溫度與人們的日常生活關(guān)系十分密切:上了年紀(jì)的人習(xí)慣關(guān)注《新聞聯(lián)播》后的《天氣預(yù)報(bào)》節(jié)目,年輕人則喜歡直接在手機(jī)上查看當(dāng)天的氣溫;自己或家人身體發(fā)熱時(shí)會(huì)用體溫計(jì)測量體溫;新冠肺炎疫情期間,每當(dāng)進(jìn)入超市、地鐵等人口聚集的場所,工作人員總會(huì)拿著額溫槍測量你的體溫……大家或許想知道,在溫度計(jì)發(fā)明之前,人們?nèi)绾未_定溫度高低?
從史料來看,中國人很早就確立了寒、冷、溫、熱等“溫度”概念,像“春暖花開”“天寒地凍”等詞語都表達(dá)了古人對溫度的感知。先秦時(shí)期,中國出現(xiàn)了一種可以觀察溫度變化的“冰瓶”:在瓶子中裝水,如果水結(jié)冰,則進(jìn)入寒冬;如果冰融化,則氣溫回升。
“冰瓶”可謂中國最原始的一種溫度計(jì),不過古人測量溫度多依靠經(jīng)驗(yàn),不精確。
1593年,意大利科學(xué)家伽利略首先發(fā)明了一種利用空氣熱脹冷縮原理的氣體溫度計(jì)。它是一根細(xì)長的玻璃管,一端開口,另一端是一枚雞蛋大小的玻璃泡。使用時(shí),先用手把玻璃泡捂熱,然后讓玻璃泡一端在上,把玻璃管豎直插入水中,這樣便形成了一個(gè)簡單的氣體溫度計(jì)。當(dāng)外界氣溫上升或下降時(shí),玻璃管中的水柱就會(huì)下降或上升。如果在玻璃管上標(biāo)上刻度,便可以指示溫度。不過這種溫度計(jì)易受氣泡內(nèi)空氣溫度以及外界氣壓的影響,誤差較大。
受伽利略的啟發(fā),他的朋友、意大利帕多瓦大學(xué)的醫(yī)學(xué)教授桑克托留斯在1612年發(fā)明了一種蛇形的氣體溫度計(jì),上端的玻璃泡可放入病人口中,從下方水柱查看病人體溫的變化。這是世界上最早的體溫計(jì)。
1632年,法國醫(yī)生讓·萊伊首次把伽利略的溫度計(jì)顛倒,讓玻璃泡在下方,并在里面裝水,以水為測溫物質(zhì),溫度則通過玻璃管中的水柱體現(xiàn)。但由于這種溫度計(jì)玻璃管的上方是開放式的,因此會(huì)受到水蒸發(fā)的影響。隨后,阿拉貢國王斐迪南二世讓人試驗(yàn)了多種液體,發(fā)現(xiàn)酒精的熱膨脹效果比較明顯,同時(shí)他把玻璃管的上端熔化,使其封閉,制成了世界上第一支不受外界氣壓影響的溫度計(jì)。
1714年,德國科學(xué)家華倫海特發(fā)明了水銀溫度計(jì)。水銀溫度計(jì)和酒精溫度計(jì)各有千秋。水銀的沸點(diǎn)約為357℃,故可測量較高的溫度,但由于其凝固點(diǎn)約為零下39℃,故不能測比之更低的溫度。與水銀溫度計(jì)相反,酒精溫度計(jì)不能測量較高的溫度,因?yàn)榫凭姆悬c(diǎn)約為78℃,但可以測量較低的溫度,因?yàn)槠淠厅c(diǎn)約為零下117℃。
如今,隨著科技的發(fā)展以及現(xiàn)實(shí)測溫的需要,各種各樣的溫度計(jì)相繼出現(xiàn),它們大致可分為接觸式與非接觸式兩類。如利用電阻隨溫度變化而改變的熱電阻式溫度計(jì)屬于接觸式溫度計(jì),利用紅外線照射導(dǎo)致元件溫度變化的紅外線溫度計(jì)等屬于非接觸式溫度計(jì)。(據(jù)《科學(xué)世界》《新民晚報(bào)》等)
溫標(biāo)的確立
華氏溫標(biāo)(單位:°F)
1724年,華倫海特在一篇論文中使用三個(gè)參考溫度來標(biāo)示刻度。將溫度計(jì)放入由冰、水以及氯化銨混合而成的鹽水中,量的刻度為0華氏度。第二個(gè)刻度是32華氏度,是將溫度計(jì)放入恰好有冰形成于表面的水中而量得。第三個(gè)刻度為96華氏度,是將溫度計(jì)含入口中或夾在腋下時(shí)量得的刻度。之后,其他科學(xué)家觀察到水的沸點(diǎn)比冰點(diǎn)約高180華氏度,決定重新確定華氏溫標(biāo),使水的沸點(diǎn)剛好高于冰點(diǎn)180度。
攝氏溫標(biāo)(單位:℃)
1742年,瑞典物理學(xué)家安德斯·攝爾修斯在一篇論文中描述了他的溫標(biāo)系統(tǒng):把標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)之間劃分為100度,其中冰點(diǎn)為100度,沸點(diǎn)為0度,這樣可以避免低溫為負(fù)數(shù)。但這一方案與人們的習(xí)慣相悖,1745年,他的同事、瑞典植物學(xué)家林奈把冰點(diǎn)與沸點(diǎn)的度數(shù)顛倒,這便是我們現(xiàn)在使用的攝氏溫標(biāo)。
絕對溫標(biāo)(單位:K)
1848年,英國物理學(xué)家威廉·湯姆遜確立了一種新的溫標(biāo)——絕對溫標(biāo)。此溫標(biāo)只有一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn),即絕對零度,這是冷到極限的狀態(tài)。在這種狀態(tài)下,一切原子、分子的熱運(yùn)動(dòng)都已消失,相當(dāng)于攝氏溫標(biāo)中的零下273.15度。