溫度計的前世今生

王聰聰

人類從很久以前就開始探尋測量溫度的方法，盡管那時候人們還沒有“溫度”這個詞的概念，但人們會用身體的感覺來定義冷熱變化。如今，溫度計經(jīng)歷400多年的發(fā)展，早已不再局限于環(huán)境溫度測量和體溫測量，而是為我們生活、生產(chǎn)中的各個方面需求提供精確的溫度數(shù)據(jù)，且已形成一個分門別類的科學——溫度計量學。

今天，我們就來對溫度計發(fā)展史做一個簡單的梳理。

憑經(jīng)驗感知溫度變化——冰瓶、火候

在古代，人們一般用身體的感覺來定義冷熱變化。除此之外，古人還發(fā)現(xiàn)了許多方式能感知外界環(huán)境溫度的變化。

早在先秦時期，古人就會利用裝水的瓶子來觀察溫度變化。《呂氏春秋·慎大覽·察今》中有這樣的說法：“見瓶水之冰，而知天下之寒、魚鱉之藏也。”意思是在瓶子中裝上水，如果水結(jié)冰了，就可以知道氣溫很低，進入寒冬；如果冰融化了，則氣溫回升。這種瓶子被稱為“冰瓶”，可以說是中國最原始的一種溫度計。在金屬冶煉或燒制陶瓷的過程中，歷代工匠都會以火焰顏色來判斷爐內(nèi)溫度的高低。

原理：冰瓶是古人利用水在不同溫度下的形態(tài)變化來推測環(huán)境冷熱變化的方法，火候則是古人創(chuàng)造的一種高溫目測技術(shù)。但這都只是經(jīng)驗感知，無法精確測量。

世界上第一支溫度計——伽利略氣溫計

在溫度計發(fā)明之前，了解病人熱度的工具只有手。那時，醫(yī)學上已經(jīng)知道病人的病情和他身體的冷熱相關(guān)，但如果碰巧那天醫(yī)生也有輕微發(fā)熱，或是剛剛摸了比較涼的物體，就會出現(xiàn)不準確的結(jié)果。所以，伽利略想發(fā)明一個可以測量熱度的工具。1593年，伽利略最早將空氣的熱脹冷縮現(xiàn)象應用到溫度計的發(fā)明中。

原理：當被測的物質(zhì)（空氣）與玻璃泡接觸的時候，玻璃管內(nèi)上方的空氣就會因為熱脹冷縮而發(fā)生體積變化，使有色液柱相應地上升或下降。參照玻璃管上標明的一些數(shù)字，就能測出該物質(zhì)的具體溫度。這就是世界上第一支標有刻度的溫度計——氣體溫度計。

主要存在的問題：氣體的體積不僅受到溫度的影響，還受到大氣壓的影響。而此時，人們還不知道氣壓的存在，因此伽利略氣溫計并不準確，測量誤差較大，但伽利略沒能解決這個問題。

第一次改進——蛇形溫度計問世

1611年，伽利略的學生桑克托留斯在第一支氣溫計的基礎(chǔ)上進行了改進。現(xiàn)在看起來，改進后的溫度計非常古怪。他將氣溫計的直管改成了一個蛇形彎管，將玻璃泡體積縮小，以便塞到病人的嘴巴里。他還在玻璃彎管上面刻了大約110個刻度來指示溫度的變化，用于測體溫。這就是世界上最早的體溫計。

原理：仍然是空氣的熱脹冷縮，變細、變長的玻璃管可以使測量精確度更高，而彎管更方便使用和讀數(shù)。

主要存在的問題：仍然沒有擺脫大氣壓的影響，因此測量也不準確；而且，當時還沒有出現(xiàn)溫度的統(tǒng)一衡量標準。

改進的方向：擺脫大氣壓的影響（將氣體換成液體），更小巧，攜帶更方便。

第一支液體溫度計——從水到酒精的變化

1650年，意大利的費迪南首先選擇水做液體溫度計，但存在兩個問題：一是水的熔沸點決定了以水做的溫度計的測量范圍較小（0～100℃）；二是水有一個特殊性質(zhì)，即在4℃時密度最大、體積最小，也就意味著水在0～4℃時是熱縮冷脹的“反膨脹”現(xiàn)象，因此在4℃以下測量就不準了，還會將玻璃外殼撐爆。

費迪南嘗試了多種液體，最后選擇了簡單易得的酒精。因為酒精的凝固點要低得多，且熱脹冷縮現(xiàn)象很明顯。但是，酒精溫度計也存在問題：酒精的沸點為78℃，凝固點-117℃（測量范圍為-117～78℃），因此酒精溫度計雖然能在低溫下使用，但是不能測量超過78℃的物體，如開水的溫度。

原理：液體的熱脹冷縮。

主要存在的問題：測量范圍不夠大。

改進的方向：使用沸點更大的、熱脹冷縮現(xiàn)象明顯的液體。

第一支水銀溫度計——現(xiàn)代溫度計的雛形

1659年，法國天文學家布里奧利用水銀沸點較高的特性，制作了第一支水銀溫度計，測量范圍為-39～357℃。這樣的溫度計已具有現(xiàn)代溫度計的雛形。

原理：液體的熱脹冷縮。

主要存在的問題：有一定的測量范圍，下限較高，不適合在較冷的地區(qū)使用；水銀有揮發(fā)性，且有毒性。

現(xiàn)代測溫技術(shù)——溫度計的大發(fā)展

隨著科技的發(fā)展，各種各樣的溫度計層出不窮，為我們的日常生產(chǎn)和生活提供各種品質(zhì)的溫度量值，比如熱電偶溫度計、紅外測溫儀。而這一切都是從伽利略氣溫計慢慢發(fā)展而來的，相信在未來，還會有更多種類的溫度計來讓我們的生產(chǎn)和生活更加便利。

原理：溫度計已經(jīng)不再依靠熱脹冷縮現(xiàn)象，而是由溫度變化引起其他量（如電阻等）的變化，再通過數(shù)據(jù)處理，呈現(xiàn)溫度值的變化。