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温度计的前世今生

发表时间:2020-12-18 10:34
温度计的前世今生

1592年的一天,意大利物理学家和数学家伽利略正在威尼斯的帕多瓦大学讲课,边讲边做加热水的实验。

“罐内水温升高的时候,为什么水面会上升?”伽利略问学生。
“因为水温升高的时候体积增大,水面就上升;水温下降的时候体积减小,水面就下降。”学生回答说。
听到学生的回答,伽利略偶然联想到此前遇到的一个问题。
原来,曾有一些医生找过伽利略,恳求他说:“先生,人生病的时候体温一般会升高,能不能想个办法,准确测出体温,帮助诊断病情呢?”


联想到这一问题,伽利略就在学生回答的启发下,利用热胀冷缩原理,经多次研制,于1593年发明了泡状玻璃管温度计。这个温度计的顶端是一个玻璃泡,和它相连的玻璃管中装着有色液体,倒置在装有水的杯子中来测量温度。它的工作原理是,当被测温度的物质(这里是空气)与玻璃泡接触的时候,玻璃管内上方的空气就会因为热胀冷缩而发生体积变化,使有色液柱对应下降或上升;玻璃管上标明一些可作标准的“热度”——现在所说的温度。这就是世界上第一支标有刻度的温度计——气体温度计。


当然,气体温度计是不完善的——大气压强的变化也会使液柱升降。用气体的热胀冷缩性质来测量温度的想法,在伽利略之前早就有了。例如,古希腊科学家菲隆和亚历山大·希隆就制造过基于空气膨胀原理的测温器。


温度计的演进——

从气体到液体、固体

1612年,伽利略的同事和朋友、帕多瓦大学的生理学家和医生——桑克托里奥·桑克托留斯教授,对伽利略的气体温度计进行了改进,设计出一种蛇状玻璃管气体温度计。它的内部有红色液体,空气膨胀时就把液体往下压,再从玻璃管上刻的110个刻度看出温度的变化,可用于测量体温,是世界上最早的体温计。
鉴于桑克托留斯的温度计不太准确的缺点,法国医生、化学家兼物理学家詹·雷伊在1632年,把伽利略的玻璃管颠倒过来,并直接利用水而不是空气的体积变化来测量物体的冷热程度。但是,因为这种温度计的管口没有密封,会因水的蒸发而产生误差。这是第一支用水作为测温物质的温度计。
1641年,第一支以染红的酒精作为测温物质的温度计,首次出现在意大利托斯卡纳大公斐迪南二世的宫廷里。1644~1650年期间,他将其不断完善而成为具有现代形式的温度计:用蜡将装有红色酒精的玻璃管口封住,在玻璃管上标上刻度。因此,一些人将温度计的发明归功于这位大公。1654年,这种温度计已在佛罗伦萨普及使用。
另外的一种说法是,在1629年,伽利略在帕多瓦大学的另一位同事——意大利物理学家兼犹太教师约瑟夫·德米蒂哥,出版了一本书,名为《花园中的喷泉》。书中的一幅插图,展示了一个盛有白兰地的玻璃泡温度计,旁边写着文字“oleb”(上升),这才是第一支温度计。但是,这支温度计的发明者却没有明确记载,很可能是伽利略或者德米蒂哥。
1646年,意大利物理学家莱纳尔第尼明智地建议,以水的冰点和沸点作为刻度温度计的两个定点。但无奈的是,当时流行的酒精温度计内酒精的沸点(78.5℃)低于水的沸点(100℃)。所以,如果用水的沸点为第二个定点,这对酒精温度计显然不切实际,所以这一建议当时没能被采纳。这里需要说明的是,国际度量衡委员会在1989年发出通知,从1990年1月1日起,水的沸点定为99.975℃。

1658年,法国天文学家、数学家兼天主教神父——“科学史上最具魅力的人物”伊斯梅尔·博里奥,制成了第一支用水银作为测温物质的温度计。他值得一提的故事之一是:早于英国物理学家和数学家艾萨克·牛顿等人,最先偶然发现了计算万有引力的公式,但博里奥后来又否定了这个正确的公式。
1665年,荷兰物理学家、天文学家与数学家惠更斯,也提议把水的冰点和沸点作为两个固定点,以使温度计标准化。同年,英国物理学家与化学家波义耳,根据他在1662年发现的波义耳定律指出了气体温度计不准的原因及其他缺点。其后,人们大多转向研制使用其他介质作为测温物质的温度计。1672年,法国发明家休宾在巴黎发明了第一个不受大气压影响的空气温度计。
有确切历史记载的温标,1779年有19种,到了19世纪末,超过30种,温度计的种类更是不计其数。
法国物理学家阿蒙东最先指出,测温液体是呈有规则膨胀的,也最先指出气温“有绝对零度存在”。1703年,他制成了一支比较实用的空气温度计。


“按需改进”的温标

温标是为了保证温度量值的统一和准确而建立的一个用来衡量温度的标准尺度(例如定点、刻度及刻度间隔等)。伽利略发明气体温度计之后,科学家们围绕温度计的测温物质、温标进行了不断的研究,使它更加准确、方便和实用,也进一步充实了计温学的研究内容。以下简要介绍5种著名的温标。


一种“经验温标”——“华氏温标”
在1709~1714年间,物理学家、发明家、仪器制造商与玻璃工华伦海特,把冰、水和氯化铵的混和物平衡温度定为0°F,人体温度定为96°F(如以今天人的平均标准体温37℃计算,应为98.6°F),其间分为96格,每格为1°F。1724年,他又把水的沸点定为212°F;遗憾的是,他没有把冰的熔点定为0°F,而是定为32°F。这就是目前欧美的一些国家,以及中国香港、澳门等地区还在普遍使用的著名的“华氏温标”。它是一种用实验方法或经验公式确定的“经验温标”。1709年,华伦海特还发明了酒精温度计。此外,他还发明了在填充工作物质水银的时候的净化方法,在1714年制成了世界上第一支实用的水银温度计。


为什么华伦海特要把冰点定为“奇怪”的32°F、沸点定为212°F呢?

一种牵强的解释是,他觉得这样设定的好处是,可以在水从结冰到沸腾之间划分180等分,然后又可以让人的体温尽可能接近100°F(实际是98.6°F)。事实上,人们迄今没有弄清他这样设定的真正原因。


以水为“标准”的两种温标——“列氏温标”和“摄氏温标”
1730年,法国博物学家、物理学家、昆虫学家和发明家列奥缪尔研制了一种酒精温度计,把水的冰点定为0°R,水的沸点定为80°R,其间分为80格,每格为1°R。这就是著名的“列氏温标”。

列氏温标仅在法国和德国的部分场合使用。1742年,瑞典物理学家和天文学家摄尔修斯制成的一种水银温度计,则是把水的沸点与冰的熔点分别定为0℃和100℃,其间分为100格,每一格为1℃。这就是著名的“摄氏温标”。

1743年,克里森指出,这种温标的定点不符合越热的物体温度越高的习惯。摄尔修斯辞世一年后的1745年,他生前的同事——卡尔·冯·林奈,把冰点与沸点的度数颠倒(即水的沸点与冰的熔点分别定为100℃和0℃)过来,这就是现在还在使用的摄氏温标。不过,另有人说,这一“颠倒”工作是摄尔修斯的另一位同事——他的继任者马丁·斯特劳莫尔在1750年做的。

上述3种温标,都是初级的原始温标。它们的缺点有三:温度值仅在两个定点是准确的,其余各点都不准确;定义范围有限——例如水银温度计的测量范围为-38.87℃~+356.9℃;都要依赖含有测温物质(例如水或水银)的温度计。那么,能否找到一种不依赖于温度计的温标呢?能——下面的第4种温标,就克服了这些缺点。

甩开含测温物质的温度计的温标——“热力学温标”
1848年,英国物理学家威廉·汤姆森即开尔文勋爵,提出了“热力学温标”。他还在1854年指出,只需选用一个固定点的数值,这种温标就完全确定了,这个点就是“绝对零度”。然而,在实际建立热力学温度单位的时候,考虑到历史传统和当时的技术条件,他不得不沿用摄尔修斯的0~100℃的间隔作为100个温度间隔,即每个间隔为1个开氏度(1°K)。这就是至今还在科学研究中被普遍使用的“开尔文温标”,简称“开氏温标”,也称“理想气体温标”“热力学绝对温标”等。开氏温标的特点是,与物体的任何性质无关,热力学温度只与热量有关。开氏温标的优点是,不受测温物质的影响,解除了测温物质因为凝固和汽化而受到的限制。

1927年,第七届国际计量大会(简称CGPM)考虑到准确和简便,决定采用开氏温标作为最基本的温标。1934年,中国著名化学家、化学教育家黄子卿在美国麻省理工学院(简称MIT)留学期间,测定了水的三相点为0.00981±0.00005℃(约0.01℃)。1954年,第10届CGPM决定,把这一温度作为热力学温标的单一定点,并在数量上规定为273.16°K。

热力学温标实际上包含的另一个定点,是不能用物质的已知物理性质来定义的,它是理论上推导出来的最低温度——绝对零度或零开氏度。1967年,第十三届CGPM将热力学温度的单位开氏度(上述°K),改为开尔文(K——Kelvins的简写);开尔文温标和开氏温度等名称,也分别被“新国际实用温标”(简称“国际实用温标”或“国际温标”)和“热力学温度”代替。1968年,国际度量衡委员会也做了相同的规定。中国也于1973年1月1日起采用。


热力学温度(K)和摄氏度(℃),是中国现在仅有的两种温度法定计量单位——也是国际单位制中温度仅有的两种法定计量单位;华氏温标、列氏温标与兰氏温标已被废弃,非特殊情况不得使用。热力学温度(K)、摄氏度(℃)与华氏温度(°F)的换算关系是:1K=1℃=1.8°F。


迄今还有国家在“非法使用”的温标——“兰氏温标”

第五种温标为美国工程界迄今还在使用的“兰氏温标”,由“他所在时代的天才”——英国发明家和土木工程师兰金发明。兰氏温度的单位是°R。因为兰氏温标也是以水的三相点(273.16K)为起点,所以也是一种“绝对温标”。


“按需改进”的温度计

随着摄氏温标、热力学温标的建立和制作温度计技术的成熟以及实际测量的需要,人们先后改进、发明了各式各样的温度计,用于测量各种物体不同的温度。

例如,德国发明家卡尔·威廉·西门子在1860年发明的遥测式电阻温度计。又如,英国医生托马斯·克利福德·阿尔伯特在1865~1867年间,发明了至今还在使用的、测量人体温度的现代水银体温计——它离开人体后读数不变,可精确到0.1℃。不过,它的水银泄漏时会造成危害。1984年,一位芬兰医疗器械设计师发明了电子体温计(更方便,无有害物泄漏)。
1874年研制成功的“颠倒温度计”,可以用来测量江河湖海表层以下的各层水温。经过100多年的不断改进,这种温度计的性能已经非常可靠、准确度也较高(可达±0.02℃),至今仍在海洋调查中广泛使用。
清康熙年间来华的耶稣会传教士——最早把温度计传到中国的比利时天文学家和科学家南怀仁,在1664年完成的《灵台仪象图》中,就绘有他制作的气体温度计。

灵台就是天文台——当时位于今北京建国门西南侧的古观象台。南怀仁的温度计,在木架上竖立了一根U形玻璃管,U形管左侧上端连着一个玻璃球,右侧上端敞开。U形管内注入达到水平线的液体(水或酒),玻璃球的气体受外界温度影响膨胀或收缩时,液体就会在U形管右臂或左臂上升,左右臂旁都标有刻度指示温度。

今天的温度计,已经有了使用的介质材料不同、测量对象不同、用途不同、显示温度的器件不同、测量温度范围不同、指示温度的形式不同(通常有直线刻度和指针式这两种)等在内的许多新品种:半导体温度计、热电偶温度计、双金属温度计、液晶温度计、数字温度计、光测高温计、便于进行℃与°F换算的双标气温计、可同时测量气温和空气湿度的干湿泡温度计、便于快速测量体温的额温计。


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