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。溫度計是利用物質的某些物理屬性（如物質的體積、導電性等）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，卻歷經了緩慢而曲折的發(fā)展過程，經過許多科學家數百年的不斷改造和創(chuàng)新才逐步完善。當人們對熱現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，標志著熱學邁出了定量科學的第一步，對熱學的發(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)生解決這一技術上的難題，他在實驗中發(fā)現了氣體熱脹冷縮的現象，于是提出了利用氣體的這種特性來測量溫度的構想。經過反復思考、實驗，他便發(fā)明了最最的溫度計。其構造是：向一根一端帶有細長玻璃管的玻璃瓶內倒入適量的水，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，玻璃泡內的空氣由于受熱膨脹，管內的水面就會下降。根據管內水面位置的高低，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定標，且管內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，把水注入玻璃泡內排出里面的空氣，只是在玻璃管內有空氣，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)現象而產生誤差。

1650年，意大利的費迪南二世把測溫物質改為酒精，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，法國天文學家伊斯梅爾·博里奧用水銀作為測溫物質，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。我們現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

德國的科學家華倫海特深感溫標的混亂給人們的生活與科學帶來的不利影響，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構，由于它對阿蒙頓關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，因此他做了一系列的實驗，發(fā)現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)現對精密計溫學是一個很大的貢獻。

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)現水總是在32度時結冰，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，容易生產重復性好、精確程度高的溫度計。由于這種定標方法導致熱的物體溫度低，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了過來，才使得攝氏溫標成為人們公認的實用溫標。