Lịch sử nhiệt kế và các thang đo độ

Trong thời đại này, một loạt thiết bị và đơn vị đo lường đã được phát minh, cuối cùng nó dẫn tới những đơn vị tiêu chuẩn mà chúng ta sử dụng ngày nay. Galileo là người đã phát minh ra nhiệt nghiệm, một thiết bị đo nhiệt. Nhưng nó không giống nhiệt kế: dụng cụ này không thể đo được nhiệt độ vì không có thang đo.

Vào khoảng năm 1612, học giả người Venice Santorio Santorio đã tạo ra những tiến bộ quan trọng về khái niệm đối với nhiệt nghiệm. Ông đã bổ sung thang đo — một tiến bộ nền tảng như việc phát minh ra chính thiết bị này. Các nhiệt nghiệm ban đầu về cơ bản đã bao gồm một ống thủy tinh thẳng đứng có một bầu thủy tinh ở trên cùng, phần đế lơ lửng trong một bình chất lỏng mà sẽ dâng lên chiều dài của ống. Khi nhiệt độ không khí trong bầu thủy tinh tăng lên, sự giãn nở của nó làm thay đổi chiều cao của chất lỏng trong ống. Các bài viết của Santorio cho thấy ông đặt mức nhiệt cao nhất bằng cách dùng nến đốt nóng bầu thủy tinh của nhiệt nghiệm, và vạch ra mức nhiệt thấp nhất bằng cách cho nó tiếp xúc với tuyết tan.

Thậm chí, ông có thể là người đầu tiên sử dụng nhiệt kế trong y học, một thiết bị để so sánh nhiệt độ cơ thể một cách khách quan. Để đo nhiệt độ, người bệnh sẽ dùng tay nắm bầu thủy tinh hoặc hà hơi vào nó.

Vào những năm 1650, một bước tiến đột phá khác đã diễn ra khi Đại công tước vùng Tuscany Ferdinando II de’ Medici thực hiện những thay đổi quan trọng về thiết kế cho thiết bị nghiệm nhiệt cũ. De’Medici được coi là người đầu tiên tạo ra một thiết bị kín, không bị ảnh hưởng bởi áp suất không khí. Thiết bị nghiệm nhiệt của ông gồm một ống thủy tinh thẳng đứng chứa đầy rượu mạnh đã chưng cất, trong ống có một số quả bóng thủy tinh ở các mức áp suất không khí khác nhau dâng lên và hạ xuống khi thay đổi nhiệt độ. Ông say mê đo nhiệt độ tới mức vào năm 1657 đã thành lập một học viện tư nhân là Accademia del Cimento, đây là nơi các nhà nghiên cứu tìm tòi những hình thức và hình dạng khác nhau cho thiết bị nghiệm nhiệt, bao gồm thiết kế đầy công phu với các cột trụ hình xoắn ốc. Nhờ những cải tiến cả về hình thức lẫn chức năng mà nhu cầu của người dân với loại thiết bị này tăng dần trong 50 năm cuối thế kỷ XVII, lúc đó nó mang tên “nhiệt nghiệm Florentine”.

Tuy chức năng đã được cải tiến, thế nhưng còn xa chúng ta mới đi đến một thiết bị đo nhiệt chính xác. Vào thời điểm đó, không có một tiêu chuẩn nào được chấp nhận làm hiệu chuẩn. Mọi người vô cùng tùy tiện khi cố tìm ra một điểm tham chiếu; có người dùng điểm nóng chảy của bơ, có người thì dùng nhiệt độ trong cơ thể động vật, nhiệt độ dưới hầm của đài quan sát Paris, ngày nóng nhất hay lạnh nhất trong năm ở nhiều thành phố khác nhau, và “than nóng trong bếp lửa”. Không hề có hai nhiệt kế ghi nhận cùng một nhiệt độ.

Giờ ta hãy đến với nhà thiên văn học Đan Mạch Olaus Rømer, người đã mở đường cho một phát minh sẽ thay đổi phép đo nhiệt mãi mãi. Vào năm 1710, ông nảy ra ý tưởng hiệu chỉnh một thang đo liên quan tới một thứ dễ tiếp cận hơn: điểm đóng băng và điểm sôi của nước.Tương tự như cách chúng ta đo số phút trong một giờ, phạm vi nhiệt độ có thể được chia giữa hai điểm này lên tới 60 độ. Tuy đã đi đúng hướng nhưng ông lại không quá thành công. Thật đáng tiếc vì ban đầu ông sử dụng nước muối đóng băng làm điểm hiệu chuẩn thấp nhất, điểm đóng băng của nước mà ông đo được ở 7,5 độ chứ không phải bằng không. Ngày nay nó được gọi là thang Rømer, mang trong mình ý nghĩa lịch sử quan trọng nhưng không được chính thức sử dụng.

Khi mối quan tâm tới nhiệt nghiệm tiếp tục lan tỏa ra khắp châu Âu, một nhà buôn trẻ đã khám phá ra rằng những dụng cụ này sẽ trở thành một thương phẩm ngày càng phổ biến. Anh ta cũng rất thích thú với dụng cụ này. Tên của nhà buôn trẻ tuổi này là Daniel Gabriel Fahrenheit. Hẳn các độc giả không mấy ngạc nhiên khi thấy tên ông xuất hiện ở đây, nhưng phần lịch sử của ông là một câu chuyện vô cùng nổi bật.

Fahrenheit sinh ra tại vùng Danzig, Ba Lan (nay là Gdańsk), trong một gia đình thương gia làm ăn thịnh vượng. Vào năm 1701, khi Fahrenheit mới chỉ 12 tuổi, cha mẹ cậu đã bất hạnh qua đời do ăn phải nấm độc. Cùng với những người anh chị em của mình, cậu đã được những người giám hộ mới tiếp nhận và cho đi học việc một thương gia. Tuy nhiên, cậu bé Daniel không quan tâm tới việc đi theo nghiệp này mà hứng thú với khoa học và thổi thủy tinh hơn nhiều. Việc học tập, chế tạo và thiết kế nhiệt kế và phong vũ biểu trở thành sứ mệnh của Daniel. Nhưng trong quá trình miệt mài theo đuổi những hoạt động này, cậu chàng đã nợ nần chồng chất mà không có khả năng trang trải.

Dù được hưởng tài sản thừa kế từ cha mẹ, nhưng Fahrenheit vẫn chưa thể dùng nó để trả nợ được. Thay vào đó, những người giám hộ mới của anh phải có trách nhiệm lo việc đó. Giải pháp của họ là: cho anh chàng đi làm việc trên tàu cho Công ty Đông Ấn Hà Lan để kiếm tiền trả lại cho họ. Fahrenheit đã thoát khỏi số phận này bằng cách trốn khỏi đất nước. Anh vẫn cần phải đợi tới năm 24 tuổi thì mới được hưởng quyền thừa kế và hoàn trả lại món nợ. Vì thế, suốt 12 năm, anh ta lang thang qua Đức, Đan Mạch và Thụy Điển, vẫn tiếp tục theo đuổi tình yêu khoa học của mình trong khoảng thời gian đó.

Cuối cùng, anh tình cờ gặp được Rømer ở Amsterdam. Hai người đã hợp tác với nhau và tạo ra nhiệt kế thủy ngân đầu tiên, có độ chuẩn xác và chính xác cao hơn nhiều so với các dụng cụ trước. Và cuối cùng, anh cũng có thể tạo ra nhiều nhiệt kế cho ra số đo nhất quán nhờ thiết kế cải tiến về thủy ngân.

Khi nhu cầu về nhiệt kế ngày càng tăng, Fahrenheit ở vị thế vô cùng thuận lợi để phát triển thang đo mang tên mình. Fahrenheit dựa trên thang đo của Rømer nhưng đã hiệu chỉnh điểm khởi đầu thành nhiệt độ đóng băng của dung dịch nước muối từ hỗn hợp nước, muối và đá lạnh với tỉ lệ bằng nhau — những chất vô cùng phổ biến. Nhưng nhiệt độ đóng băng của nước muối thấp hơn nhiều so với điểm đóng băng của nước thường, vì thế ông chọn điểm đóng băng là 30, điểm sôi của nước là 212, sau này điều chỉnh thành 32, được gọi là “điểm đóng băng” trong thang độ F. Khi tăng lên hai lần 32 nữa — tức là 96 độ — thì thang đo khớp với nhiệt độ mà Fahrenheit đo được ở cơ thể con người, đo được bằng cách đặt nhiệt kế dưới nách. Tất cả đều khớp với nhau, do đó thiết bị đo này trở nên phổ biến, cuối cùng nó trở thành thang đo nhiệt độ chuẩn đầu tiên có thể đo được 180 độ giữa điểm sôi và điểm đóng băng.

Hơn một thế kỷ sau, vào năm 1848, Ngài Kelvin bắt đầu suy ngẫm về lý thuyết nhiệt và tất nhiên là một phạm vi nhiệt rộng hơn. Ông sử dụng thang đo bách phân, nhưng bắt đầu từ số không tuyệt đối, tại đó tất cả hoạt động phân tử đều dừng lại. Tưởng rằng đây là nhiệt độ thấp nhất, nhưng hóa ra đó là -273.16oC. Có một phiên bản nhiệt độ tuyệt đối của thang Fahrenheit, được gọi là thang Rankine, nhưng hầu như chẳng có ai dùng nó.

Thang đo hệ mét vô cùng tiện lợi và được áp dụng cho nhiều phép đo – khoảng cách, thể tích, khối lượng, điện – và nó ngày càng được nhiều thuộc địa chấp thuận làm tiêu chuẩn cho thương mại. Nhờ tích hợp với hệ số phổ quát theo đơn vị mười, hay thường được gọi là hệ thập phân, nó trở nên trực quan và giúp việc tính toán trở nên dễ dàng hơn. Vào giữa thế kỷ XX, hệ mét thống trị toàn cầu.

Sau khi trên toàn thế giới sử dụng hệ mét, vào năm 1742, nhà thiên văn học Thụy Điển Anders Celsius đã phát minh ra một thang đo kế tục hệ Fahrenheit. Ông làm quá trình hiệu chuẩn trở nên chính xác hơn đơn giản nhờ sử dụng điểm đóng băng và điểm sôi của nước ở mực nước biển - không còn dùng nước muối để đo theo phương pháp của Fahrenheit nữa. Tuy nhiên, trên thang đo ban đầu ông để 100 độ là điểm đóng băng. Độc lập với Celsius, một người Thụy Điển khác tên Linnaeus, người đã phát minh ra hệ thống phân loại mà hiện giờ các nhà tự nhiên học vẫn sử dụng để đặt tên cho các loài, cũng đã tìm ra một thang đo chỉ có một trăm độ giữa điểm đóng băng và điểm sôi. Bởi vì có một trăm điểm giữa hai trạng thái này, nên nó được gọi là thang đo “bách phân”. Sau này, Jean-Pierre Christin, một nhà vật lý, toán học, thiên văn học và nhạc sĩ người Pháp, sống cùng thời Celsius phát minh ra thang đo, đã hình thành một cách sắp xếp tương tự nhưng với 100 là điểm sôi - đây chính là thang độ C mà chúng ta sử dụng hiện tại.

Năm 1948, một hội nghị quốc tế về trọng lượng và thước đo đã thông qua thang độ C làm thước đo tiêu chuẩn, nhưng thật khó để từ bỏ thói quen cũ, nên thang độ F vẫn được sử dụng rộng rãi ở Anh và Mỹ.

Nguồn: Time, Theguardian