溫度計的前世今生

陳仁政

溫度計的發(fā)明—從伽利略的“氣體”開始

在中國戰(zhàn)國前期，哲學家列子—本名列御寇所著的古書《列子·湯問》中，就有“兩小兒辯日”的故事，也有“近者熱而遠者涼”的描繪。這就是關于溫度最樸素的經(jīng)驗性描述。當然，還有稍微高級一點的測溫辦法，燒制陶瓷時用的“照子”就是一例。景德鎮(zhèn)陶瓷大學的鄭乃章教授研究后說，魏晉南北朝時期已經(jīng)出現(xiàn)的“照子”，是窯工用于判別窯火溫度高低的泥土胚胎。到了宋元時期，“照子技術”更加成熟—通過觀察“照子”的燒結程度，就能檢測窯內(nèi)制品在最高燒成溫度下保溫時間的長短。但是，這種技術全靠窯工的經(jīng)驗積累，無法定量地精確檢測。所以，溫度計是西方近代科學革命性發(fā)明的產(chǎn)物。

1592年的一天，意大利物理學家和數(shù)學家伽利略正在威尼斯的帕多瓦大學講課，邊講邊做加熱水的實驗。

“罐內(nèi)水溫升高的時候，為什么水面會上升？”伽利略問學生。

“因為水溫升高的時候體積增大，水面就上升；水溫下降的時候體積減小，水面就下降?！睂W生回答說。

聽到學生的回答，伽利略偶然聯(lián)想到此前遇到的一個問題。

原來，曾有一些醫(yī)生找過伽利略，懇求他說：“先生，人生病的時候體溫一般會升高，能不能想個辦法，準確測出體溫，幫助診斷病情呢？”

聯(lián)想到這一問題，伽利略就在學生回答的啟發(fā)下，利用熱脹冷縮原理，經(jīng)多次研制，于1593年發(fā)明了泡狀玻璃管溫度計。這個溫度計的頂端是一個玻璃泡，和它相連的玻璃管中裝著有色液體，倒置在裝有水的杯子中來測量溫度。它的工作原理是，當被測溫度的物質(zhì)（這里是空氣）與玻璃泡接觸的時候，玻璃管內(nèi)上方的空氣就會因為熱脹冷縮而發(fā)生體積變化，使有色液柱對應下降或上升；玻璃管上標明一些可作標準的“熱度”—現(xiàn)在所說的溫度。這就是世界上第一支標有刻度的溫度計—氣體溫度計。顯然，氣體溫度計是不完善的—大氣壓強的變化也會使液柱升降。

當然，用氣體的熱脹冷縮性質(zhì)來測量溫度的想法，在伽利略之前早就有了。例如，古希臘科學家菲隆和亞歷山大·希隆就制造過基于空氣膨脹原理的測溫器。

溫度計的演進—從氣體到液體、固體

1612年，伽利略的同事和朋友、帕多瓦大學的生理學家和醫(yī)生—桑克托里奧·?？送辛羲菇淌?，對伽利略的氣體溫度計進行了改進，設計出一種蛇狀玻璃管氣體溫度計。它的內(nèi)部有紅色液體，空氣膨脹時就把液體往下壓，再從玻璃管上刻的110個刻度看出溫度的變化，可用于測量體溫，是世界上最早的體溫計。

鑒于?？送辛羲沟臏囟扔嫴惶珳蚀_的缺點，法國醫(yī)生、化學家兼物理學家詹·雷伊在1632年，把伽利略的玻璃管顛倒過來，并直接利用水而不是空氣的體積變化來測量物體的冷熱程度。但是，因為這種溫度計的管口沒有密封，會因水的蒸發(fā)而產(chǎn)生誤差。這是第一支用水作為測溫物質(zhì)的溫度計。

1641年，第一支以染紅的酒精作為測溫物質(zhì)的溫度計，首次出現(xiàn)在意大利托斯卡納大公斐迪南二世的宮廷里。1644～1650年期間，他將其不斷完善而成為具有現(xiàn)代形式的溫度計：用蠟將裝有紅色酒精的玻璃管口封住，在玻璃管上標上刻度。因此，一些人將溫度計的發(fā)明歸功于這位大公。1654年，這種溫度計已在佛羅倫薩普及使用。

另外的一種說法是，在1629年，伽利略在帕多瓦大學的另一位同事—意大利物理學家兼猶太教師約瑟夫·德米蒂哥，出版了一本書，名為《花園中的噴泉》。書中的一幅插圖，展示了一個盛有白蘭地的玻璃泡溫度計，旁邊寫著文字“oleb”（上升），這才是第一支溫度計。但是，這支溫度計的發(fā)明者卻沒有明確記載，很可能是伽利略或者德米蒂哥。

1646年，意大利物理學家萊納爾第尼明智地建議，以水的冰點和沸點作為刻度溫度計的兩個定點。但無奈的是，當時流行的酒精溫度計內(nèi)酒精的沸點（78.5 ℃）低于水的沸點（100℃）。所以，如果用水的沸點為第二個定點，這對酒精溫度計顯然不切實際，所以這一建議當時沒能被采納。這里需要說明的是，國際度量衡委員會在1989年發(fā)出通知，從1990年1月1日起，水的沸點定為99.975 ℃。

1658年，法國天文學家、數(shù)學家兼天主教神父—“科學史上最具魅力的人物”伊斯梅爾·博里奧，制成了第一支用水銀作為測溫物質(zhì)的溫度計。他值得一提的故事之一是：早于英國物理學家和數(shù)學家艾薩克·牛頓等人，最先偶然發(fā)現(xiàn)了計算萬有引力的公式，但博里奧后來又否定了這個正確的公式。

1665年，荷蘭物理學家、天文學家與數(shù)學家惠更斯，也提議把水的冰點和沸點作為兩個固定點，以使溫度計標準化。同年，英國物理學家與化學家波義耳，根據(jù)他在1662年發(fā)現(xiàn)的波義耳定律指出了氣體溫度計不準的原因及其他缺點。其后，人們大多轉(zhuǎn)向研制使用其他介質(zhì)作為測溫物質(zhì)的溫度計。1672年，法國發(fā)明家休賓在巴黎發(fā)明了第一個不受大氣壓影響的空氣溫度計。

有確切歷史記載的溫標，1779 年有19種，到了19世紀末，超過30種，溫度計的種類更是不計其數(shù)。

法國物理學家阿蒙東最先指出，測溫液體是呈有規(guī)則膨脹的，也最先指出氣溫“有絕對零度存在”。1703年，他制成了一支比較實用的空氣溫度計。

“按需改進”的溫標

溫標是為了保證溫度量值的統(tǒng)一和準確而建立的一個用來衡量溫度的標準尺度（例如定點、刻度及刻度間隔等）。伽利略發(fā)明氣體溫度計之后，科學家們圍繞溫度計的測溫物質(zhì)、溫標進行了不斷的研究，使它更加準確、方便和實用，也進一步充實了計溫學的研究內(nèi)容。以下簡要介紹5種著名的溫標。

一種“經(jīng)驗溫標”—“華氏溫標”

在1709～1714年間，物理學家、發(fā)明家、儀器制造商與玻璃工華倫海特，把冰、水和氯化銨的混和物平衡溫度定為0°F，人體溫度定為96°F（如以今天人的平均標準體溫37℃計算，應為98.6°F），其間分為96格，每格為1°F。1724年，他又把水的沸點定為212°F；遺憾的是，他沒有把冰的熔點定為0°F，而是定為32°F。這就是目前歐美的一些國家，以及中國香港、澳門等地區(qū)還在普遍使用的著名的“華氏溫標”。它是一種用實驗方法或經(jīng)驗公式確定的“經(jīng)驗溫標”。1709年，華倫海特還發(fā)明了酒精溫度計。此外，他還發(fā)明了在填充工作物質(zhì)水銀的時候的凈化方法，在1714年制成了世界上第一支實用的水銀溫度計。

為什么華倫海特要把冰點定為“奇怪”的32°F、沸點定為 212°F呢？一種牽強的解釋是，他覺得這樣設定的好處是，可以在水從結冰到沸騰之間劃分180等分，然后又可以讓人的體溫盡可能接近 100°F（實際是98.6°F）。事實上，人們迄今沒有弄清他這樣設定的真正原因。

以水為“標準”的兩種溫標—“列氏溫標”和“攝氏溫標”

1730年，法國博物學家、物理學家、昆蟲學家和發(fā)明家列奧繆爾研制了一種酒精溫度計，把水的冰點定為0°R，水的沸點定為80°R，其間分為80格，每格為1°R。這就是著名的“列氏溫標”。

列氏溫標僅在法國和德國的部分場合使用。

1742年，瑞典物理學家和天文學家攝爾修斯制成的一種水銀溫度計，則是把水的沸點與冰的熔點分別定為0℃和100℃，其間分為100格，每一格為1℃。這就是著名的“攝氏溫標”。1743年，克里森指出，這種溫標的定點不符合越熱的物體溫度越高的習慣。攝爾修斯辭世一年后的1745年，他生前的同事—卡爾·馮·林奈，把冰點與沸點的度數(shù)顛倒（即水的沸點與冰的熔點分別定為100℃和0℃）過來，這就是現(xiàn)在還在使用的攝氏溫標。不過，另有人說，這一“顛倒”工作是攝爾修斯的另一位同事—他的繼任者馬丁·斯特勞莫爾在1750年做的。

上述3種溫標，都是初級的原始溫標。它們的缺點有三：溫度值僅在兩個定點是準確的，其余各點都不準確；定義范圍有限—例如水銀溫度計的測量范圍為-38.87℃～+356.9℃；都要依賴含有測溫物質(zhì)（例如水或水銀）的溫度計。那么，能否找到一種不依賴于溫度計的溫標呢？能—下面的第4種溫標，就克服了這些缺點。

甩開含測溫物質(zhì)的溫度計的溫標—“熱力學溫標”

1848年，英國物理學家威廉·湯姆森即開爾文勛爵，提出了“熱力學溫標”。他還在1854年指出，只需選用一個固定點的數(shù)值，這種溫標就完全確定了，這個點就是“絕對零度”。然而，在實際建立熱力學溫度單位的時候，考慮到歷史傳統(tǒng)和當時的技術條件，他不得不沿用攝爾修斯的0～100℃的間隔作為100個溫度間隔，即每個間隔為1個開氏度（1°K）。這就是至今還在科學研究中被普遍使用的“開爾文溫標”，簡稱“開氏溫標”，也稱“理想氣體溫標”“熱力學絕對溫標”等。開氏溫標的特點是，與物體的任何性質(zhì)無關，熱力學溫度只與熱量有關。開氏溫標的優(yōu)點是，不受測溫物質(zhì)的影響，解除了測溫物質(zhì)因為凝固和汽化而受到的限制。

1927年，第七屆國際計量大會（簡稱CGPM）考慮到準確和簡便，決定采用開氏溫標作為最基本的溫標。1934年，中國著名化學家、化學教育家黃子卿在美國麻省理工學院（簡稱MIT）留學期間，測定了水的三相點為0.00981±0.00005℃（約0.01℃）。1954年，第10屆CGPM決定，把這一溫度作為熱力學溫標的單一定點，并在數(shù)量上規(guī)定為273.16°K。

熱力學溫標實際上包含的另一個定點，是不能用物質(zhì)的已知物理性質(zhì)來定義的，它是理論上推導出來的最低溫度—絕對零度或零開氏度。1967年，第十三屆CGPM將熱力學溫度的單位開氏度（上述°K），改為開爾文（K—Kelvins的簡寫）；開爾文溫標和開氏溫度等名稱，也分別被“新國際實用溫標”（簡稱“國際實用溫標”或“國際溫標”）和“熱力學溫度”代替。1968年，國際度量衡委員會也做了相同的規(guī)定。中國也于1973年1月1日起采用。

熱力學溫度（K）和攝氏度（℃），是中國現(xiàn)在僅有的兩種溫度法定計量單位—也是國際單位制中溫度僅有的兩種法定計量單位；華氏溫標、列氏溫標與蘭氏溫標已被廢棄，非特殊情況不得使用。熱力學溫度（K）、攝氏度（℃）與華氏溫度（°F）的換算關系是：1 K=1℃=1.8°F。

迄今還有國家在“非法使用”的溫標—“蘭氏溫標”

第五種溫標為美國工程界迄今還在使用的“蘭氏溫標”，由“他所在時代的天才”—英國發(fā)明家和土木工程師蘭金發(fā)明。蘭氏溫度的單位是°R。因為蘭氏溫標也是以水的三相點（273.16K）為起點，所以也是一種“絕對溫標”。

“按需改進”的溫度計

隨著攝氏溫標、熱力學溫標的建立和制作溫度計技術的成熟以及實際測量的需要，人們先后改進、發(fā)明了各式各樣的溫度計，用于測量各種物體不同的溫度。

例如，德國發(fā)明家卡爾·威廉·西門子在1860年發(fā)明的遙測式電阻溫度計。

又如，英國醫(yī)生托馬斯·克利福德·阿爾伯特在1865～1867年間，發(fā)明了至今還在使用的、測量人體溫度的現(xiàn)代水銀體溫計—它離開人體后讀數(shù)不變，可精確到0.1℃。不過，它的水銀泄漏時會造成危害。1984年，一位芬蘭醫(yī)療器械設計師發(fā)明了電子體溫計（更方便，無有害物泄漏）。

1874年研制成功的“顛倒溫度計”，可以用來測量江河湖海表層以下的各層水溫。經(jīng)過100多年的不斷改進，這種溫度計的性能已經(jīng)非?？煽?、準確度也較高（可達±0.02 ℃），至今仍在海洋調(diào)查中廣泛使用。

清康熙年間來華的耶穌會傳教士—最早把溫度計傳到中國的比利時天文學家和科學家南懷仁，在1664年完成的《靈臺儀象圖》中，就繪有他制作的氣體溫度計。靈臺就是天文臺—當時位于今北京建國門西南側的古觀象臺。南懷仁的溫度計，在木架上豎立了一根U形玻璃管，U形管左側上端連著一個玻璃球，右側上端敞開。U形管內(nèi)注入達到水平線的液體（水或酒），玻璃球的氣體受外界溫度影響膨脹或收縮時，液體就會在U形管右臂或左臂上升，左右臂旁都標有刻度指示溫度。

今天的溫度計，已經(jīng)有了使用的介質(zhì)材料不同、測量對象不同、用途不同、顯示溫度的器件不同、測量溫度范圍不同、指示溫度的形式不同（通常有直線刻度和指針式這兩種）等在內(nèi)的許多新品種：半導體溫度計、熱電偶溫度計、雙金屬溫度計、液晶溫度計、數(shù)字溫度計、光測高溫計、便于進行℃與°F換算的雙標氣溫計、可同時測量氣溫和空氣濕度的干濕泡溫度計、2020年“新冠肺炎”全球大流行期間便于快速測量體溫的額溫計……

【責任編輯】蒲？暉

檢測新冠肺炎的利器—額溫計

檢測新冠肺炎的“法寶”—額溫計

在這場抗疫戰(zhàn)爭中，檢測是否患有新冠肺炎時使用的“法寶”之一，就是紅外輻射額溫計—通過測量額頭的溫度即額溫去測定人體體溫的一種溫度計。

眾所周知，測定體溫有多種方法和儀器，那為什么額溫計被稱為“法寶”呢？

原來，測定體溫的諸如電子體溫計、水銀體溫計等，有費時（例如電子體溫計、水銀體溫計各自需要3、5分鐘）、必須與人體“親密接觸”而使用不便（要插進腋窩里或口腔中、肛門內(nèi)）等缺點。于是，省時（僅需1秒鐘，發(fā)出“嘀”的“蜂鳴聲”）、無需接觸而使用方便（距離額頭1～3厘米，不接觸人體）的額溫計披掛上陣，可以對大量、密集的人群進行快速檢測。

應該有的“須知”—如何使用額溫計

操作方便（使用前只需按下開關）、對人體不會產(chǎn)生有害輻射的額溫計，由電池（通常為兩節(jié)5號電池）、紅外探測系統(tǒng)、探測頭、顯示屏（大多為液晶顯示屏）等部分組成。

額溫計具有兩種模式：“體溫模式”即“體內(nèi)模式”和測量物體表面的“物溫模式”即“表面模式”。測體溫時，應確保置于體溫模式—一般開機就是體溫模式（如果弄亂了，可以重新啟動），不能用物溫模式。

額溫計有自己的測量范圍—體溫模式一般為32℃～42.9℃，其精度分別是：32℃～36℃時，±0.3℃；36℃～39℃時，±0.2℃；36℃～42.9℃時，±0.3℃。

一般超過37.3℃時，就要進一步檢查是否為“疑似新冠肺炎病例”或“新冠肺炎病例”。

額溫計測得的溫度，就是修正過了的體溫。也就是說，不需要像用電子體溫計或水銀體溫計這些“接觸型體溫計”那樣進行修正—它們因為測量時接觸人體的具體部位不同，都要進行修正。

測額頭中心位置（“腦門”最亮處）的要求是，沒有頭發(fā)、汗水、帽子、頭巾等遮擋物，距離額頭1～3厘米—緊貼額頭反而測不準。如果要測量下一次（或下一人），應先把額溫計的探測頭移開，間隔大約5秒后再進行測量。

當然，上述測量注意事項，都是針對室內(nèi)無風的常溫環(huán)境，而其他環(huán)境下的測量較為復雜。例如，在室外有風時，可以用手腕、頸部等保暖較好的部位代替額頭測量。

此外，還應注意使用額溫計的一般環(huán)境溫度和濕度：通常為10℃～40℃，其中16℃～35℃效果較好，20℃左右最好；相對濕度≤85 %。