淺談溫度計與溫標的發(fā)展歷程

陸彩輝

大家都知道，溫度是表示物體冷熱程度的物理量。要準確地知道物體的溫度，必須使用溫度計對物體進行測量。溫度計是利用物質(zhì)的某些物理屬性（如物質(zhì)的體積、導(dǎo)電性等）隨溫度而變化的原理制成的測溫儀器。這種看似簡單的測量儀器，卻歷經(jīng)了緩慢而曲折的發(fā)展過程，經(jīng)過許多科學(xué)家數(shù)百年的不斷改造和創(chuàng)新才逐步完善。當人們對熱現(xiàn)象從定性分析向定量研究發(fā)展時，首先遇到的問題就是如何確定物體的溫度。因此溫度計的誕生，標志著熱學(xué)邁出了定量科學(xué)的第一步，對熱學(xué)的發(fā)展無疑具有十分重要的意義。

一、溫度計的誕生及發(fā)展

早在兩千多年前的西漢初年，我們的祖先就知道用瓶子盛水和冰來測定冬天氣溫的變化。當時有“睹瓶中之冰而知天下之寒暑，審堂下之陰而知日月之行”的記載，通過觀察冰的熔化、水的凝固來粗略地判斷氣溫的高低。當然這種測溫裝置是很不準確的，但仍不失為溫度計的雛形。

最早的溫度計是由意大利的科學(xué)家伽利略（1564～1642）于1593年發(fā)明的。當時醫(yī)生在給病人看病的過程中，常需要了解病人的體溫，他們只能靠自己的手接觸病人的身體來做出判斷，因此這種判斷是很不準確的。伽利略為了幫助醫(yī)生解決這一技術(shù)上的難題，他在實驗中發(fā)現(xiàn)了氣體熱脹冷縮的現(xiàn)象，于是提出了利用氣體的這種特性來測量溫度的構(gòu)想。經(jīng)過反復(fù)思考、實驗，他便發(fā)明了最最的溫度計。其構(gòu)造是：向一根一端帶有細長玻璃管的玻璃瓶內(nèi)倒入適量的水，將其口堵住，然后倒插在盛有水的容器中，這樣一個簡易的溫度計就制成了。只要病人用手握著玻璃瓶，玻璃泡內(nèi)的空氣由于受熱膨脹，管內(nèi)的水面就會下降。根據(jù)管內(nèi)水面位置的高低，就可以測出病人的體溫。

不過，這種溫度計很不完善，這是因為它既無科學(xué)定標，且管內(nèi)水面的高低又會受外界氣溫和大氣壓的影響，因此用它測出的溫度也就很不準確了;況且到了冬季水會結(jié)冰，它就不能使用了，實際上它只能算作溫度氣壓計。在伽利略發(fā)明了溫度計以后，許多科學(xué)家都加入到了溫度計的研制行列中來。

為了消除氣壓的影響，1631年法國科學(xué)家詹·雷伊把長頸玻璃瓶倒了過來，并把玻璃瓶縮小為玻璃泡，把水注入玻璃泡內(nèi)排出里面的空氣，只是在玻璃管內(nèi)有空氣，直接用水的體積變化來顯示溫度的高低，發(fā)明了以水作為測溫物質(zhì)的溫度計。由于這種溫度計受水的冰點的限制，因此對冰點以下的溫度無法測量;并且由于管口未封閉，水會發(fā)生蒸發(fā)現(xiàn)象而產(chǎn)生誤差。

1650年，意大利的費迪南二世把測溫物質(zhì)改為酒精，并把酒精染成紅色，用蠟把管口封住，同時還把刻度附在玻璃管上。因為酒精的凝固點是-117℃，通過這一改進便可以測量零度以下物體的溫度了。就這樣制成了不依賴大氣壓的液體溫度計，因此現(xiàn)在形式的第一支溫度計宣告誕生了。可是由于酒精的沸點只有78℃，當溫度高于78℃時酒精會沸騰變成氣體，因此用酒精溫度計不能測量高于78℃的物體的溫度。

1658年，法國天文學(xué)家伊斯梅爾·博里奧用水銀作為測溫物質(zhì)，使溫度計的最大測量范圍擴大到-39℃——357℃。因水銀的體積膨脹隨溫度升高變化很均勻，而且水銀不浸潤玻璃，因此它得到了廣泛的應(yīng)用。但水銀溫度計也有其缺點，因為水銀在-39℃時會凝固，所以使用它又不能測太低的溫度。

隨后又有人把煤油染成紅色，作為測溫物質(zhì)。我們現(xiàn)在日常生活中使用的溫度計大多為煤油溫度計，它的最大測量范圍為-30℃——150℃。

二、溫標的建立過程

溫度計發(fā)明以后，為了進行有效地測量，必須對溫度計進行刻度，應(yīng)該用什么標準進行刻度呢？最初溫度計的刻度是任意的，每個人使用的標準各不相同，對溫度計的刻度也就不同。因此導(dǎo)致用不同的溫度計來測同一物體的溫度，得到的溫度值卻大相徑庭。如德國的科學(xué)家格里克曾提出以馬德堡地區(qū)的初冬和盛夏的溫度作為兩個定點的溫度。佛羅倫薩門徒學(xué)院的院士們則選擇了最冷冰凍期的雪或冰的溫度作為一個定點，牛或鹿的體溫作為另一個定點。1665年，荷蘭的物理學(xué)家惠更斯建議把水的凝固溫度和沸騰溫度作為兩個定點。1703年，世界著名的物理學(xué)家牛頓把雪的熔點定為自己制作的亞麻溫度計的零度，把人體的溫度定為12度。1704年，阿蒙頓對伽利略的空氣溫度計進行了改進，并選擇了水的沸點作為一個固定點，但由于他不知道水的沸點會隨著水面氣壓的變化而變化，因此用這種溫度計測得的溫度數(shù)值準確程度不太高，但是阿蒙頓在他的研究過程中第一次提出了絕對溫度的概念。

由于溫度標準的混亂，不僅使用起來很不方便，而且也不便于進行科學(xué)交流，因此人們迫切地需要一個公認的溫度標準。

⒈ 華氏溫標

德國的科學(xué)家華倫海特深感溫標的混亂給人們的生活與科學(xué)帶來的不利影響，為此他開始了這項有意義的工作。受阿蒙頓的影響，他開始研究溫度計的精細結(jié)構(gòu)，由于它對阿蒙頓關(guān)于液體沸點恒定性的研究很感興趣，急于知道各種液體的性質(zhì)，因此他做了一系列的實驗，發(fā)現(xiàn)每種液體都像水一樣有一個固定的沸點，并且沸點會隨液面氣壓的增大而升高。他的這一重要發(fā)現(xiàn)對精密計溫學(xué)是一個很大的貢獻。

第一個實用的溫標就是由他建立起來的，他想以最低的溫度作為零點，當時能得到的最低溫度是冰、水、氨水與鹽的混合物的溫度，他把此作為參考點，定為0度;他又認為人體的溫度是不變的，又把此作為第二個參考點，定為96度。他當時之所以沒有選擇水的凝固點作為參考點，是因為他認為水的冰點時高時低，是不固定的，不固定的溫度當然不能用來作為參考點。可后來他用自己制作的水銀溫度計進行測量時，發(fā)現(xiàn)水總是在32度時結(jié)冰，因此他又在溫標中加入了第三個參考點。后來人們對華氏溫標進行了改進，以水的冰點和沸點作為兩個參考點，水的冰點定為32℉，水的沸點定為212℉。用水銀溫度計進行刻度，把溫度計上兩個參考點之間的距離均分為180等份，每一等份定為1℉。這就是世界上第一個有實用價值的溫標——華氏溫標。現(xiàn)在歐美一些國家在日常生活中仍使用華氏溫標。

⒉ 攝氏溫標

1742年，瑞典的天文學(xué)家攝爾修斯又創(chuàng)立了攝氏溫標，他以水的冰點和沸點作為兩個參考點，將水的沸點定為0℃，把水的冰點定為100℃，將兩個參考點之間100等份，其中的每一等份就表示1℃。理由是：在一個標準大氣壓下，水的沸點和凝固點是確定的，容易生產(chǎn)重復(fù)性好、精確程度高的溫度計。由于這種定標方法導(dǎo)致熱的物體溫度低，冷的物體溫度高，與人們的生活習慣恰好相反。八年以后，攝爾修斯采納了他的助手施特默爾的建議，把兩個參考點的溫度對調(diào)了過來，才使得攝氏溫標成為人們公認的實用溫標。