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第7章 掌握冷暖的魔棒

第六章掌握冷暖的魔棒

温度计的发明

在日常生活,温度计给人们带来了诸多方便和益处:测量体温、气温等,然而有关温

度计的发明及发展却少有人知。

热胀冷缩冷暖可知

在日常生活中,人们发现世界上很多物质都具有热胀冷缩的特性。公元前3世纪就有人做

实验来演示空气的热胀冷缩,然而人们都没有想到利用它来测量温度。

1581年,还在意大利的比萨大学学习医学的伽利略萌发出发明温度计的想法。从此,

伽利略一头钻进了“热胀冷缩”世界中去了。然而,发明创造并非一蹴而就之事,他

必须具有灵敏的脑袋和灵巧的双手,必须经过认真仔细的思索和坚持不懈的努力,才能最后

取得成功,温度计的发明同样如此。

一晃10多年过去了,1593年伽利略经过反复实验和不懈努力,终于发明了第一支空气温度计

。这种仪器结构非常简单,但以前从未有人想到过:它是一根玻璃管,一端开口,另一端有

一小泡,然后将它注满水,并将开口的一端立于水盆内的水面之下,这样,小泡内出现了

一个含有空气的空间。如果用手握紧小泡,就会使泡内空气受热膨胀,越热膨胀得越厉害,

小泡中的空间也越大;相反,小泡内空气就变冷而收缩。如果在玻璃管边上装一个标尺,

用来测定水的高度变化,也就可以确定空气温度的变化了。

就在伽利略发明第一支空气温度计之时,他的一位朋友帕多瓦大学的医学教授桑克托留斯则

在用一种特殊的验温器来指示人体温度的变化,这种独特的验温器可以说是世界上最早的体

温计了。

桑克托留斯发明的这种体温计像一条蛇形,球状的上端可放在病人的口中,管子下端放在一

个盛水的容器内;蛇形管的刻度用玻璃珠标示,玻璃珠之间的距离则是任意的。虽然这是一

个粗糙的仪器,但桑克托留斯却利用它发现了人体在健康和患病时的体温变化。

不同寻常更进一步

然而,伽利略的

温度计很不精确,既不能测低温,又不能测高温:温度太低玻璃

管内的水会结冰,温度太高水又会汽化。而且,由于大气压强变化的影响即使温度不变,玻

璃管内的水

的高度也会有所差异。

首先对伽利略的温度计加以改进的是一位名叫雷伊的法国化学家。1632年元旦,雷伊给他

朋友写了一封信,信中提出了一种液体温度计,他建议把伽利略的温度计反过来装,在泡里

充水,管子里充空气,用水的膨胀来指示温度,他在信中这样写道:

“使用的时候,将泡充满水直到颈部。把它放在阳光下或一个发烧病人的手中,热会使水膨

胀而上升,上升多少则根据热的高低而定。”

但是,雷伊的液体温度计由于没有把玻璃管的上端封闭,水的蒸发就会带来较大的误差。

后来,在意大利托斯卡纳大公爵斐迪南二世的指导下,佛罗伦萨的院士们提出了将管子密封

的设想,他们将玻璃泡装上酒精,然后熔化玻璃尖把它密封,并把刻度附在玻璃管上。这就

是第一个与大气压强无关的温度计。

1659年,巴黎的文学家布里奥制造出了第一支用水银作为测温物质的温度计。这样,温度计

可测的温度范围就更大了。

德国物理学家盖里克在1660年至1662年创建了一个很不寻常的温度计。

盖里克发明的独特的温度计有近20英尺长,它由一个绘成蓝色,上面嵌着金星的铜球壳和1

英寸宽的铜管连接而成,铜管弯成一个很窄很窄的U形,管内灌入了一些酒精。U形管较短一

臂的顶端是开口的,酒精液面上漂浮着一个微小的倒扣着的铜箔杯,它与一根绳子连着,绳

子绕过悬挂在球壳下的滑轮,绳子的另一端是一个带翅膀的小天使,用小天使来指示管子上

的刻度。大铜球壳的一测加了一道阀门,用空气泵排除空气用以调节酒精的高度。当铜球内

的空气膨胀时,U形管开口一端的酒精就上升,小天使则下降;相反,当空气收缩时,小天

使就上升。

盖里克制造的这个巨大的温度计安装在房子背阴的一面,它上面的7个标度,从“大热”开

始一直到“大冷”。当时这个温度计非常引人注目。

攻克“温标”诸氏争鸣

自从伽利略制成第一支空气温度计开始,人们就碰到一个难题,那就是“温标”——如何确

立温度计的共同的标准。

首先意识到这一问题的是英国著名物理学家玻义耳,玻义耳一边思索着解决的方法,一边实

验着。经过一番钻研,玻义耳建议用茴香油放在酒精

温度计的周围,让油凝固,记下当茴香油开始凝固时的酒精高度,然后再计算酒精的膨胀。

玻义耳有个助手,名叫胡克,由于一个偶然的灵感,他制成了

一支清晰易辨的温度计,它里面灌着红色

的酒精。胡克制造的温度计变化非常大,夏天可以膨胀到顶端,冬天可以降低到底部。在杆

上刻度时,胡克先把它放在正在凝固的蒸馏水中,把它停留的位置当作零,再根据液体的膨

胀程度分度。

法国科学家阿蒙顿,他于1702年改进了伽利略温度计。他的温度计是由一个恒定体积的玻璃

泡和一个U形管较短的一臂连接而成,U形管较长的一臂内的水银柱高度表示所测得的温度。

阿蒙顿的温度计测出的温度与大气压强无关,因此,不同地方的温度计读数可做比较,但是

由于他选择水的沸点作为一个固定点,这又与大气压强有关,结果还是不能取得较高的准确

度。

同时期的牛顿发现了固体冷却

定律和他对溶解与沸腾温度稳定性的观察,对温度计的发展至关重要。

到了18世纪,由于物理学、医学和气象学等各个方面日益发展的需要,对温度测量的要求越

来越高。真所谓“时势造英雄”,在这样的形势下,有3位科学家脱颖而出,他们便是华伦

海特、列奥默和摄尔萨斯。

阿姆斯特丹一个有名的科学仪器制造家华伦海特,最初是用酒精来制作温度计的,直到1714

年,28岁的华伦海特才制造了现在仍以他

的名字命名的那种水银温度计,在他的温度计上,他选了3个固定点:第一点取冰、纯水和

氯化铵混合物的温度定为0度;第二点取无盐的冰水混合物的温度定为32度,称之为凝结的

起点;第三点取温度计插入人体口中或置于腋下的温度定为96度,这便是“华氏温标”。

有趣的是,水的沸点虽然不是华氏温标的一个固定点,但是这一点恰恰与之重合。以后,为

了使固定更精确,人们便把以冰水混合物的温度定为32度,把在标准大气压下水的沸腾温度

定为212度。

列奥默是一位法国贵族博物学家,他在不知晓华伦海特工作的情况下,沿着不同的路线,探

索着温度计的改良工作。

1683年,列奥默生于法国的拉罗歇尔,他是一位数学家、动物学家。1730年,列奥默引入了

种温标,他把水的冰点和沸点之间划分为80度,这是因为列奥默注意到,酒精和五分之一水

的混合液在从水的冰点加热到沸点时,其体积从1000份膨胀到1080份。但是,由于他忽视空

气压强对液体佛点的影响,他的温度计的测量结果并不理想。列奥默发明的这种温标人们称

之为“列氏温标”。

1742年,瑞典天文学家摄尔萨斯在一篇向瑞典科学院宣读的论文中,建议人们采用一种新的

温标,即“百分温标”,又称“摄氏温标”。他选择了两个固定点,一个是沸水的温度记作

0度,另一个是结冰的温度记作100度,中间分为100个分度。因此,摄尔萨斯当时的情况和

我们

今天恰恰相反:沸腾的水不是100度,而是0度!这个“摄氏温标”使用起来比以前所有的温

度都更令人满意,渐渐地成了科学研究中应用最广的温标。1743年,有人对“摄氏温标”的

方向不太满意,于是,将它倒了过来,取水的沸点为100度,冰点为0度,这种温标便一直延

用至今。

高低可测精确无误

英国科学家卡文迪许是18世纪受人尊敬的一名科学家。18世纪50年代

前后,卡文迪许发明了早期类型的最低

温度计和最高温度计,它们是两个互相独立的仪器。

最低温度计就像一根倒置的虹吸管,长肢封闭,短肢通过一个玻璃球与一个大圆筒连通。玻

璃球和大圆筒原先都装有酒精,水银则从短肢顶端延伸到长肢向上的某一点来表示环境温度

。当温度下降时,圆筒内的酒精收缩,水银从短肢跑进玻璃球内就跑不出来了。如果后来温

度上升了,则短肢上部充入一段酒精柱,其长度同温度上升成正比。短肢上水银高度将表明

温度计比它当时的温度低了多少,如果从现在的高度减去这个差值,就可以知道它所达到

的最低温度是多少了。

最高温度计的外表与普通温度计相差不大,关键在于它的上端:水银柱上部有一部分酒精柱

,上端开口处还有一个小小的玻璃容器。当温度逐渐上升,达到最高时,水银柱顶着酒精柱

达到最高处,多余的酒精便溢出到玻璃容器中。随着温度的下降,酒精柱上方出现了一段空

间,这段空间便能表示它曾达到的最高温度。

18世纪末,西克斯改进制成了组合式最高最低温度计。西克斯通常在晚上去察

看他的温度

计,从左边的指标看看昨天夜里的冷,从右边的指标看看今天白天的热。他将这些记录下来

,然后把一块小磁铁作用于管子被指标贴住的部分,使指标向下移动到水银表面。这样,无

需加热、冷却、分离或扰动水银,也无需移动仪表,便可以使这仪表一动也不动就调整

好了,他便开始准备做另一次记录。

这种温度计的发明对人类生活大有用处。

到了19世纪末20世纪初,科学技术的发展要求更精确的温度计,同时,科学技术的发展也为

更精确温度计的诞生创造了条件。在这一时期,相继诞生了电阻温度计、辐射热计、光测高

温计以及氢温度计、温差电偶温度计等。

今天的温度计已成了一个大家族,由以上各种愈益精确、科学的温度计,便可见一斑,尤其

是进入电子时代以后,小巧灵便的液晶显示温度计更是受人青睐。