温度计的前世今生(讲义)

温度计的前世今生 一、温度计的发明—从伽利略的“气体”开始 在中国战国前期，哲学家列子一本名列御寇所著的古书《列子·汤问》中，就有“两小儿辩日”的故事，也有“近者热而远者凉”的描绘。这就是关于温度最朴素的经验性描述。 还有稍微高级一点的测温办法，烧制陶瓷时用的“照子”就是一例。景德镇陶瓷大学的郑乃章教授研究后说，魏晋南北朝时期已经出现的“照子”，是窑工用于判别窑火温度高低的泥土胚胎。到了宋元时期，“照子技术”更加成熟—通过观察“照子”的烧结程度，就能检测窑内制品在最高烧成温度下保温时间的长短。但是，这种技术全靠窑工的经验积累，无法定量地精确检测。 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”—現在所说的温度。这就是世界上第一支标有刻度的温度计—气体温度计。显然，气体温度计是不完善的—大气压强的变化也会使液柱升降。 当然，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。 二、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