书城科普改变世界的理化大发明(走进科学丛书)
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第18章 温度计的发明和改进

冷热的观念古已有之,但形成科学概念却经历了漫长的过程。很多科学家都曾为此大伤脑筋。这里的关键在于如何定量表示冷热的程度。

早在我国战国时期,我们的老祖宗就已经根据水结冰来推知气温下降的程度。汉代初年有一种“冰温度计”,按文献记载,“睹瓶中之冰而知天下之寒暑”。意思是说,观察瓶里冰的融化或增厚,就可知气温的变化。

古人也知道利用光的颜色判断温度的高低,“炉火纯青”就是形容炉温达到最高点时火焰从红色变成青色的意思。

最早有意识地依靠热胀冷缩来显示温度高低的是16世纪的几位科学家,其中有著名物理学家伽利略。他发明了第一支温度计,时间大约是1593年。据他的学生描述,有一天,伽利略取一个鸡蛋大小的玻璃泡,玻璃泡接到像麦秸一般粗的玻璃管一端,管长约半米。用手掌将玻璃泡握住,使之受热,然后倒转插入水中,等玻璃泡冷却后,水升高二三十厘米。伽利略用水柱的高度表示冷热程度,测量了不同地点、不同时候、不同季节的相对温度。

伽利略曾经学过医学,显然他是想利用这个温度计来测量人体的体温。但他的温度计有一个重大缺点,就是大气压会对水柱高度产生影响,而且温度计插在水盆里用起来很不方便。

法国化学家雷伊(J.Rey)将伽利略的温度计做了一点改进,他把玻璃泡调头放在下方,从上面灌进一定量的水,于是温度计便可以携带了。但水会蒸发,温度仍然不很可靠。不久,在意大利出现了把酒精或水银密封在玻璃泡中做成的温度计。为了表示温度的高低,在玻璃管上标有刻度,管子太长,就做成螺旋状。可惜,刻度没有统一标准,不适于推广使用。

德国的格里克(O.V.Guericke)在1660~1662年间创制的温度计颇为壮观。该温度计高达20英尺(约6米),由一个中空的大铜球壳及一细长的U形铜管构成,管中灌有一定量的酒精,开口一端的液面上漂移着一铜箔杯,杯子通过绳经滑轮吊着一个小天使,通过小天使的升降来指示气温的高低,刻度上标明“大热”、“大冷”等字样。

通过实践,科学家们逐渐认识到,为了有效地测量温度,必须选取某些温度作为标准点。

惠更斯推荐水的冰点和沸点作为标准,玻意耳认为冰点会随纬度改变,建议用大茴香油的凝固点作为标准。牛顿则选用融雪温度和人体温度作为温标,并将这中间分成12等份。1703年,丹麦学者罗默(Romer)则选用冰、水和食盐的混合温度作为零度,因为这是当时所能达到的最低温度。

德国人华伦海特(D.G.Fahrenheit)从罗默的工作中得到启发,也研究了温度标准。1714年,他用水银代替酒精作为测温物质,于是就有可能利用水的沸点。他做了许多实验研究水的沸腾,认识到水的沸点在大气压一定的条件下是固定的,不同的大气压下,沸点会有所改变。

他把结冰的盐水混合物的温度定为零度,以健康人的体温定为96度,中间的32度正好是冰点,后来又确定水的沸点为212度,这就叫华氏温标,以°F表示。

华伦海特的工作推动了精确温度计的发展,在欧洲大陆,他的温度计使用很普遍。

瑞典天文学家摄尔萨斯(A.Celsius)1742年创制的温度计是在水的冰点和沸点间分为100等份。不过,他为了避免冰点以下出现负温度,定冰点为100度,沸点为0度,和现行的摄氏温标(以℃表示)正好相反。我们现在的摄氏温标是1743年法国人克利斯廷(Christin)首先采用的。从伽利略到摄尔萨斯,大约经过了180年,在这些漫长的岁月里,温度计几经沧桑,逐渐完善。有了温度计,没有温度标准和分度规则也是不行的。而温度标准则有待于物态变化的研究。所以,温度计的发展历经这么长的时间,而一旦建立了完善的测量温度的方法,热学的实验研究也就蓬勃展开了。