溫度計 從經驗溫標到熱力學溫標

劉軍

在今天的人們看來，“溫度”是一個很普通的詞語，它是表示物體冷熱程度的一個物理量；不過，在人類發展史上，人類學會如何更精準地測得物體的冷熱程度，其實是經歷了一個漫長的過程。

經驗感知時代

在很長一段時間里，人類僅僅依靠觸覺、視覺等粗略地感知溫度。最常見的是用自己的體溫判別周圍物體的冷熱程度。當然，這個判別結果因人而異，但由于正常人的體溫基本相同，所以判別偏差不會很大。其實，在很早以前，古人已經意識到人的體溫是最恒定的“溫度計”，并用這種特殊的“溫度計”感知氣溫、家人有沒有發燒等，還把這種感知方式用在制作奶酪、豆豉以及養蠶、茶葉加工等工藝中。宋代蔡襄的《茶錄》中即有“收藏之家，以蒻葉封裹，入焙中兩三日，一次用火常如人體溫，溫則御濕潤，若火多則茶焦不可食”的記載。這就是把體溫感知溫度應用在制茶工藝中的實例。

除了用體溫感知物體溫度外，古人還通過觀察火候判斷物體的冷熱程度，特別是在金屬冶煉或陶瓷燒制過程中，古代工匠已經掌握通過觀察火焰顏色來判別爐溫的技巧?；鹧嬗^察法不僅被歷代的冶鑄和陶瓷工匠沿用下來，而且被煉丹術士與藥物學家所發展。在不少歷史資料中，都留有關于物體的火焰顏色的記載。如戰國時期的《周禮·考工記》中就有一段關于用火焰顏色變化判定青銅冶煉進程的記載：“黑濁之氣竭，黃白次之；黃白之氣竭，青白次之；青白之氣竭，青氣次之，然后可鑄也?！边@是我國最早的關于冶鑄青銅的火焰顏色的記載。

戰國時期，人們還通過觀察水是否結冰來推知氣溫的變化?！秴问洗呵铩ど鞔笥[·察今》中記載：“見瓶中之冰，而知天下之寒、魚鱉之藏也。”漢代的《淮南子·說山》中也有“睹瓶中之水，而知天下之寒”的記載，即古人利用水在不同溫度下的形態變化（水—冰—水），推測環境溫度的升降。具體來說，就是在瓶子里灌上水，如果瓶子里的水結冰了，則表明氣溫很低，進入寒冬；如果瓶子里的冰融化，則意味著氣溫回升。這種瓶子被稱為“冰瓶”或“水瓶”，可以稱得上是中國最原始的溫度計，被視為現代溫度計的雛形。

除了“冰瓶”和“水瓶”之外，魏晉時期，一種被叫作“火照”的神秘物品出現在了陶瓷燒制中。

火照也被稱為“試火片”“照子”，是用來判別窯火溫度的泥胚樣品?；鹫胀ǔ槠瑺?，上端打孔，燒制陶瓷時與胚料共同放入窯中。在陶瓷燒制過程中，窯工可以用鐵鉤從觀火孔中取出火照，以觀察其燒結程度，這樣能夠大體判斷出窯內的溫度情況。每燒一窯，窯工都要驗火照數次，每驗一次，即需鉤出一個火照。為什么叫“照子”呢？原來，在東漢末期和三國時期，火照被稱為“銅鏡”，據說到了宋代，為避宋太祖祖父趙敬的名諱，人們將“鏡”字改為“照”或“鑒”，故稱銅鏡為“銅鑒”。宋代，“照子”被廣泛應用于各地的瓷器制作中，人們在不少遺留至今的宋代窯址里都發現過“照子”，有人將之定名為“火照”或“火標”。自“照子”誕生的那一刻起，就伴隨著中國陶瓷燒制工藝走到了今天。

科學計量時代

雖然人們可以通過觀察“冰瓶”和“照子”的情況，或是依靠體溫、火候，較直觀地知道物體的冷熱程度，但這些感知方式都有一個很明顯的缺點，那就是全憑經驗獲知物體的冷熱程度，而沒有具體的參考數值。

直到1592年，意大利科學家伽利略受到古希臘科學家希羅的神殿圣火啟發，利用空氣的熱脹冷縮原理，發明了一個類似溫度計的設備，才正式開啟了溫度的計量時代。伽利略發明的溫度計的頂端是一個玻璃泡，與之相連的玻璃管中裝著有色液體，玻璃管的另一端則倒置在裝有水的杯子中。它的工作原理：由于氣溫的變化，玻璃管內上方的空氣的體積會因為熱脹冷縮而發生變化，使有色液柱的高度產生變化，相應下降或上升；玻璃管壁上標有一些可作標準的“熱度”—即我們現在所說的溫度。這就是世界上第一支標有刻度的溫度計—氣體溫度計。當然，該氣體溫度計有個很大的缺陷，其變化受大氣壓強的影響比較大。

1612年，意大利醫生桑克托里奧通過改進伽利略發明的氣體溫度計，設計出一種蛇狀玻璃管氣體溫度計。自此，世界上第一支帶有刻度的口腔溫度計出現了。該溫度計內部裝有紅色液體，空氣膨脹時會把液體往下壓。通過玻璃管壁上的刻度，人們能夠讀出溫度的數值。由于可以直接將該溫度計上端的玻璃泡放入患者口中，醫生通過觀察下方的水柱便可以查看病人體溫的變化，這支溫度計也成為世界上最早的體溫計。不過，這款溫度計大而笨重，醫生需要花費大量時間才能讀取患者的體溫，并且測得的數值也不準，實用價值不大。

1632年，法國醫生、化學家兼物理學家雷伊把伽利略發明的溫度計顛倒過來，使玻璃泡位于下方，并且在里面充入水，以水為測溫物質，直接利用水而不是空氣的體積變化來測量物體的冷熱程度。這是歷史上第一支用水作為測溫物質的溫度計。但是，因為此類溫度計的管口沒有密封，故而仍會受大氣壓的影響，并且會由于水的蒸發而產生誤差。

1654年，在伽利略的學生斐迪南的帶領下，人們用酒精代替水柱發明了一種封閉式溫度計，制成了世界上首個含有封閉液體的玻璃溫度計。斐迪南向一端帶有空心玻璃球的玻璃管里注入適量帶有顏色的酒精，再把玻璃球加熱，用酒精趕跑玻璃管中的空氣，然后將螺旋狀的玻璃管密封，并在玻璃管壁上標注刻度，于是，第一支不受大氣壓力影響的真正的溫度計誕生了。

1709年，物理學家華倫海特發明了第一支有實用意義的溫度計—華氏酒精溫度計。這支溫度計與以往的溫度計的最本質區別在于有了相對精確、標準的刻度，它的出現使以往各類不同制式的溫度計混戰的局面得以終止，著名的華氏溫標由此誕生。華倫海特把冰、水和氯化銨混和物的平衡溫度定為0°F，將他的妻子的體溫定為96°F，在0°F和96°F間分為96格，每格即為1°F。華氏酒精溫度計可以精確地讀出溫度的數值，它的出現正式開啟了氣象學中的氣溫觀測項目。1714年，華倫海特又制成了世界上第一支實用的水銀溫度計。

1730年，法國博物學家、物理學家、昆蟲學家和發明家列奧繆爾研制出一種酒精溫度計，他把水的冰點定為0°Re，水的沸點定為80°Re，其間分為80格，每格為1°Re。這就是著名的“列氏溫標”。

1742年，瑞典物理學家和天文學家攝爾修斯制成水銀溫度計，他把水的沸點與冰的熔點分別定為0℃和100℃，其間分為100格，每一格為1℃。不難看出，這種溫標的定點不符合越熱的物體溫度越高的認知習慣，與我們現在所用的溫度計正好相反。攝爾修斯辭世后，他生前的同事把溫度計冰點與沸點的度數顛倒過來（即將水的沸點與冰的熔點分別定為100℃和0℃），就成了現在使用最廣泛的“攝氏溫標”。

熱力學溫標

無論是“經驗溫標”，還是“華氏溫標”，或是以水為“標準”的“列氏溫標”和“攝氏溫標”，它們存在共同的缺點—溫度值僅在兩個定點是準確的，其余各點都不準確；溫度的定義范圍跟測溫物質有關；測量溫度都要依賴含有測溫物質的溫度計。那么，能否找到一種不依賴測溫物質的溫標呢？

1848年，英國物理學家威廉·湯姆森（開爾文勛爵）提出了“熱力學溫標”。他還在1854年指出，只需選用一個固定點的數值，這種溫標就完全確定了，該點就是“絕對零度”。熱力學溫標沿用攝爾修斯的溫度間隔劃分法，在0～100間設立100個溫度間隔，每個間隔為1個開氏度（1°K）。這就是至今仍在科學研究中被普遍使用的“開爾文溫標”，簡稱“開氏溫標”，也稱“熱力學絕對溫標”。熱力學溫度只與熱量有關，與物體的任何性質無關，不受測溫物質的影響，打破了溫度測量因為測溫物質凝固和汽化而受到的限制。

隨著各種溫標的建立和溫度計制作技術的成熟以及實際測量的需要，發明家們不斷改進、制作了各式各樣的溫度計，用來測量各類物體的溫度。比如，1867年，托馬斯·艾爾伯特發明了第一臺用于測量人體溫度的便攜式醫用溫度計，其長度僅為15.24厘米（6英寸），并且只需5分鐘即可記錄患者的體溫，自此開啟醫用溫度計時代；1874年研制成功的“顛倒溫度計”，可以用來測量江河湖海表層以下的各層水溫。

20世紀末，隨著電子技術的迅猛發展與新介質的出現，電子溫度計、熱電偶溫度計、光輻射溫度計等應時而生。這些溫度計的測量范圍更廣，測量精度更高，測量方式和顯示方式也更為多樣化。（作者單位：山西省氣象信息中心）

【責任編輯】趙 菲