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溫度計小史 精選

已有 9744 次閱讀 2018-9-4 09:00 |個人分類:科普|系統分類:科普集錦| 溫度計, 溫標, 科普, 中西交流

   按:拙文發表在9月份的《科學世界》,感謝閆凱編輯?d時略有刪改,這里發布的是初稿。

今年的“三伏天”從7月17日開始,8月25日結束,炎炎夏日,大家更關心每天的溫度。溫度與我們日常生活的關系太密切了,上了年紀的人習慣關注每天《新聞聯播》后的“天氣預報”節目,年輕人更喜歡直接在手機上查看天氣的動態信息,伴隨天氣變化的氣溫往往決定了未來幾天的穿著或行程。自己或家人身體有些發熱,自然會用體溫計去測量。今天我們就聊聊有關溫度計的故事,首先說溫度計的發明,其次談溫標的確立,最后是溫度計知識傳入我國的過程。

一、 溫度計的發明

大家或許想知道,在溫度計發明之前,人類是如何表達溫度高低的呢?很簡單,靠經驗描述。你可能還記得戰國《列子湯問》中“兩小兒辯日”的故事吧,一小兒為“近者熱而遠者涼”辯護道,“日初出滄滄涼涼,及其日中如探湯”。這便是很樸素的經驗性描述。當然,古人還摸索出了稍微高級一點檢測溫度的辦法,比如燒制陶瓷中的“照子”就是一例。那么什么是“照子”呢,簡單說就是窯工用于判別窯火溫度高低的泥土胚胎。據景德鎮陶瓷大學鄭乃章教授研究,魏晉南北朝時已經出現照子,不過當時主要用于試驗釉色;到了宋元,照子技術已經成熟,通過觀察照子的燒結程度,檢測窯內制品在最高燒成溫度下保溫時間的長短。這種技術全靠窯工的經驗積累,無法定量、精確檢測。

溫度計的發明是西方近代科學革命的產物,而且是伽利略首先發明了一種利用空氣熱脹冷縮原理的氣體溫度計。西方在探究空氣熱脹冷縮及其運用方面歷史悠久,早在古希臘時期,著名的希羅(Hero of Alexandria)就利用這一原理設計出了可用在神廟的自動開門機械。伽利略的氣體溫度計很簡單,就是一根細長的玻璃管,一端開口,另一端是一雞蛋大小的玻璃泡。使用時,先用手把玻璃泡捂熱,然后讓玻璃泡一端在上,把玻璃管豎直插入到水中,這便形成了一個簡單的氣體溫度計。當外界空氣上升或下降時,玻璃管中水柱就會下降或上升。如果在玻璃管上標識上刻度,便可以指示溫度。盡管不清楚伽利略當時是如何標記溫度的,但他在一本書中明確提到了度數。不過由于這種溫度計會到受到氣泡內空氣溫度以及外界氣壓的影響,誤差比較大。受伽利略的啟發,他的朋友、意大利帕多瓦大學的醫學教授?送辛羲梗⊿anctorio Sanctorius)在1612年發明了一種蛇形的氣體溫度計,上端的玻璃泡可以放入病人口中,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。

圖1 伽利略的氣體溫度計

鑒于這種氣體溫度計的缺陷,1632年法國的醫生讓·萊伊(Jean Rey)首次把伽利略的溫度計顛倒了過來,讓玻璃泡在下方,并且里面充入水,以水為測溫物質,溫度則通過玻璃管中的水柱體現。但這種溫度計玻璃管上方是開放式的,因此會受到水蒸發的影響。液體溫度計后續的重大進展是由托斯卡納的大公斐迪南二世(Ferdinand II)組織完成的,他是佛羅倫薩西芒托學院的創建人之一。他們試驗了多種液體,發現酒精的熱膨脹效果比較明顯;同時他們把玻璃管的上端熔化封閉,這樣就制成了世界上的第一支不受外界氣壓影響的溫度計,時間是1654年。

1714年,華倫海特(Daniel Gabriel Fahrenheit)發明了水銀溫度計。他是一位氣象儀器制造者,出生在德國,但一生大部分時間待在荷蘭。水銀溫度計和酒精溫度計各有千秋,水銀的沸點為357度,故可以測量較高的溫度。但由于其凝固點為零下39度,故不能測比之更低的溫度。像我國內蒙古根河市,今年1月份有幾天氣溫低至零下50多度,這種情況下水銀都成固體了,自然無法使用水銀溫度計,但是可以使用酒精溫度計,因為酒精的凝固點是零下117度。與水銀溫度計相反,酒精溫度計不能測量較高的溫度,因為酒精的沸點是78度。華倫海特不但發明了水銀溫度計,更重要的是開始著手確立溫標。 

二、 溫標的確立

溫標是溫度數值化的標尺,要確立溫標,最重要的是找出幾個基準點。1724年,華倫海特選擇了三個基準點:為了避免溫度中出現負數,選擇了氯化銨與冰、水混合物的溫度為0度;冰、水混合物溫度為32度;把溫度計置于人的口中或腋下,可得到人體溫度96度。后來人們又做了修訂,把水在標準大氣壓下的沸點確定為212度,這樣水的冰點和沸點間算是180度,這便是華氏溫標。為了紀念華倫海特,華氏溫標的單位記作:℉。目前世界上的主要國家,只有美國還在沿用華氏溫標。

目前全世界應用最廣泛的溫標系統是瑞典人攝爾修斯(Anders Celsius)確立的,他一生主要在烏普薩拉大學從事天文學研究,不過因其旁涉溫度計量而大名流芳。1742年,攝爾修斯在一篇論文《對溫度計上兩個固定點的觀察》中描述了他的溫標系統,這種溫標是把標準大氣壓下水的冰點和沸點之間劃分為100度,但當時他采取的是冰點為100度,沸點為0度的方案,這樣可以避免低溫為負數的結果。但這一方案與人們的習慣相悖,1745年,也即攝爾修斯去年后的第二年,他的同事、瑞典植物學家林奈(Carl Linnaeus)把冰點與沸點的度數顛倒過來,這便是我們現在使用的攝氏溫標。不過另有人說,做了這項顛倒工作的是攝爾修斯的繼任者馬丁·斯特勞莫爾(Martin Stroeme)。無論如何,這種百分溫標是創始者是攝爾修斯,為了紀念他,攝氏溫標的單位記作℃。顯然,從絕對數值上衡量1℉≠1℃,因為攝氏溫標的100份在華氏溫標下是180份,它們之間有如下轉換關系:F=(9C/5+32          


圖2 瑞典發行的紀念攝爾修斯的郵票

前述華氏溫標和攝氏溫標,均要依賴溫度計,或者說依賴于測溫物質,比如水銀?刹豢梢哉业揭环N不依賴于溫度計的溫標體系呢?可以。1848年,英國物理學家威廉·湯姆遜(William Thomson,即后來的開爾文勛爵)確立了一種新的溫標——絕對溫標,單位為K。此溫標只有一個基準點,即絕對零度,這是冷到極限的狀態,一切原子、分子的熱運動都已消失,相當于攝氏溫標中的零下273.15度,其分度間隔與攝氏溫標相同,因此兩者的轉換關系為:T(K)=t(℃)+273.15。 

三、 溫度計傳入我國

清康熙年間,在華的傳教士最早把溫度計相關知識引介到國內。1664年,比利時人、耶穌會傳教士南懷仁(Ferdinand Verbiest)完成的《靈臺儀象圖》就繪有他制作的溫度計。靈臺就是天文臺,當時的地址在如今北京建國門西南側的古觀象臺。1671年,南懷仁更是完成了《驗氣圖說》,專門談溫度計的制法、用法和原理。他制作的溫度計如圖3,在木架上豎立一U形玻璃管,U形管左側上端連一玻璃球,右側上端敞開。U形管內注入達到水平線的水(一說燒酒),玻璃球的氣體受外界溫度影響膨脹或收縮時,液體便會在U形管右臂或左臂上升,左右臂旁標有刻度,可以指示溫度。顯然,這是一種氣體溫度計,由于南懷仁在刻度理論上采用了錯誤的“天地間有三域說”,而且未能及時吸收歐洲已有的實驗研究,故這種溫度計不具備實測功能。

在南懷仁之后,很可能是法國來華的耶穌會士白晉(Joachim Bouvet)留下一份手稿《驗氣寒暑表說》,現藏梵蒂岡圖書館,中國科技大學石云里教授推測這很可能是他向康熙帝講解西方科學的講義之一。在這份講義中,不但介紹了德國格里克(Otto von Guericke)、英國波義耳(Robert Boyle)就溫度計研究的新進展,而且對比了新舊兩種溫度計。其中舊式溫度計是一種氣體溫度計,而新式溫度計便是前述斐迪南二世發明的水銀溫度計。

西方知識的引介、傳播過程非常復雜。一方面不能高估清初傳教士與皇帝的互動,康熙年間已經傳入紫禁城的溫度計、氣壓計等,到了雍正、乾隆時,他們對之仍一臉茫然,因為早年的那些儀器,早已束之高閣。另一方面不能低估好學之士吸收、仿制的能力,比如清初的黃履莊,在揚州時“因聞泰西幾何比例,轉捩機軸之學”,遂制出諸多奇器,其中就有“驗冷熱器”,即溫度計。黃履莊制作溫度計的知識,極有可能來自西學,至于其傳播途徑如何,已無從考究了。


圖3 南懷仁制作的溫度計

最后要說明的是,隨著科學技術的發展以及現實測溫條件的需要,誕生了多種多樣的溫

度計,大致可分為接觸式與非接觸式兩類。在接觸式溫度計中,又分為像水銀溫度計這樣的膨脹式,利用電阻隨溫度變化而改變的熱電阻式等。在非接觸式溫度計中,又分為利用物體熱輻射測溫的輻射式,利用紅外線照射導致元件溫度變化的紅外線溫度計等。

  愿這篇小文,伴隨讀者朋友度過一個不用關心溫度的清晨、黃昏或午間。



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