2020-06-12 《百科知識》 2020年11期

陳仁政

溫度計的發明—從伽利略的“氣體”開始

在中國戰國前期，哲學家列子—本名列禦寇所著的古書《列子·湯問》中，就有“兩小兒辯日”的故事，也有“近者熱而遠者涼”的描繪。這就是關于溫度最樸素的經驗性描述。當然，還有稍微高級一點的測溫辦法，燒制陶瓷時用的“照子”就是一例。景德鎮陶瓷大學的鄭乃章教授研究後說，魏晉南北朝時期已經出現的“照子”，是窯工用于判别窯火溫度高低的泥土胚胎。到了宋元時期，“照子技術”更加成熟—通過觀察“照子”的燒結程度，就能檢測窯内制品在最高燒成溫度下保溫時間的長短。但是，這種技術全靠窯工的經驗積累，無法定量地精确檢測。所以，溫度計是西方近代科學革命性發明的産物。

1592年的一天，意大利物理學家和數學家伽利略正在威尼斯的帕多瓦大學講課，邊講邊做加熱水的實驗。

“罐内水溫升高的時候，為什麼水面會上升？”伽利略問學生。

“因為水溫升高的時候體積增大，水面就上升；水溫下降的時候體積減小，水面就下降。”學生回答說。

聽到學生的回答，伽利略偶然聯想到此前遇到的一個問題。

原來，曾有一些醫生找過伽利略，懇求他說：“先生，人生病的時候體溫一般會升高，能不能想個辦法，準确測出體溫，幫助診斷病情呢？”

聯想到這一問題，伽利略就在學生回答的啟發下，利用熱脹冷縮原理，經多次研制，于1593年發明了泡狀玻璃管溫度計。這個溫度計的頂端是一個玻璃泡，和它相連的玻璃管中裝着有色液體，倒置在裝有水的杯子中來測量溫度。它的工作原理是，當被測溫度的物質（這裡是空氣）與玻璃泡接觸的時候，玻璃管内上方的空氣就會因為熱脹冷縮而發生體積變化，使有色液柱對應下降或上升；玻璃管上标明一些可作标準的“熱度”—現在所說的溫度。這就是世界上第一支标有刻度的溫度計—氣體溫度計。顯然，氣體溫度計是不完善的—大氣壓強的變化也會使液柱升降。

當然，用氣體的熱脹冷縮性質來測量溫度的想法，在伽利略之前早就有了。例如，古希臘科學家菲隆和亞曆山大·希隆就制造過基于空氣膨脹原理的測溫器。

溫度計的演進—從氣體到液體、固體

1612年，伽利略的同事和朋友、帕多瓦大學的生理學家和醫生—桑克托裡奧·桑克托留斯教授，對伽利略的氣體溫度計進行了改進，設計出一種蛇狀玻璃管氣體溫度計。它的内部有紅色液體，空氣膨脹時就把液體往下壓，再從玻璃管上刻的110個刻度看出溫度的變化，可用于測量體溫，是世界上最早的體溫計。

鑒于桑克托留斯的溫度計不太準确的缺點，法國醫生、化學家兼物理學家詹·雷伊在1632年，把伽利略的玻璃管颠倒過來，并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。但是，因為這種溫度計的管口沒有密封，會因水的蒸發而産生誤差。這是第一支用水作為測溫物質的溫度計。

1641年，第一支以染紅的酒精作為測溫物質的溫度計，首次出現在意大利托斯卡納大公斐迪南二世的宮廷裡。1644～1650年期間，他将其不斷完善而成為具有現代形式的溫度計：用蠟将裝有紅色酒精的玻璃管口封住，在玻璃管上标上刻度。因此，一些人将溫度計的發明歸功于這位大公。1654年，這種溫度計已在佛羅倫薩普及使用。

另外的一種說法是，在1629年，伽利略在帕多瓦大學的另一位同事—意大利物理學家兼猶太教師約瑟夫·德米蒂哥，出版了一本書，名為《花園中的噴泉》。書中的一幅插圖，展示了一個盛有白蘭地的玻璃泡溫度計，旁邊寫着文字“oleb”（上升），這才是第一支溫度計。但是，這支溫度計的發明者卻沒有明确記載，很可能是伽利略或者德米蒂哥。

1646年，意大利物理學家萊納爾第尼明智地建議，以水的冰點和沸點作為刻度溫度計的兩個定點。但無奈的是，當時流行的酒精溫度計内酒精的沸點（78.5 ℃）低于水的沸點（100℃）。所以，如果用水的沸點為第二個定點，這對酒精溫度計顯然不切實際，所以這一建議當時沒能被采納。這裡需要說明的是，國際度量衡委員會在1989年發出通知，從1990年1月1日起，水的沸點定為99.975 ℃。

1658年，法國天文學家、數學家兼天主教神父—“科學史上最具魅力的人物”伊斯梅爾·博裡奧，制成了第一支用水銀作為測溫物質的溫度計。他值得一提的故事之一是：早于英國物理學家和數學家艾薩克·牛頓等人，最先偶然發現了計算萬有引力的公式，但博裡奧後來又否定了這個正确的公式。

1665年，荷蘭物理學家、天文學家與數學家惠更斯，也提議把水的冰點和沸點作為兩個固定點，以使溫度計标準化。同年，英國物理學家與化學家波義耳，根據他在1662年發現的波義耳定律指出了氣體溫度計不準的原因及其他缺點。其後，人們大多轉向研制使用其他介質作為測溫物質的溫度計。1672年，法國發明家休賓在巴黎發明了第一個不受大氣壓影響的空氣溫度計。

有确切曆史記載的溫标，1779 年有19種，到了19世紀末，超過30種，溫度計的種類更是不計其數。

法國物理學家阿蒙東最先指出，測溫液體是呈有規則膨脹的，也最先指出氣溫“有絕對零度存在”。1703年，他制成了一支比較實用的空氣溫度計。

“按需改進”的溫标

溫标是為了保證溫度量值的統一和準确而建立的一個用來衡量溫度的标準尺度（例如定點、刻度及刻度間隔等）。伽利略發明氣體溫度計之後，科學家們圍繞溫度計的測溫物質、溫标進行了不斷的研究，使它更加準确、方便和實用，也進一步充實了計溫學的研究内容。以下簡要介紹5種著名的溫标。

一種“經驗溫标”—“華氏溫标”

在1709～1714年間，物理學家、發明家、儀器制造商與玻璃工華倫海特，把冰、水和氯化铵的混和物平衡溫度定為0°F，人體溫度定為96°F（如以今天人的平均标準體溫37℃計算，應為98.6°F），其間分為96格，每格為1°F。1724年，他又把水的沸點定為212°F；遺憾的是，他沒有把冰的熔點定為0°F，而是定為32°F。這就是目前歐美的一些國家，以及中國香港、澳門等地區還在普遍使用的著名的“華氏溫标”。它是一種用實驗方法或經驗公式确定的“經驗溫标”。1709年，華倫海特還發明了酒精溫度計。此外，他還發明了在填充工作物質水銀的時候的淨化方法，在1714年制成了世界上第一支實用的水銀溫度計。

為什麼華倫海特要把冰點定為“奇怪”的32°F、沸點定為 212°F呢？一種牽強的解釋是，他覺得這樣設定的好處是，可以在水從結冰到沸騰之間劃分180等分，然後又可以讓人的體溫盡可能接近 100°F（實際是98.6°F）。事實上，人們迄今沒有弄清他這樣設定的真正原因。

以水為“标準”的兩種溫标—“列氏溫标”和“攝氏溫标”

1730年，法國博物學家、物理學家、昆蟲學家和發明家列奧缪爾研制了一種酒精溫度計，把水的冰點定為0°R，水的沸點定為80°R，其間分為80格，每格為1°R。這就是著名的“列氏溫标”。

列氏溫标僅在法國和德國的部分場合使用。

1742年，瑞典物理學家和天文學家攝爾修斯制成的一種水銀溫度計，則是把水的沸點與冰的熔點分别定為0℃和100℃，其間分為100格，每一格為1℃。這就是著名的“攝氏溫标”。1743年，克裡森指出，這種溫标的定點不符合越熱的物體溫度越高的習慣。攝爾修斯辭世一年後的1745年，他生前的同事—卡爾·馮·林奈，把冰點與沸點的度數颠倒（即水的沸點與冰的熔點分别定為100℃和0℃）過來，這就是現在還在使用的攝氏溫标。不過，另有人說，這一“颠倒”工作是攝爾修斯的另一位同事—他的繼任者馬丁·斯特勞莫爾在1750年做的。

上述3種溫标，都是初級的原始溫标。它們的缺點有三：溫度值僅在兩個定點是準确的，其餘各點都不準确；定義範圍有限—例如水銀溫度計的測量範圍為-38.87℃～ 356.9℃；都要依賴含有測溫物質（例如水或水銀）的溫度計。那麼，能否找到一種不依賴于溫度計的溫标呢？能—下面的第4種溫标，就克服了這些缺點。

甩開含測溫物質的溫度計的溫标—“熱力學溫标”

1848年，英國物理學家威廉·湯姆森即開爾文勳爵，提出了“熱力學溫标”。他還在1854年指出，隻需選用一個固定點的數值，這種溫标就完全确定了，這個點就是“絕對零度”。然而，在實際建立熱力學溫度單位的時候，考慮到曆史傳統和當時的技術條件，他不得不沿用攝爾修斯的0～100℃的間隔作為100個溫度間隔，即每個間隔為1個開氏度（1°K）。這就是至今還在科學研究中被普遍使用的“開爾文溫标”，簡稱“開氏溫标”，也稱“理想氣體溫标”“熱力學絕對溫标”等。開氏溫标的特點是，與物體的任何性質無關，熱力學溫度隻與熱量有關。開氏溫标的優點是，不受測溫物質的影響，解除了測溫物質因為凝固和汽化而受到的限制。

1927年，第七屆國際計量大會（簡稱CGPM）考慮到準确和簡便，決定采用開氏溫标作為最基本的溫标。1934年，中國著名化學家、化學教育家黃子卿在美國麻省理工學院（簡稱MIT）留學期間，測定了水的三相點為0.00981±0.00005℃（約0.01℃）。1954年，第10屆CGPM決定，把這一溫度作為熱力學溫标的單一定點，并在數量上規定為273.16°K。

熱力學溫标實際上包含的另一個定點，是不能用物質的已知物理性質來定義的，它是理論上推導出來的最低溫度—絕對零度或零開氏度。1967年，第十三屆CGPM将熱力學溫度的單位開氏度（上述°K），改為開爾文（K—Kelvins的簡寫）；開爾文溫标和開氏溫度等名稱，也分别被“新國際實用溫标”（簡稱“國際實用溫标”或“國際溫标”）和“熱力學溫度”代替。1968年，國際度量衡委員會也做了相同的規定。中國也于1973年1月1日起采用。

熱力學溫度（K）和攝氏度（℃），是中國現在僅有的兩種溫度法定計量單位—也是國際單位制中溫度僅有的兩種法定計量單位；華氏溫标、列氏溫标與蘭氏溫标已被廢棄，非特殊情況不得使用。熱力學溫度（K）、攝氏度（℃）與華氏溫度（°F）的換算關系是：1 K=1℃=1.8°F。

迄今還有國家在“非法使用”的溫标—“蘭氏溫标”

第五種溫标為美國工程界迄今還在使用的“蘭氏溫标”，由“他所在時代的天才”—英國發明家和土木工程師蘭金發明。蘭氏溫度的單位是°R。因為蘭氏溫标也是以水的三相點（273.16K）為起點，所以也是一種“絕對溫标”。

“按需改進”的溫度計

随着攝氏溫标、熱力學溫标的建立和制作溫度計技術的成熟以及實際測量的需要，人們先後改進、發明了各式各樣的溫度計，用于測量各種物體不同的溫度。

例如，德國發明家卡爾·威廉·西門子在1860年發明的遙測式電阻溫度計。

又如，英國醫生托馬斯·克利福德·阿爾伯特在1865～1867年間，發明了至今還在使用的、測量人體溫度的現代水銀體溫計—它離開人體後讀數不變，可精确到0.1℃。不過，它的水銀洩漏時會造成危害。1984年，一位芬蘭醫療器械設計師發明了電子體溫計（更方便，無有害物洩漏）。

1874年研制成功的“颠倒溫度計”，可以用來測量江河湖海表層以下的各層水溫。經過100多年的不斷改進，這種溫度計的性能已經非常可靠、準确度也較高（可達±0.02 ℃），至今仍在海洋調查中廣泛使用。

清康熙年間來華的耶稣會傳教士—最早把溫度計傳到中國的比利時天文學家和科學家南懷仁，在1664年完成的《靈台儀象圖》中，就繪有他制作的氣體溫度計。靈台就是天文台—當時位于今北京建國門西南側的古觀象台。南懷仁的溫度計，在木架上豎立了一根U形玻璃管，U形管左側上端連着一個玻璃球，右側上端敞開。U形管内注入達到水平線的液體（水或酒），玻璃球的氣體受外界溫度影響膨脹或收縮時，液體就會在U形管右臂或左臂上升，左右臂旁都标有刻度指示溫度。

今天的溫度計，已經有了使用的介質材料不同、測量對象不同、用途不同、顯示溫度的器件不同、測量溫度範圍不同、指示溫度的形式不同（通常有直線刻度和指針式這兩種）等在内的許多新品種：半導體溫度計、熱電偶溫度計、雙金屬溫度計、液晶溫度計、數字溫度計、光測高溫計、便于進行℃與°F換算的雙标氣溫計、可同時測量氣溫和空氣濕度的幹濕泡溫度計、2020年“新冠肺炎”全球大流行期間便于快速測量體溫的額溫計……

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!