溫度計(jì) 從經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)到熱力學(xué)溫標(biāo)

劉軍

在今天的人們看來，“溫度”是一個(gè)很普通的詞語，它是表示物體冷熱程度的一個(gè)物理量；不過，在人類發(fā)展史上，人類學(xué)會(huì)如何更精準(zhǔn)地測(cè)得物體的冷熱程度，其實(shí)是經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。

經(jīng)驗(yàn)感知時(shí)代

在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，人類僅僅依靠觸覺、視覺等粗略地感知溫度。最常見的是用自己的體溫判別周圍物體的冷熱程度。當(dāng)然，這個(gè)判別結(jié)果因人而異，但由于正常人的體溫基本相同，所以判別偏差不會(huì)很大。其實(shí)，在很早以前，古人已經(jīng)意識(shí)到人的體溫是最恒定的“溫度計(jì)”，并用這種特殊的“溫度計(jì)”感知?dú)鉁亍⒓胰擞袥]有發(fā)燒等，還把這種感知方式用在制作奶酪、豆豉以及養(yǎng)蠶、茶葉加工等工藝中。宋代蔡襄的《茶錄》中即有“收藏之家，以蒻葉封裹，入焙中兩三日，一次用火常如人體溫，溫則御濕潤(rùn)，若火多則茶焦不可食”的記載。這就是把體溫感知溫度應(yīng)用在制茶工藝中的實(shí)例。

除了用體溫感知物體溫度外，古人還通過觀察火候判斷物體的冷熱程度，特別是在金屬冶煉或陶瓷燒制過程中，古代工匠已經(jīng)掌握通過觀察火焰顏色來判別爐溫的技巧?；鹧嬗^察法不僅被歷代的冶鑄和陶瓷工匠沿用下來，而且被煉丹術(shù)士與藥物學(xué)家所發(fā)展。在不少歷史資料中，都留有關(guān)于物體的火焰顏色的記載。如戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的《周禮·考工記》中就有一段關(guān)于用火焰顏色變化判定青銅冶煉進(jìn)程的記載：“黑濁之氣竭，黃白次之；黃白之氣竭，青白次之；青白之氣竭，青氣次之，然后可鑄也?！边@是我國(guó)最早的關(guān)于冶鑄青銅的火焰顏色的記載。

戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，人們還通過觀察水是否結(jié)冰來推知?dú)鉁氐淖兓??！秴问洗呵铩ど鞔笥[·察今》中記載：“見瓶中之冰，而知天下之寒、魚鱉之藏也?！睗h代的《淮南子·說山》中也有“睹瓶中之水，而知天下之寒”的記載，即古人利用水在不同溫度下的形態(tài)變化（水—冰—水），推測(cè)環(huán)境溫度的升降。具體來說，就是在瓶子里灌上水，如果瓶子里的水結(jié)冰了，則表明氣溫很低，進(jìn)入寒冬；如果瓶子里的冰融化，則意味著氣溫回升。這種瓶子被稱為“冰瓶”或“水瓶”，可以稱得上是中國(guó)最原始的溫度計(jì)，被視為現(xiàn)代溫度計(jì)的雛形。

除了“冰瓶”和“水瓶”之外，魏晉時(shí)期，一種被叫作“火照”的神秘物品出現(xiàn)在了陶瓷燒制中。

火照也被稱為“試火片”“照子”，是用來判別窯火溫度的泥胚樣品?；鹫胀ǔ槠瑺?，上端打孔，燒制陶瓷時(shí)與胚料共同放入窯中。在陶瓷燒制過程中，窯工可以用鐵鉤從觀火孔中取出火照，以觀察其燒結(jié)程度，這樣能夠大體判斷出窯內(nèi)的溫度情況。每燒一窯，窯工都要驗(yàn)火照數(shù)次，每驗(yàn)一次，即需鉤出一個(gè)火照。為什么叫“照子”呢？原來，在東漢末期和三國(guó)時(shí)期，火照被稱為“銅鏡”，據(jù)說到了宋代，為避宋太祖祖父趙敬的名諱，人們將“鏡”字改為“照”或“鑒”，故稱銅鏡為“銅鑒”。宋代，“照子”被廣泛應(yīng)用于各地的瓷器制作中，人們?cè)诓簧龠z留至今的宋代窯址里都發(fā)現(xiàn)過“照子”，有人將之定名為“火照”或“火標(biāo)”。自“照子”誕生的那一刻起，就伴隨著中國(guó)陶瓷燒制工藝走到了今天。

科學(xué)計(jì)量時(shí)代

雖然人們可以通過觀察“冰瓶”和“照子”的情況，或是依靠體溫、火候，較直觀地知道物體的冷熱程度，但這些感知方式都有一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)，那就是全憑經(jīng)驗(yàn)獲知物體的冷熱程度，而沒有具體的參考數(shù)值。

直到1592年，意大利科學(xué)家伽利略受到古希臘科學(xué)家希羅的神殿圣火啟發(fā)，利用空氣的熱脹冷縮原理，發(fā)明了一個(gè)類似溫度計(jì)的設(shè)備，才正式開啟了溫度的計(jì)量時(shí)代。伽利略發(fā)明的溫度計(jì)的頂端是一個(gè)玻璃泡，與之相連的玻璃管中裝著有色液體，玻璃管的另一端則倒置在裝有水的杯子中。它的工作原理：由于氣溫的變化，玻璃管內(nèi)上方的空氣的體積會(huì)因?yàn)闊崦浝淇s而發(fā)生變化，使有色液柱的高度產(chǎn)生變化，相應(yīng)下降或上升；玻璃管壁上標(biāo)有一些可作標(biāo)準(zhǔn)的“熱度”—即我們現(xiàn)在所說的溫度。這就是世界上第一支標(biāo)有刻度的溫度計(jì)—?dú)怏w溫度計(jì)。當(dāng)然，該氣體溫度計(jì)有個(gè)很大的缺陷，其變化受大氣壓強(qiáng)的影響比較大。

1612年，意大利醫(yī)生?？送欣飱W通過改進(jìn)伽利略發(fā)明的氣體溫度計(jì)，設(shè)計(jì)出一種蛇狀玻璃管氣體溫度計(jì)。自此，世界上第一支帶有刻度的口腔溫度計(jì)出現(xiàn)了。該溫度計(jì)內(nèi)部裝有紅色液體，空氣膨脹時(shí)會(huì)把液體往下壓。通過玻璃管壁上的刻度，人們能夠讀出溫度的數(shù)值。由于可以直接將該溫度計(jì)上端的玻璃泡放入患者口中，醫(yī)生通過觀察下方的水柱便可以查看病人體溫的變化，這支溫度計(jì)也成為世界上最早的體溫計(jì)。不過，這款溫度計(jì)大而笨重，醫(yī)生需要花費(fèi)大量時(shí)間才能讀取患者的體溫，并且測(cè)得的數(shù)值也不準(zhǔn)，實(shí)用價(jià)值不大。

1632年，法國(guó)醫(yī)生、化學(xué)家兼物理學(xué)家雷伊把伽利略發(fā)明的溫度計(jì)顛倒過來，使玻璃泡位于下方，并且在里面充入水，以水為測(cè)溫物質(zhì)，直接利用水而不是空氣的體積變化來測(cè)量物體的冷熱程度。這是歷史上第一支用水作為測(cè)溫物質(zhì)的溫度計(jì)。但是，因?yàn)榇祟悳囟扔?jì)的管口沒有密封，故而仍會(huì)受大氣壓的影響，并且會(huì)由于水的蒸發(fā)而產(chǎn)生誤差。

1654年，在伽利略的學(xué)生斐迪南的帶領(lǐng)下，人們用酒精代替水柱發(fā)明了一種封閉式溫度計(jì)，制成了世界上首個(gè)含有封閉液體的玻璃溫度計(jì)。斐迪南向一端帶有空心玻璃球的玻璃管里注入適量帶有顏色的酒精，再把玻璃球加熱，用酒精趕跑玻璃管中的空氣，然后將螺旋狀的玻璃管密封，并在玻璃管壁上標(biāo)注刻度，于是，第一支不受大氣壓力影響的真正的溫度計(jì)誕生了。

1709年，物理學(xué)家華倫海特發(fā)明了第一支有實(shí)用意義的溫度計(jì)—華氏酒精溫度計(jì)。這支溫度計(jì)與以往的溫度計(jì)的最本質(zhì)區(qū)別在于有了相對(duì)精確、標(biāo)準(zhǔn)的刻度，它的出現(xiàn)使以往各類不同制式的溫度計(jì)混戰(zhàn)的局面得以終止，著名的華氏溫標(biāo)由此誕生。華倫海特把冰、水和氯化銨混和物的平衡溫度定為0°F，將他的妻子的體溫定為96°F，在0°F和96°F間分為96格，每格即為1°F。華氏酒精溫度計(jì)可以精確地讀出溫度的數(shù)值，它的出現(xiàn)正式開啟了氣象學(xué)中的氣溫觀測(cè)項(xiàng)目。1714年，華倫海特又制成了世界上第一支實(shí)用的水銀溫度計(jì)。

1730年，法國(guó)博物學(xué)家、物理學(xué)家、昆蟲學(xué)家和發(fā)明家列奧繆爾研制出一種酒精溫度計(jì)，他把水的冰點(diǎn)定為0°Re，水的沸點(diǎn)定為80°Re，其間分為80格，每格為1°Re。這就是著名的“列氏溫標(biāo)”。

1742年，瑞典物理學(xué)家和天文學(xué)家攝爾修斯制成水銀溫度計(jì)，他把水的沸點(diǎn)與冰的熔點(diǎn)分別定為0℃和100℃，其間分為100格，每一格為1℃。不難看出，這種溫標(biāo)的定點(diǎn)不符合越熱的物體溫度越高的認(rèn)知習(xí)慣，與我們現(xiàn)在所用的溫度計(jì)正好相反。攝爾修斯辭世后，他生前的同事把溫度計(jì)冰點(diǎn)與沸點(diǎn)的度數(shù)顛倒過來（即將水的沸點(diǎn)與冰的熔點(diǎn)分別定為100℃和0℃），就成了現(xiàn)在使用最廣泛的“攝氏溫標(biāo)”。

熱力學(xué)溫標(biāo)

無論是“經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)”，還是“華氏溫標(biāo)”，或是以水為“標(biāo)準(zhǔn)”的“列氏溫標(biāo)”和“攝氏溫標(biāo)”，它們存在共同的缺點(diǎn)—溫度值僅在兩個(gè)定點(diǎn)是準(zhǔn)確的，其余各點(diǎn)都不準(zhǔn)確；溫度的定義范圍跟測(cè)溫物質(zhì)有關(guān)；測(cè)量溫度都要依賴含有測(cè)溫物質(zhì)的溫度計(jì)。那么，能否找到一種不依賴測(cè)溫物質(zhì)的溫標(biāo)呢？

1848年，英國(guó)物理學(xué)家威廉·湯姆森（開爾文勛爵）提出了“熱力學(xué)溫標(biāo)”。他還在1854年指出，只需選用一個(gè)固定點(diǎn)的數(shù)值，這種溫標(biāo)就完全確定了，該點(diǎn)就是“絕對(duì)零度”。熱力學(xué)溫標(biāo)沿用攝爾修斯的溫度間隔劃分法，在0～100間設(shè)立100個(gè)溫度間隔，每個(gè)間隔為1個(gè)開氏度（1°K）。這就是至今仍在科學(xué)研究中被普遍使用的“開爾文溫標(biāo)”，簡(jiǎn)稱“開氏溫標(biāo)”，也稱“熱力學(xué)絕對(duì)溫標(biāo)”。熱力學(xué)溫度只與熱量有關(guān)，與物體的任何性質(zhì)無關(guān)，不受測(cè)溫物質(zhì)的影響，打破了溫度測(cè)量因?yàn)闇y(cè)溫物質(zhì)凝固和汽化而受到的限制。

隨著各種溫標(biāo)的建立和溫度計(jì)制作技術(shù)的成熟以及實(shí)際測(cè)量的需要，發(fā)明家們不斷改進(jìn)、制作了各式各樣的溫度計(jì)，用來測(cè)量各類物體的溫度。比如，1867年，托馬斯·艾爾伯特發(fā)明了第一臺(tái)用于測(cè)量人體溫度的便攜式醫(yī)用溫度計(jì)，其長(zhǎng)度僅為15.24厘米（6英寸），并且只需5分鐘即可記錄患者的體溫，自此開啟醫(yī)用溫度計(jì)時(shí)代；1874年研制成功的“顛倒溫度計(jì)”，可以用來測(cè)量江河湖海表層以下的各層水溫。

20世紀(jì)末，隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展與新介質(zhì)的出現(xiàn)，電子溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、光輻射溫度計(jì)等應(yīng)時(shí)而生。這些溫度計(jì)的測(cè)量范圍更廣，測(cè)量精度更高，測(cè)量方式和顯示方式也更為多樣化。（作者單位：山西省氣象信息中心）

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