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在日常生活,溫度計給人們帶來了諸多方便和益處:測量體溫、氣溫等、然而有關溫度計的發明及發展卻少有人知。

熱脹冷縮 冷暖可知

在日常生活中,人們發現世界上很多物質都具有熱脹冷縮的特性。公元前3世紀就有人做實驗來演示空氣的熱脹冷縮,然而人們都沒有想到利用它來測量溫度。

1581年,還在義大利的比薩大學學習醫學的伽利略萌發出發明溫度計的想法。從此,伽利略一頭鑽進了“熱脹冷縮”世界中去了。然而,發明創造並非一蹴而就之事,他必須具有靈敏的腦袋和靈巧的雙手,必須經過認真仔細的思索和堅持不懈的努力,才能最後取得成功,溫度計的發明同樣如此。

一晃10多年過去了,1593年伽利略經過反覆實驗和不懈努力,終於發明了第一支空氣溫度計。這種儀器結構非常簡單,但以前從未有人想到過:它是一根玻璃管,一端開口,另一端有一小泡,然後將它注滿水,並將開口的一端立於水盆內的水面之下,這樣,小泡內出現了一個含有空氣的空間。如果用手握緊小泡,就會使泡內空氣受熱膨脹,越熱膨脹得越厲害,小泡中的空間也越大;相反,小泡內空氣就變冷而收縮。如果在玻璃管邊上裝一個標尺,用來測定水的高度變化,也就可以確定空氣溫度的變化了。 就在伽利略發明第一支空氣溫度計之時,他的一位朋友帕多瓦大學的醫學教授桑克託留斯則在用一種特殊的驗溫器來指示人體溫度的變化,這種獨特的驗溫器可以說是世界上最早的體溫計了。

桑克託留斯發明的這種體溫計像一條蛇形,球狀的上端可放在病人的口中,管子下端放在一個盛水的容器內;蛇形管的刻度用玻玻珠標示,玻璃珠之間的距離則是任意的。雖然這是一個粗糙的儀器但桑克託留斯卻利用它發現了人體在健康和患病時的體溫變化。

不同尋常更進一步

然而,伽利略的溫度計很不精確,既不能測低溫,又不能測高溫:溫度太低玻璃管內的水會結冰,溫度太高水又會汽化。而且,由於大氣壓強變化的影響即使溫度不變,玻璃管內的水的高度也會有所差異。

首先對伽利略的溫度計加以改進的是一位名叫雷伊的法國化學家。1632年元旦,雷伊給他朋友寫了一封信,信中提出了一種液體溫度計,他建議把伽利略的溫度計反過來裝,在泡裡充水,管子裡充空氣,用水的膨脹來指示溫度,他在信中這樣寫道:“使用的時候,將泡充滿水直到頸部。把它放在陽光下或一個發燒病人的手中,熱會使水膨脹而上升,上升多少則根據熱的高低而定。”但是,雷伊的液體溫度計由於沒有把玻璃管的上端封閉,水的蒸發就會帶來較大的誤差。

後來,在意大利托斯卡納大公爵斐迪南二世的指導下,佛羅倫薩的院士們提出了將管子密封的設想,他們將玻璃泡裝上酒精,然後熔化玻璃尖把它密封,並把刻度附在玻璃管上。這就是第一個與大氣壓強無關的溫度計。

1659年,巴黎的文學家布里奧製造出了第一支用水銀作為測溫物質的溫度計。這樣,溫度計可測的溫度範圍就更大了。德國物理學家蓋裡克在1660年至1662年建立了一個很不尋常的溫度計。蓋裡克發明的獨特的溫度計有近20英尺長,它由一個繪成藍色,上面嵌著金星的銅球殼和1英寸寬的鋼管連線而成,銅管彎成一個很室很窄的U形,管內灌入了一些酒精。U形管較短一臂的頂端是開口的,酒精液麵上漂浮著一個微小的倒扣著的銅箔杯,它與一根繩子連著,繩子繞過懸掛在球殼下的滑輪,繩子的另一端是一個帶翅暗的小天使,用小天使來指示管子上的刻度。大銅球殼的一測加了一道閥門,用空氣泵排除空氣用以調節酒精的高度。當銅球內的空氣膨脹時、U形管開口一端的酒精就上升,小天使則下降;相反,當空氣收縮時,小天使就上升。

蓋裡剋制造的這個巨大的溫度計安裝在房子背陰的一面,它上面的7個標度,從”大熱”開始一直到“大冷”。當時這個溫度計非常引人注目。

攻克“溫標”諸氏爭鳴

自從伽利略製成第一支空氣溫度計開始,人們就碰到一個難題,那就是”溫標”——如何確立溫度計的共同的標準。首先意識到這一問題的是英國著名物理學家玻義耳,玻義耳一邊思索著解決的方法,一邊實驗著。經過一番鑽研,玻義耳建議用茴香油放在酒精溫度計的周圍,讓油凝固,記下當茴香油開始凝固時的酒精高度,然後再計算酒精的膨脹。

玻義耳有個助手,名叫胡克,由於一個偶然的靈感,他製成了一支清晰易辨的溫度計,它裡面灌著紅色的酒精。胡克製造的溫度計變化非常大,夏天可以膨脹到頂端,冬天可以降低到底部。在杆上刻度時,胡克先把它放在正在凝固的蒸餾水中,把它停留的位置當作零,再根據液體的膨脹程度分度。

法國科學家阿蒙頓,他於1702年改進了伽利略溫度計。他的溫度計是由一個恆定體積的玻璃泡和一個U形管較短的一臂連線而成,U形管較長的一臂內的水銀柱高度表示所測得的溫度。阿蒙頓的溫度計測出的溫度與大氣壓強無關,因此,不同地方的溫度計讀數可做比較,但是由於他選擇水的沸點作為一個固定點,這又與大氣壓強有關,結果還是不能取得較高的準確度。

同時期的牛頓發現了固體冷卻定律和他對溶解與沸騰溫度穩定性的觀察,對溫度計的發展至關重要。到了18世紀,由於物理學、醫學和氣象學等各個方面日益發展的需要,對溫度測量的要求越來越高。真所謂“時勢造英雄”,在這樣的形勢下,有3位科學家脫穎而出,他們便是華倫海特、列奧默和攝爾薩斯。

阿姆斯特丹一個有名的科學儀器製造家華倫海特,最初是用酒精來製作溫度計的,直到1714年,28歲的華倫海特才製造了現在仍以他的名字命名的那種水銀溫度計,在他的溫度計上,他選了3個固定點:第一點取冰、純水和氯化銨混合物的溫度定為0度;第二點取無鹽的冰水混合物的溫度定為32度,稱之為凝結的起點;第三點取溫度計插入人體口中或置於腋下的溫度定為96度,這便是“華氏溫標”。

有趣的是,水的沸點雖然不是華氏溫標的一個固定點,但是這一點恰恰與之重合。以後,為了使固定更精確,人們便把以冰水混合物的溫度定為32度,把在標準大氣壓下水的沸騰溫度定為212度。列奧默是一位法國貴族博物學家,他在不知曉華倫海特工作的情況下,沿著不同的路線,探索著溫度計的改良工作。

1683年,列奧默生於法國的拉羅歇爾,他是一位數學家、動物學家。1730年,列奧默引入了一種溫標,他把水的冰點和沸點之間劃分為80度,這是因為列奧默注意到,酒精和五分之一水的混合液在從水的冰點加熱到沸點時,其體積從1000份膨脹到1080份。但是,由於他忽視空氣壓強對液體佛點的影響,他的溫度計的測量結果並不理想。列奧默發明的這種溫標人們稱之為“列氏溫標”。

1742年,瑞典天文學家攝爾薩斯在一篇向瑞典科學院宣讀的論文中,建議人們採用一種新的溫標,即“百分溫標”,又稱“攝氏溫標”。他選擇了兩個固定點,一個是沸水的溫度記作0度,另一個是結冰的溫度記作100度,中間分為100個分度。因此,攝爾薩斯當時的情況和我們今天恰恰相反:沸騰的水不是100度,而是0度!這個“攝氏溫標”使用起來比以前所有的溫度都更令人滿意,漸漸地成了科學研究中應用最廣的溫標。1743年,有人對“攝氏溫標”的方向不太滿意,於是,將它倒了過來,取水的沸點為100度,冰點為0度,這種溫標便一直延用至今。

高低可測 精確無誤

英國科學家卡文迪許是18世紀受人尊敬的一名科學家。18世紀50年代前後,卡文迪許發明了早期型別的最低溫度計和最高溫度計,它們是兩個互相獨立的儀器。

最低溫度計就像一根倒置的虹吸管,長肢封閉,短肢透過一個玻璃球與一個大圓筒連通。玻璃球和大圓筒原先都裝有酒精,水銀則從短肢頂端延伸到長肢向上的某一點來表示環境溫度。當溫度下降時,圓筒內的酒精收縮,水銀從短肢跑進玻璃球內就跑不出來了。如果後來溫度上升了,則短肢上部充入一段酒精柱,其長度同溫度上升成正比。短肢上水銀高度將表明溫度計比它當時的溫度低了多少,如果從現在的高度減去這個差值,就可以知道它所達到的最低溫度是多少了。

最高溫度計的外表與普通溫度計相差不大,關鍵在於它的上端:水銀柱上部有一部分酒精柱,上端開口處還有一個小小的玻璃容器。當溫度逐漸上升,達到最高時,水銀柱頂著酒精柱達到最高處,多餘的酒精便溢位到玻璃容器中。隨著溫度的下降,酒精柱上方出現了一段空間,這段空間便能表示它曾達到的最高溫度。

18世紀末,西克斯改進製成了組合式最高最低溫度計。西克斯通常在晚上去察看他的溫度計,從左邊的指標看看昨天夜裡的冷,從右邊的指標看看今天白天的熱。他將這些記錄下來,然後把一塊小磁鐵作用於管子被指標貼住的部分,使指標向下移動到水銀表面。這樣,無需加熱、冷卻、分離或擾動水銀,也無需移動儀表,便可以使這儀表一動也不動就調整好了,他便開始準備做另一次記錄。

這種溫度計的發明對人類生活大有用處。

到了19世紀末20世紀初,科學技術的發展要求更精確的溫度計,同時,科學技術的發展也為更精確溫度計的誕生創造了條件。在這一時期、相繼誕生了電阻溫度計、輻射熱計、光測高溫計以及氫溫度計、溫差電偶溫度計等。

今天的溫度計已成了一個大家族,由以上各種愈益精確、科學的溫度計,便可見一斑,尤其是進入電子時代以後,小巧靈便的液晶顯示溫度計更是受人青睞。

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