浅谈温度计与温标的发展历程

陆彩辉

大家都知道，温度是表示物体冷热程度的物理量。要准确地知道物体的温度，必须使用温度计对物体进行测量。温度计是利用物质的某些物理属性（如物质的体积、导电性等）随温度而变化的原理制成的测温仪器。这种看似简单的测量仪器，却历经了缓慢而曲折的发展过程，经过许多科学家数百年的不断改造和创新才逐步完善。当人们对热现象从定性分析向定量研究发展时，首先遇到的问题就是如何确定物体的温度。因此温度计的诞生，标志着热学迈出了定量科学的第一步，对热学的发展无疑具有十分重要的意义。

一、温度计的诞生及发展

早在两千多年前的西汉初年，我们的祖先就知道用瓶子盛水和冰来测定冬天气温的变化。当时有“睹瓶中之冰而知天下之寒暑，审堂下之阴而知日月之行”的记载，通过观察冰的熔化、水的凝固来粗略地判断气温的高低。当然这种测温装置是很不准确的，但仍不失为温度计的雏形。

最早的温度计是由意大利的科学家伽利略（1564～1642）于1593年发明的。当时医生在给病人看病的过程中，常需要了解病人的体温，他们只能靠自己的手接触病人的身体来做出判断，因此这种判断是很不准确的。伽利略为了帮助医生解决这一技术上的难题，他在实验中发现了气体热胀冷缩的现象，于是提出了利用气体的这种特性来测量温度的构想。经过反复思考、实验，他便发明了最最的温度计。其构造是：向一根一端带有细长玻璃管的玻璃瓶内倒入适量的水，将其口堵住，然后倒插在盛有水的容器中，这样一个简易的温度计就制成了。只要病人用手握着玻璃瓶，玻璃泡内的空气由于受热膨胀，管内的水面就会下降。根据管内水面位置的高低，就可以测出病人的体温。

不过，这种温度计很不完善，这是因为它既无科学定标，且管内水面的高低又会受外界气温和大气压的影响，因此用它测出的温度也就很不准确了;况且到了冬季水会结冰，它就不能使用了，实际上它只能算作温度气压计。在伽利略发明了温度计以后，许多科学家都加入到了温度计的研制行列中来。

为了消除气压的影响，1631年法国科学家詹·雷伊把长颈玻璃瓶倒了过来，并把玻璃瓶缩小为玻璃泡，把水注入玻璃泡内排出里面的空气，只是在玻璃管内有空气，直接用水的体积变化来显示温度的高低，发明了以水作为测温物质的温度计。由于这种温度计受水的冰点的限制，因此对冰点以下的温度无法测量;并且由于管口未封闭，水会发生蒸发现象而产生误差。

1650年，意大利的费迪南二世把测温物质改为酒精，并把酒精染成红色，用蜡把管口封住，同时还把刻度附在玻璃管上。因为酒精的凝固点是-117℃，通过这一改进便可以测量零度以下物体的温度了。就这样制成了不依赖大气压的液体温度计，因此现在形式的第一支温度计宣告诞生了。可是由于酒精的沸点只有78℃，当温度高于78℃时酒精会沸腾变成气体，因此用酒精温度计不能测量高于78℃的物体的温度。

1658年，法国天文学家伊斯梅尔·博里奥用水银作为测温物质，使温度计的最大测量范围扩大到-39℃——357℃。因水银的体积膨胀随温度升高变化很均匀，而且水银不浸润玻璃，因此它得到了广泛的应用。但水银温度计也有其缺点，因为水银在-39℃时会凝固，所以使用它又不能测太低的温度。

随后又有人把煤油染成红色，作为测温物质。我们现在日常生活中使用的温度计大多为煤油温度计，它的最大测量范围为-30℃——150℃。

二、温标的建立过程

温度计发明以后，为了进行有效地测量，必须对温度计进行刻度，应该用什么标准进行刻度呢？最初温度计的刻度是任意的，每个人使用的标准各不相同，对温度计的刻度也就不同。因此导致用不同的温度计来测同一物体的温度，得到的温度值却大相径庭。如德国的科学家格里克曾提出以马德堡地区的初冬和盛夏的温度作为两个定点的温度。佛罗伦萨门徒学院的院士们则选择了最冷冰冻期的雪或冰的温度作为一个定点，牛或鹿的体温作为另一个定点。1665年，荷兰的物理学家惠更斯建议把水的凝固温度和沸腾温度作为两个定点。1703年，世界著名的物理学家牛顿把雪的熔点定为自己制作的亚麻温度计的零度，把人体的温度定为12度。1704年，阿蒙顿对伽利略的空气温度计进行了改进，并选择了水的沸点作为一个固定点，但由于他不知道水的沸点会随着水面气压的变化而变化，因此用这种温度计测得的温度数值准确程度不太高，但是阿蒙顿在他的研究过程中第一次提出了绝对温度的概念。

由于温度标准的混乱，不仅使用起来很不方便，而且也不便于进行科学交流，因此人们迫切地需要一个公认的温度标准。

⒈ 华氏温标

德国的科学家华伦海特深感温标的混乱给人们的生活与科学带来的不利影响，为此他开始了这项有意义的工作。受阿蒙顿的影响，他开始研究温度计的精细结构，由于它对阿蒙顿关于液体沸点恒定性的研究很感兴趣，急于知道各种液体的性质，因此他做了一系列的实验，发现每种液体都像水一样有一个固定的沸点，并且沸点会随液面气压的增大而升高。他的这一重要发现对精密计温学是一个很大的贡献。

第一个实用的温标就是由他建立起来的，他想以最低的温度作为零点，当时能得到的最低温度是冰、水、氨水与盐的混合物的温度，他把此作为参考点，定为0度;他又认为人体的温度是不变的，又把此作为第二个参考点，定为96度。他当时之所以没有选择水的凝固点作为参考点，是因为他认为水的冰点时高时低，是不固定的，不固定的温度当然不能用来作为参考点。可后来他用自己制作的水银温度计进行测量时，发现水总是在32度时结冰，因此他又在温标中加入了第三个参考点。后来人们对华氏温标进行了改进，以水的冰点和沸点作为两个参考点，水的冰点定为32℉，水的沸点定为212℉。用水银温度计进行刻度，把温度计上两个参考点之间的距离均分为180等份，每一等份定为1℉。这就是世界上第一个有实用价值的温标——华氏温标。现在欧美一些国家在日常生活中仍使用华氏温标。

⒉ 摄氏温标

1742年，瑞典的天文学家摄尔修斯又创立了摄氏温标，他以水的冰点和沸点作为两个参考点，将水的沸点定为0℃，把水的冰点定为100℃，将两个参考点之间100等份，其中的每一等份就表示1℃。理由是：在一个标准大气压下，水的沸點和凝固点是确定的，容易生产重复性好、精确程度高的温度计。由于这种定标方法导致热的物体温度低，冷的物体温度高，与人们的生活习惯恰好相反。八年以后，摄尔修斯采纳了他的助手施特默尔的建议，把两个参考点的温度对调了过来，才使得摄氏温标成为人们公认的实用温标。