温度计 从经验温标到热力学温标

刘军

在今天的人们看来，“温度”是一个很普通的词语，它是表示物体冷热程度的一个物理量；不过，在人类发展史上，人类学会如何更精准地测得物体的冷热程度，其实是经历了一个漫长的过程。

经验感知时代

在很长一段时间里，人类仅仅依靠触觉、视觉等粗略地感知温度。最常见的是用自己的体温判别周围物体的冷热程度。当然，这个判别结果因人而异，但由于正常人的体温基本相同，所以判别偏差不会很大。其实，在很早以前，古人已经意识到人的体温是最恒定的“温度计”，并用这种特殊的“温度计”感知气温、家人有没有发烧等，还把这种感知方式用在制作奶酪、豆豉以及养蚕、茶叶加工等工艺中。宋代蔡襄的《茶录》中即有“收藏之家，以蒻叶封裹，入焙中两三日，一次用火常如人体温，温则御湿润，若火多则茶焦不可食”的记载。这就是把体温感知温度应用在制茶工艺中的实例。

除了用体温感知物体温度外，古人还通过观察火候判断物体的冷热程度，特别是在金属冶炼或陶瓷烧制过程中，古代工匠已经掌握通过观察火焰颜色来判别炉温的技巧。火焰观察法不仅被历代的冶铸和陶瓷工匠沿用下来，而且被炼丹术士与药物学家所发展。在不少历史资料中，都留有关于物体的火焰颜色的记载。如战国时期的《周礼·考工记》中就有一段关于用火焰颜色变化判定青铜冶炼进程的记载：“黑浊之气竭，黄白次之；黄白之气竭，青白次之；青白之气竭，青气次之，然后可铸也。”这是我国最早的关于冶铸青铜的火焰颜色的记载。

战国时期，人们还通过观察水是否结冰来推知气温的变化。《吕氏春秋·慎大览·察今》中记载：“见瓶中之冰，而知天下之寒、鱼鳖之藏也。”汉代的《淮南子·说山》中也有“睹瓶中之水，而知天下之寒”的记载，即古人利用水在不同温度下的形态变化（水—冰—水），推测环境温度的升降。具体来说，就是在瓶子里灌上水，如果瓶子里的水结冰了，则表明气温很低，进入寒冬；如果瓶子里的冰融化，则意味着气温回升。这种瓶子被称为“冰瓶”或“水瓶”，可以称得上是中国最原始的温度计，被视为现代温度计的雏形。

除了“冰瓶”和“水瓶”之外，魏晋时期，一种被叫作“火照”的神秘物品出现在了陶瓷烧制中。

火照也被称为“试火片”“照子”，是用来判别窑火温度的泥胚样品。火照通常为片状，上端打孔，烧制陶瓷时与胚料共同放入窑中。在陶瓷烧制过程中，窑工可以用铁钩从观火孔中取出火照，以观察其烧结程度，这样能够大体判断出窑内的温度情况。每烧一窑，窑工都要验火照数次，每验一次，即需钩出一个火照。为什么叫“照子”呢？原来，在东汉末期和三国时期，火照被称为“铜镜”，据说到了宋代，为避宋太祖祖父赵敬的名讳，人们将“镜”字改为“照”或“鉴”，故称铜镜为“铜鉴”。宋代，“照子”被广泛应用于各地的瓷器制作中，人们在不少遗留至今的宋代窑址里都发现过“照子”，有人将之定名为“火照”或“火标”。自“照子”诞生的那一刻起，就伴随着中国陶瓷烧制工艺走到了今天。

科学计量时代

虽然人们可以通过观察“冰瓶”和“照子”的情况，或是依靠体温、火候，较直观地知道物体的冷热程度，但这些感知方式都有一个很明显的缺点，那就是全凭经验获知物体的冷热程度，而没有具体的参考数值。

直到1592年，意大利科学家伽利略受到古希腊科学家希罗的神殿圣火启发，利用空气的热胀冷缩原理，发明了一个类似温度计的设备，才正式开启了温度的计量时代。伽利略发明的温度计的顶端是一个玻璃泡，与之相连的玻璃管中装着有色液体，玻璃管的另一端则倒置在装有水的杯子中。它的工作原理：由于气温的变化，玻璃管内上方的空气的体积会因为热胀冷缩而发生变化，使有色液柱的高度产生变化，相应下降或上升；玻璃管壁上标有一些可作标准的“热度”—即我们现在所说的温度。这就是世界上第一支标有刻度的温度计—气体温度计。当然，该气体温度计有个很大的缺陷，其变化受大气压强的影响比较大。

1612年，意大利医生桑克托里奥通过改进伽利略发明的气体温度计，设计出一种蛇状玻璃管气体温度计。自此，世界上第一支带有刻度的口腔温度计出现了。该温度计内部装有红色液体，空气膨胀时会把液体往下压。通过玻璃管壁上的刻度，人们能够读出温度的数值。由于可以直接将该温度计上端的玻璃泡放入患者口中，医生通过观察下方的水柱便可以查看病人体温的变化，这支温度计也成为世界上最早的体温计。不过，这款温度计大而笨重，医生需要花费大量时间才能读取患者的体温，并且测得的数值也不准，实用价值不大。

1632年，法国医生、化学家兼物理学家雷伊把伽利略发明的温度计颠倒过来，使玻璃泡位于下方，并且在里面充入水，以水为测温物质，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。这是历史上第一支用水作为测温物质的温度计。但是，因为此类温度计的管口没有密封，故而仍会受大气压的影响，并且会由于水的蒸发而产生误差。

1654年，在伽利略的学生斐迪南的带领下，人们用酒精代替水柱发明了一种封闭式温度计，制成了世界上首个含有封闭液体的玻璃温度计。斐迪南向一端带有空心玻璃球的玻璃管里注入适量带有颜色的酒精，再把玻璃球加热，用酒精赶跑玻璃管中的空气，然后将螺旋状的玻璃管密封，并在玻璃管壁上标注刻度，于是，第一支不受大气压力影响的真正的温度计诞生了。

1709年，物理学家华伦海特发明了第一支有实用意义的温度计—华氏酒精温度计。这支温度计与以往的温度计的最本质区别在于有了相对精确、标准的刻度，它的出现使以往各类不同制式的温度计混战的局面得以终止，著名的华氏温标由此诞生。华伦海特把冰、水和氯化铵混和物的平衡温度定为0°F，将他的妻子的体温定为96°F，在0°F和96°F间分为96格，每格即为1°F。华氏酒精温度计可以精确地读出温度的数值，它的出现正式开启了气象学中的气温观测项目。1714年，华伦海特又制成了世界上第一支实用的水银温度计。

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出一种酒精温度计，他把水的冰点定为0°Re，水的沸点定为80°Re，其间分为80格，每格为1°Re。这就是著名的“列氏温标”。

1742年，瑞典物理学家和天文学家摄尔修斯制成水银温度计，他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℃。不难看出，这种温标的定点不符合越热的物体温度越高的认知习惯，与我们现在所用的温度计正好相反。摄尔修斯辞世后，他生前的同事把温度计冰点与沸点的度数颠倒过来（即将水的沸点与冰的熔点分别定为100℃和0℃），就成了现在使用最广泛的“摄氏温标”。

热力学温标

无论是“经验温标”，还是“华氏温标”，或是以水为“标准”的“列氏温标”和“摄氏温标”，它们存在共同的缺点—温度值仅在两个定点是准确的，其余各点都不准确；温度的定义范围跟测温物质有关；测量温度都要依赖含有测温物质的温度计。那么，能否找到一种不依赖测温物质的温标呢？

1848年，英国物理学家威廉·汤姆森（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，该点就是“绝对零度”。热力学温标沿用摄尔修斯的温度间隔划分法，在0～100间设立100个温度间隔，每个间隔为1个开氏度（1°K）。这就是至今仍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“热力学绝对温标”。热力学温度只与热量有关，与物体的任何性质无关，不受测温物质的影响，打破了温度测量因为测温物质凝固和汽化而受到的限制。

随着各种温标的建立和温度计制作技术的成熟以及实际测量的需要，发明家们不断改进、制作了各式各样的温度计，用来测量各类物体的温度。比如，1867年，托马斯·艾尔伯特发明了第一台用于测量人体温度的便携式医用温度计，其长度仅为15.24厘米（6英寸），并且只需5分钟即可记录患者的体温，自此开启医用温度计时代；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。

20世纪末，随着电子技术的迅猛发展与新介质的出现，电子温度计、热电偶温度计、光辐射温度计等应时而生。这些温度计的测量范围更广，测量精度更高，测量方式和显示方式也更为多样化。（作者单位：山西省气象信息中心）

【责任编辑】赵 菲