несмотря на то что изначально они были равной длины; медь сильно уменьшается с охлаждением, а железо — на весьма ничтожную величину; таким образом, медная полоска проскользнет под железную.
Однако эти две металлические ленты сварены вместе, и медь не может скользить по железу. Что же тогда происходит? Случается то, что при нагревании сваренные ленты («биметаллическая пластина» или «биметаллический стержень») сгибаются в направлении железа. В этом случае медь лежит по внешней стороне кривой, а железо — по внутренней. Так как внешняя сторона является более длинной, чем внутренняя, это позволяет медной полоске быть более длинной, чем железная, при сохранении целостности сварки. По мере падения температуры пластина распрямляется и при достижении исходной температуры снова становится прямой. Если же температура продолжает опускаться, то биметаллическая пластина изгибается в направлении меди, которая теперь находится на внутренней стороне кривой, в то время как железо находится на внешней стороне.
Если такая биметаллическая пластина закреплена с одного конца, то другой конец двигается из стороны в сторону в зависимости от влияющей на него температуры. Несмотря на то что внешняя сторона изогнутой ленты очень не намного более длинная, чем внутренняя, даже небольшое увеличение длины приводит к резкому уменьшению радиуса кривизны. По этой причине даже небольшая разница в температуре, производя очень маленькие различия в длине между железом и медью, в то же время значительно изменяет изгиб.
Термостат
Устройство такого типа может использоваться как термостат. Когда температура в доме падает, биметаллическая лента начинает изгибаться, скажем налево, и при некоторой температуре этого изгиба становится достаточно для того, чтобы замкнуть электрический контакт, который включает обогреватель. Как только дом нагревается, биметаллическая пластина изгибается назад, размыкает контакт и, таким образом, выключает нагреватель. Изменяя положение электрического контакта (что достаточно легко осуществить), мы можем добиться того, чтобы биметаллическая пластина включала нагреватель при любой заданной температуре.
Опять же положение свободного конца такой биметаллической полоски может использоваться для измерения температуры. Если мы закрепим на ней писчее перо, поместим под него вращающийся с постоянной скоростью барабан с бумагой, то получившееся устройство будет показывать текущее значение температуры, а мы можем всегда увидеть изменение ее от заданной позиции.
Маятник опять же может быть спроектирован таким образом, чтобы его подвес был выполнен не из одного металла, а из двух, скажем из железа и цинка. Они могут быть соединены между собой горизонтальными пластинами таким способом, чтобы температурные изменения в цинке старались удлинить маятник, в то время как температурные изменения в железе — сократить его. Совместным действием такого механизма было бы поддержание неизменной длины маятника независимо от температуры окружающей среды. Такое устройство называется «компенсированным маятником».
Температурные шкалы
Общепринятым методом усиления объемного расширения в целях измерения температуры является использование не твердых тел, а жидкостей. Представьте себе сферический сосуд, из которого откачан воздух, с идущей из него вверх тонкой трубкой постоянного диаметра. Сосуд вмещает достаточно жидкости, чтобы полностью заполнить сферу, но трубка остается пустой и содержит только вакуум. Если жидкость нагреть, ее объем увеличится, и у нее не будет никакого выхода, кроме как подниматься вверх по трубке. Объем жидкости, который поднимается по трубке, можно посчитать по обычной формуле для объема цилиндра, V = πr2h, где r — радиус цилиндрической трубки, a h — высота, до которой повышается жидкость. Для данного объема чем меньше значение радиуса трубки, тем на большую высоту поднимется по ней жидкость. Из этого следует, что даже при том, что дополнительный объем жидкости (который возникает благодаря температурному расширению) очень невелик, изменение в высоте уровня жидкости в трубке можно сделать весьма значительным, стоит только уменьшить до нужной величины радиус трубки. С тем, чтобы отградуировать шкалу, отражающую изменение высоты жидкости в трубке в зависимости от изменения температуры, тоже нет никаких трудностей.
