攝爾修斯與攝氏溫標(biāo)

曹麗欣

（首都師范大學(xué)物理系 北京 100048）

攝爾修斯與攝氏溫標(biāo)

曹麗欣

（首都師范大學(xué)物理系 北京 100048）

安德斯·攝爾修斯主要從事天文學(xué)研究，但他最著名的成就是確立了攝氏溫標(biāo)，他通過實(shí)驗(yàn)確立了水的沸點(diǎn)與大氣壓的關(guān)系．本文介紹攝氏溫標(biāo)的建立歷程，在研究過程中，攝爾修斯不斷求證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)精神值得學(xué)習(xí)．

攝爾修斯 攝氏溫標(biāo) 驗(yàn)溫器

1 攝爾修斯生平

安德斯·攝爾修斯（Anders Celeius，1701年～1744年，圖1）是一位瑞典天文學(xué)家，他的科學(xué)工作主要是對(duì)月食的觀察、300余顆恒星亮度的測(cè)定及北極光的系統(tǒng)觀察，然而他最著名的工作是創(chuàng)立了攝氏溫標(biāo)．

圖1 安德斯·攝爾修斯

攝爾修斯，1701年11月27日生于瑞典烏普薩拉，1744年4月25日，因患有肺結(jié)核病逝于烏普薩拉．?dāng)z爾修斯的父親是烏普薩拉大學(xué)的天文學(xué)教授，祖父是一名數(shù)學(xué)學(xué)家，外祖父是一名天文學(xué)家．?dāng)z爾修斯很小的時(shí)候就表現(xiàn)出一定的數(shù)學(xué)天賦，長(zhǎng)大后跟隨他的父親在烏普薩拉大學(xué)學(xué)習(xí)天文學(xué)［1］．1728年，由于一位數(shù)學(xué)教授外出游學(xué)，攝爾修斯代替他在大學(xué)任教，1730年4月攝爾修斯正式成為一名烏普薩拉大學(xué)的天文學(xué)教授［2］．

1732～1736年，攝爾修斯到歐洲一些國家旅行，擴(kuò)展自己的知識(shí)，他參觀了柏林等地的天文臺(tái)，并和那里的天文學(xué)家建立起良好的學(xué)術(shù)關(guān)系．1733年，他在紐倫堡發(fā)表了一篇與其他學(xué)者合作的文章，這篇文章的主要內(nèi)容是1716～1732年間對(duì)316宗極光觀測(cè)的成果．1736年，攝爾修斯跟隨莫佩爾蒂（Maupertuis，1689～1759）率領(lǐng)的一支法國遠(yuǎn)征隊(duì)到瑞典北部對(duì)子午線的弧長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，以便解決關(guān)于地球形狀的爭(zhēng)論．1741年他回到烏普薩拉，在烏普薩拉大學(xué)的資金幫助下，于烏普薩拉的中心創(chuàng)辦一所天文臺(tái)［2］．1742年在一篇給瑞典皇家科學(xué)院的論文中，他提出了攝氏溫標(biāo)．

2 攝爾修斯研究溫標(biāo)的背景［3］

16世紀(jì)末出現(xiàn)了最早的測(cè)量冷熱程度的裝置，現(xiàn)在普遍認(rèn)為，溫度計(jì)的發(fā)明者是伽利略，他的學(xué)生維維安尼說伽利略于1593年在帕多瓦大學(xué)任教時(shí)制成了一個(gè)指示熱度的儀器（當(dāng)時(shí)還沒有溫度的概念）．取一個(gè)麥稈粗細(xì)的長(zhǎng)玻璃管，其一端連接一個(gè)雞蛋大小的玻璃泡，另一端倒插入一個(gè)盛有著色水的容器里，讓玻璃管中形成一段水柱，當(dāng)玻璃泡與待測(cè)物體接觸之后，由于玻璃泡中的空氣熱脹冷縮，水柱就會(huì)降低或是升高．圖2是意大利佛羅倫薩科學(xué)史博物館收藏的伽利略驗(yàn)溫器的復(fù)制件［5］．法國的醫(yī)生讓·雷伊（Jean Rey，1582～1630）為了方便使用，將伽利略的溫度計(jì)倒轉(zhuǎn)，在玻璃泡中注入水，制成第一只液體驗(yàn)溫器．隨后人們不斷嘗試各種測(cè)溫物質(zhì)，包括亞麻籽油、水銀、酒精．早期溫度計(jì)的使用范圍只是簡(jiǎn)單的應(yīng)用于氣象學(xué)．

圖2 伽利略驗(yàn)溫器（復(fù)制）

初期溫標(biāo)的確定帶有隨意性，有人把地下室的溫度設(shè)為固定點(diǎn)，也有人把水的凝固點(diǎn)設(shè)為溫度的固定點(diǎn)，也有將馬德堡地區(qū)初冬的冷度和盛夏的熱度作為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)．在尋找恒溫點(diǎn)的研究工作中，不少科學(xué)家都認(rèn)識(shí)到水在凝固和沸騰時(shí)的溫度是不變的，1665年，荷蘭物理學(xué)家惠更斯已經(jīng)推薦以這兩個(gè)溫度作為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，但由于當(dāng)時(shí)通用的是酒精溫度計(jì)，選用水的沸點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)是不切實(shí)際的，所以這一建議直到下一個(gè)世紀(jì)才被采用．到18世紀(jì)30年代，先后出現(xiàn)了約30多種溫度標(biāo)度，多種溫標(biāo)同時(shí)使用，難于互相參照，造成混亂．

3 攝爾修斯對(duì)兩個(gè)固定溫度的研究

18世紀(jì)30年代，華倫海特和列奧米爾都確定以水的凝固點(diǎn)為溫度計(jì)的固定點(diǎn)，但是日內(nèi)瓦的克雷斯特卻選擇巴黎天文臺(tái)84英尺深的地下室所測(cè)的大地的溫度作為一個(gè)固定點(diǎn)．在他之前，波義耳等人已經(jīng)知道很深的地下室是恒溫的，克雷斯特把這個(gè)溫度與水的沸點(diǎn)之間分為100等份，這可能是百分刻度法的起始［3］．

烏普薩拉大學(xué)天文臺(tái)從1722年開始記錄氣溫的變化，瑞典皇家科學(xué)研究院（成立于1739年）每年發(fā)布?xì)鉁刈兓瘓?bào)告，包括每個(gè)月的最高氣溫和最低氣溫．1740年，攝爾修斯發(fā)表評(píng)論認(rèn)為，使用豪克斯比（Francis Hauksbee，1660～1713）的溫度計(jì)，“0°”這個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是倫敦的最高氣溫45°，水的沸點(diǎn)為65°．1741年，攝爾修斯比較了使用不同的溫度計(jì)記錄的1740年1月25日早上的溫度，不同溫度計(jì)讀出的溫度各不相同，非?；靵y，因此建立一個(gè)固定的溫度標(biāo)準(zhǔn)是很有必要的［4］．

1742年，攝爾修斯用瑞典語發(fā)表題為《溫度計(jì)兩確定度數(shù)的觀測(cè)》（Observations of two well defined Degrees on a Ther mometer）一文中，報(bào)告了他對(duì)水的凝固點(diǎn)與緯度和大氣壓無關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，同時(shí)確定了水的沸點(diǎn)與大氣壓的關(guān)系（跟現(xiàn)代數(shù)據(jù)非常吻合），并給出一條氣壓與標(biāo)準(zhǔn)氣壓不同時(shí)，沸點(diǎn)變化的定律，他在溫度計(jì)上的兩個(gè)固定點(diǎn)之間采用100個(gè)刻度劃分．

對(duì)水的凝固點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，攝爾修斯發(fā)現(xiàn)一定要將溫度計(jì)放入冰水混合物中至少半個(gè)小時(shí)才能測(cè)得穩(wěn)定的溫度．他在兩年冬季數(shù)月中，在不同情況下測(cè)量冰水混合物的溫度，研究大氣壓的變化對(duì)水的凝固點(diǎn)變化的影響，最終他發(fā)現(xiàn)大氣壓的變化對(duì)水的凝固點(diǎn)沒有任何影響．在對(duì)水凝固點(diǎn)的研究過程中，他還做了另外兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，一是將雪放入他自己的口腔中，直到雪慢慢融化，并將溫度計(jì)的液泡濕潤(rùn)，另一個(gè)是將溫度計(jì)液泡放入盛有積雪的桶中，并將桶在火上加熱，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)最終得出來的溫度是一樣的，由此攝爾修斯得出結(jié)論，當(dāng)把溫度計(jì)的液泡放入冰水混合物中，它們的溫度是一樣的．18世紀(jì)，人們對(duì)于冰雪融化的溫度變化是否依賴于緯度的變化還不是很明確，1736～1737年，攝爾修斯參加了由莫佩爾蒂率領(lǐng)的一支法國遠(yuǎn)征隊(duì)，到瑞典北部測(cè)量經(jīng)度一度的長(zhǎng)度，在此期間，他注意到在巴黎、托爾尼奧（Tornio，現(xiàn)屬于芬蘭）、烏普薩拉等地不同緯度的水的凝固點(diǎn)是不變的［4］．由此攝爾修斯得出結(jié)論，水的凝固點(diǎn)不隨大氣壓和緯度的變化而變化，因此非常適合做溫度計(jì)的一個(gè)確定點(diǎn)．

在研究水的沸點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)中，攝爾修斯專門選取了雪水、河水、井水，加熱使其沸騰，發(fā)現(xiàn)溫度是不變的，因此他得出結(jié)論任何水質(zhì)的沸點(diǎn)都可作為溫度計(jì)上的固定點(diǎn)．?dāng)z爾修斯相信華倫海特在阿姆斯特丹所指出的水的沸點(diǎn)溫度與氣壓有一定關(guān)系．在實(shí)驗(yàn)用的長(zhǎng)玻璃管上，水的凝固點(diǎn)和沸點(diǎn)高度差有792 G（Gran，長(zhǎng)度單位，1 G＝0．3 mm），他將它分為100個(gè)刻度，作出一種溫度計(jì)．使用這個(gè)溫度計(jì)，攝爾修斯做了31組實(shí)驗(yàn)（圖中只有23個(gè)點(diǎn)），記錄實(shí)驗(yàn)過程中水沸騰后，當(dāng)氣壓計(jì)汞柱高度發(fā)生變化時(shí)溫度計(jì)汞柱發(fā)生的變化．通過畫圖的方法，攝爾修斯得出在水沸騰時(shí)，水銀氣壓計(jì)汞柱下降1 inch（英寸，1 inch＝29．69 mm），則溫度計(jì)里的汞柱就下降7．92 G（大約是8 G）（如圖3）［4］．?dāng)z爾修斯最終定義在適合的壓強(qiáng)下（一個(gè)大氣壓下）水的沸點(diǎn)（100°）可以作為溫度計(jì)上的一個(gè)確定點(diǎn)．

圖3 安德斯·攝爾修斯對(duì)水的沸點(diǎn)隨大氣壓強(qiáng)變化的記錄圖像

在1742年發(fā)表的論文中，攝爾修斯選擇水的凝固點(diǎn)和沸點(diǎn)作為溫度計(jì)的兩個(gè)固定點(diǎn)，沸點(diǎn)為0°，凝固點(diǎn)為100°，把中間刻度劃分為100°，創(chuàng)立了攝氏溫標(biāo)．?dāng)z爾修斯對(duì)攝氏溫標(biāo)兩個(gè)固定溫度的研究，始終都是以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，不斷重復(fù)實(shí)驗(yàn)，確定單一變量，最終得出水的凝固點(diǎn)和沸點(diǎn)在氣壓不變的情況下是不變的，他還研究不同水質(zhì)對(duì)水的凝固點(diǎn)和沸點(diǎn)的影響．這些都表現(xiàn)出攝爾修斯在研究工作中的認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)．

4 攝氏溫標(biāo)的確立和使用

起初，學(xué)者對(duì)攝爾修斯在攝氏溫標(biāo)以及溫標(biāo)上兩個(gè)定點(diǎn)的研究工作缺少重視．1758年，卡爾·林奈（Carlvon Linné，1707～1778）在一封信中說明，他在斯德哥爾摩制作的使用攝氏溫標(biāo)的溫度計(jì)是可以在溫室中使用的，由于林奈的學(xué)術(shù)聲望，攝氏溫標(biāo)得到學(xué)界更多關(guān)注，但也使一些學(xué)者誤認(rèn)為林奈是攝氏溫標(biāo)的建立者．

1750年，攝爾修斯的同事斯托瑪把攝爾修斯提出的兩個(gè)定點(diǎn)的標(biāo)值顛倒，即定義水沸騰為100°，結(jié)冰點(diǎn)為0°，但仍稱攝氏溫標(biāo)［4］．

攝氏溫標(biāo)的建立使計(jì)溫學(xué)日趨完善，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)熱學(xué)研究的進(jìn)展，此后雖然又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些新的測(cè)溫手段，但經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)已經(jīng)定型．

1927年，國際計(jì)量大會(huì)選擇了以電阻溫度計(jì)和溫差電偶溫度計(jì)為基礎(chǔ)的新的國際實(shí)用溫標(biāo)，規(guī)定金的熔點(diǎn)（1 063℃）以上用絕對(duì)溫標(biāo)，在金的熔點(diǎn)以下用攝氏溫標(biāo)．1967年，在法國巴黎召開的第十三屆國際計(jì)量大會(huì)正式確認(rèn)，在日常溫度讀數(shù)使用攝氏溫標(biāo)，而理論論證使用開氏溫標(biāo)，并確定攝氏溫標(biāo)與開氏溫標(biāo)的換算方法，即t＝T-273．15［3］．1990年新的國際溫標(biāo)確立水的沸點(diǎn)在一個(gè)大氣壓下更加準(zhǔn)確的數(shù)值是100℃～99．75℃，但這一點(diǎn)變動(dòng)不會(huì)影響到平均值，攝氏溫標(biāo)仍為一個(gè)大氣壓下水的沸點(diǎn)為100℃，凝固點(diǎn)為0℃［4］．

5 結(jié)語

攝爾修斯的一生雖然非常短暫，但是他在科學(xué)研究工作中，利用實(shí)驗(yàn)不斷驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論的嚴(yán)謹(jǐn)精神是值得學(xué)習(xí)的．他通過各種實(shí)驗(yàn)，對(duì)水的凝固點(diǎn)與沸點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，研究不同水質(zhì)以及氣壓對(duì)水沸點(diǎn)的影響，不同緯度對(duì)水的凝固點(diǎn)的影響，不斷進(jìn)行驗(yàn)證，最終確定水的凝固點(diǎn)和水的沸點(diǎn)為溫度計(jì)的兩個(gè)固定點(diǎn)，創(chuàng)立攝氏溫標(biāo)，并得到廣泛的應(yīng)用．

1 C．C．Gillispie．Dictionary of Scientific Biography．New York：Charles Scribner′s Sons，1970～1980，Vol．III：173～174

2 H．C．Stempels．Anders Celsius′contributions to meridian arc measurements and the establishment of an astronomical observatory in Uppsala．Baltic Astronomy，2011，vol．20，pp．179～185

3 申先甲．探索熱的本質(zhì)．北京：北京出版社，1985．16～40

4 Beck man O．Anders Celsius and the fixed points of the Celsius scale．European Journal of Physics，1997，vol．18，no．3，pp．169～175

5 意大利佛羅倫薩科學(xué)史博物館官網(wǎng)：http：//catalogue．museogalileo．it/object/Thermoscope．html0

2014- 06- 16）