Опустим термометр в стакан с горячей водой (см. рисунок). Почти сразу же начнётся удлинение столбика подкрашенного спирта в трубке термометра, причём, его нижний резервуар останется заполненным. Следовательно, объём жидкости внутри термометра увеличивается и происходит её перетекание из резервуара в трубку. Соответственно, масса спирта в резервуаре уменьшается, а в трубке увеличивается. Теперь, если термометр переместить в холодную воду, то начнут происходить обратные изменения: уменьшение объёма жидкости внутри термометра и её перетекание из трубки в резервуар.
 |
В любой ситуации с течением времени наступает термодинамическое равновесие – состояние, при котором остаются постоянными все физические величины, характеризующие рассматриваемые тела: длины, объёмы, массы, давления и так далее. С этого момента времени термометр показывает не только собственную температуру, но и температуру изучаемого тела. Например, на рисунке термодинамическое равновесие ещё не наступило – надо подождать.
Итак, температура – физическая величина, измеряемая термометром и одинаковая у всех тел или частей тела, находящихся в термодинамическом равновесии друг с другом.
 |
Возьмём спиртовой и ртутный термометры, которыми можно измерять температуры от 0 до 100 °С. Закроем их шкалы бумагой так, чтобы видеть только столбики жидкостей. Поместим термометры в тающий лёд и дождёмся наступления термодинамического равновесия. Поставим отметки 0 °С. Перенесём термометры в кипящую воду и снова дождёмся термодинамического равновесия. Поставим отметки 100 °С. Расстояния между отметками поделим на 100 равных частей. Подождём, пока вода остынет до 50 °С по ртутному термометру. При этом спиртовой термометр будет показывать температуру 43 °С (см. рисунок).
Только что рассмотренный опыт, а также другие опыты свидетельствуют, что на разных участках температурной шкалы жидкости и твёрдые тела расширяются и сжимаются не вполне равномерно. Более того, существуют вещества, которые могут при нагревании как расширяться, так и сжиматься. Например, чистая вода имеет наибольшую плотность при +4 °С, то есть при нагревании от 0 ° до 4 °С вода сжимается, и лишь при дальнейшем нагревании расширяется.
Другими словами, показания термометров зависят от выбора термометрического тела: ртути, спирта и так далее. Для преодоления этого недостатка учёные стали искать новые пути измерения температуры. Их внимание привлёк газонаполненный или, проще говоря, газовый термометр, состоящий из резервуара с газом и манометра, размеченного в градусах температуры (см. рисунок).
 |
Опытами выяснили, что газовый термометр показывает одно и то же значение температуры вне зависимости от того, каким газом заполнен: водородом, кислородом, воздухом или другим. Это свидетельствует о том, что тепловое расширение всех газов практически одинаково. Именно поэтому газовый термометр в физике условились считать эталонным (образцовым) термометром.
Показаниям газовых термометров наиболее близко соответствуют показания ртутных термометров. Они гораздо более компактны и потому очень широко применяются в технике. Спиртовые термометры менее точны, но при этом экологически безопасны. Поэтому их используют, главным образом, в быту. Для особо точных измерений используют ртутные термометры, внося поправки на неравномерность расширения ртути и даже стекла, из которого изготовлен термометр.