淺談溫度計(jì)與溫標(biāo)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(zhǔn)確地知道物體的溫度，必須使用溫度計(jì)對(duì)物體進(jìn)行測(cè)量。溫度計(jì)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(cè)溫儀器。這種看似簡(jiǎn)單的測(cè)量?jī)x器，卻歷經(jīng)了緩慢而曲折的發(fā)展過(guò)程，經(jīng)過(guò)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(dāng)人們對(duì)熱現(xiàn)象從定性分析向定量研究發(fā)展時(shí)，首先遇到的問(wèn)題就是如何確定物體的溫度。因此溫度計(jì)的誕生，標(biāo)志著熱學(xué)邁出了定量科學(xué)的第一步，對(duì)熱學(xué)的發(fā)展無(wú)疑具有十分重要的意義。

一、溫度計(jì)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(lái)測(cè)定冬天氣溫的變化。當(dāng)時(shí)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(guò)觀察冰的熔化、水的凝固來(lái)粗略地判斷氣溫的高低。當(dāng)然這種測(cè)溫裝置是很不準(zhǔn)確的，但仍不失為溫度計(jì)的雛形。

最早的溫度計(jì)是由意大利的科學(xué)家伽利略（1564～1642）于1593年發(fā)明的。當(dāng)時(shí)醫(yī)生在給病人看病的過(guò)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(lái)做出判斷，因此這種判斷是很不準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)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(lái)測(cè)量溫度的構(gòu)想。經(jīng)過(guò)反復(fù)思考、實(shí)驗(yàn)，他便發(fā)明了最最的溫度計(jì)。其構(gòu)造是：向一根一端帶有細(xì)長(zhǎng)玻璃管的玻璃瓶?jī)?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(gè)簡(jiǎn)易的溫度計(jì)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(huì)下降。根據(jù)管內(nèi)水面位置的高低，就可以測(cè)出病人的體溫。

不過(guò)，這種溫度計(jì)很不完善，這是因?yàn)樗葻o(wú)科學(xué)定標(biāo)，且管內(nèi)水面的高低又會(huì)受外界氣溫和大氣壓的影響，因此用它測(cè)出的溫度也就很不準(zhǔn)確了;況且到了冬季水會(huì)結(jié)冰，它就不能使用了，實(shí)際上它只能算作溫度氣壓計(jì)。在伽利略發(fā)明了溫度計(jì)以后，許多科學(xué)家都加入到了溫度計(jì)的研制行列中來(lái)。

為了消除氣壓的影響，1631年法國(guó)科學(xué)家詹·雷伊把長(zhǎng)頸玻璃瓶倒了過(guò)來(lái)，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(lái)顯示溫度的高低，發(fā)明了以水作為測(cè)溫物質(zhì)的溫度計(jì)。由于這種溫度計(jì)受水的冰點(diǎn)的限制，因此對(duì)冰點(diǎn)以下的溫度無(wú)法測(cè)量;并且由于管口未封閉，水會(huì)發(fā)生蒸發(fā)現(xiàn)象而產(chǎn)生誤差。

1650年，意大利的費(fèi)迪南二世把測(cè)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(shí)還把刻度附在玻璃管上。因?yàn)榫凭哪厅c(diǎn)是-117℃，通過(guò)這一改進(jìn)便可以測(cè)量零度以下物體的溫度了。就這樣制成了不依賴(lài)大氣壓的液體溫度計(jì)，因此現(xiàn)在形式的第一支溫度計(jì)宣告誕生了。可是由于酒精的沸點(diǎn)只有78℃，當(dāng)溫度高于78℃時(shí)酒精會(huì)沸騰變成氣體，因此用酒精溫度計(jì)不能測(cè)量高于78℃的物體的溫度。

1658年，法國(guó)天文學(xué)家伊斯梅爾·博里奧用水銀作為測(cè)溫物質(zhì)，使溫度計(jì)的最大測(cè)量范圍擴(kuò)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(rùn)玻璃，因此它得到了廣泛的應(yīng)用。但水銀溫度計(jì)也有其缺點(diǎn)，因?yàn)樗y在-39℃時(shí)會(huì)凝固，所以使用它又不能測(cè)太低的溫度。

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

二、溫標(biāo)的建立過(guò)程

溫度計(jì)發(fā)明以后，為了進(jìn)行有效地測(cè)量，必須對(duì)溫度計(jì)進(jìn)行刻度，應(yīng)該用什么標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行刻度呢？最初溫度計(jì)的刻度是任意的，每個(gè)人使用的標(biāo)準(zhǔn)各不相同，對(duì)溫度計(jì)的刻度也就不同。因此導(dǎo)致用不同的溫度計(jì)來(lái)測(cè)同一物體的溫度，得到的溫度值卻大相徑庭。如德國(guó)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(gè)定點(diǎn)的溫度。佛羅倫薩門(mén)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(gè)定點(diǎn)，?；蚵沟捏w溫作為另一個(gè)定點(diǎn)。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(gè)定點(diǎn)。1703年，世界著名的物理學(xué)家牛頓把雪的熔點(diǎn)定為自己制作的亞麻溫度計(jì)的零度，把人體的溫度定為12度。1704年，阿蒙頓對(duì)伽利略的空氣溫度計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，并選擇了水的沸點(diǎn)作為一個(gè)固定點(diǎn)，但由于他不知道水的沸點(diǎn)會(huì)隨著水面氣壓的變化而變化，因此用這種溫度計(jì)測(cè)得的溫度數(shù)值準(zhǔn)確程度不太高，但是阿蒙頓在他的研究過(guò)程中第一次提出了絕對(duì)溫度的概念。

由于溫度標(biāo)準(zhǔn)的混亂，不僅使用起來(lái)很不方便，而且也不便于進(jìn)行科學(xué)交流，因此人們迫切地需要一個(gè)公認(rèn)的溫度標(biāo)準(zhǔn)。

⒈ 華氏溫標(biāo)

德國(guó)的科學(xué)家華倫海特深感溫標(biāo)的混亂給人們的生活與科學(xué)帶來(lái)的不利影響，為此他開(kāi)始了這項(xiàng)有意義的工作。受阿蒙頓的影響，他開(kāi)始研究溫度計(jì)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，由于它對(duì)阿蒙頓關(guān)于液體沸點(diǎn)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(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)每種液體都像水一樣有一個(gè)固定的沸點(diǎn)，并且沸點(diǎn)會(huì)隨液面氣壓的增大而升高。他的這一重要發(fā)現(xiàn)對(duì)精密計(jì)溫學(xué)是一個(gè)很大的貢獻(xiàn)。

第一個(gè)實(shí)用的溫標(biāo)就是由他建立起來(lái)的，他想以最低的溫度作為零點(diǎn)，當(dāng)時(shí)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(diǎn)，定為0度;他又認(rèn)為人體的溫度是不變的，又把此作為第二個(gè)參考點(diǎn)，定為96度。他當(dāng)時(shí)之所以沒(méi)有選擇水的凝固點(diǎn)作為參考點(diǎn)，是因?yàn)樗J(rèn)為水的冰點(diǎn)時(shí)高時(shí)低，是不固定的，不固定的溫度當(dāng)然不能用來(lái)作為參考點(diǎn)?？珊髞?lái)他用自己制作的水銀溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)水總是在32度時(shí)結(jié)冰，因此他又在溫標(biāo)中加入了第三個(gè)參考點(diǎn)。后來(lái)人們對(duì)華氏溫標(biāo)進(jìn)行了改進(jìn)，以水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)作為兩個(gè)參考點(diǎn)，水的冰點(diǎn)定為32℉，水的沸點(diǎn)定為212℉。用水銀溫度計(jì)進(jìn)行刻度，把溫度計(jì)上兩個(gè)參考點(diǎn)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(gè)有實(shí)用價(jià)值的溫標(biāo)——華氏溫標(biāo)?，F(xiàn)在歐美一些國(guó)家在日常生活中仍使用華氏溫標(biāo)。

⒉ 攝氏溫標(biāo)

1742年，瑞典的天文學(xué)家攝爾修斯又創(chuàng)立了攝氏溫標(biāo)，他以水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)作為兩個(gè)參考點(diǎn)，將水的沸點(diǎn)定為0℃，把水的冰點(diǎn)定為100℃，將兩個(gè)參考點(diǎn)之間100等份，其中的每一等份就表示1℃。理由是：在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的沸點(diǎn)和凝固點(diǎn)是確定的，容易生產(chǎn)重復(fù)性好、精確程度高的溫度計(jì)。由于這種定標(biāo)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(xí)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(gè)參考點(diǎn)的溫度對(duì)調(diào)了過(guò)來(lái)，才使得攝氏溫標(biāo)成為人們公認(rèn)的實(shí)用溫標(biāo)。