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温度计小史: 热度 3 Einstein 2018-9-4 09:00; 按：拙文发表在9月份的《科学世界》，感谢闫凯编辑。刊载时略有删改，这里发布的是初稿。今年的“三伏天”从7月17日开始，8月25日结束，炎炎夏日，大家更关心每天的温度。温度与我们日常生活的关系太密切了，上了年纪的人习惯关注每天《新闻联播》后的“天气预报”节目，年轻人更喜欢直接在手机上查看天气的动态信息，伴随天气变化的气温往往决定了未来几天的穿着或行程。自己或家人身体有些发热，自然会用体温计去测量。今天我们就聊聊有关温度计的故事，首先说温度计的发明，其次谈温标的确立，最后是温度计知识传入我国的过程。一、温度计的发明大家或许想知道，在温度计发明之前，人类是如何表达温度高低的呢？很简单，靠经验描述。你可能还记得战国《列子汤问》中“两小儿辩日”的故事吧，一小儿为“近者热而远者凉”辩护道，“日初出沧沧凉凉，及其日中如探汤”。这便是很朴素的经验性描述。当然，古人还摸索出了稍微高级一点检测温度的办法，比如烧制陶瓷中的“照子”就是一例。那么什么是“照子”呢，简单说就是窑工用于判别窑火温度高低的泥土胚胎。据景德镇陶瓷大学郑乃章教授研究，魏晋南北朝时已经出现照子，不过当时主要用于试验釉色；到了宋元，照子技术已经成熟，通过观察照子的烧结程度，检测窑内制品在最高烧成温度下保温时间的长短。这种技术全靠窑工的经验积累，无法定量、精确检测。温度计的发明是西方近代科学革命的产物，而且是伽利略首先发明了一种利用空气热胀冷缩原理的气体温度计。西方在探究空气热胀冷缩及其运用方面历史悠久，早在古希腊时期，著名的希罗（Hero of Alexandria）就利用这一原理设计出了可用在神庙的自动开门机械。伽利略的气体温度计很简单，就是一根细长的玻璃管，一端开口，另一端是一鸡蛋大小的玻璃泡。使用时，先用手把玻璃泡捂热，然后让玻璃泡一端在上，把玻璃管竖直插入到水中，这便形成了一个简单的气体温度计。当外界空气上升或下降时，玻璃管中水柱就会下降或上升。如果在玻璃管上标识上刻度，便可以指示温度。尽管不清楚伽利略当时是如何标记温度的，但他在一本书中明确提到了度数。不过由于这种温度计会到受到气泡内空气温度以及外界气压的影响，误差比较大。受伽利略的启发，他的朋友、意大利帕多瓦大学的医学教授桑克托留斯（Sanctorio Sanctorius）在1612年发明了一种蛇形的气体温度计，上端的玻璃泡可以放入病人口中，从下方水柱查看病人体温的变化。这是世界上最早的体温计。图1 伽利略的气体温度计鉴于这种气体温度计的缺陷，1632年法国的医生让·莱伊（JeanRey）首次把伽利略的温度计颠倒了过来，让玻璃泡在下方，并且里面充入水，以水为测温物质，温度则通过玻璃管中的水柱体现。但这种温度计玻璃管上方是开放式的，因此会受到水蒸发的影响。液体温度计后续的重大进展是由托斯卡纳的大公斐迪南二世（Ferdinand II）组织完成的，他是佛罗伦萨西芒托学院的创建人之一。他们试验了多种液体，发现酒精的热膨胀效果比较明显；同时他们把玻璃管的上端熔化封闭，这样就制成了世界上的第一支不受外界气压影响的温度计，时间是1654年。 1714年，华伦海特（Daniel Gabriel Fahrenheit）发明了水银温度计。他是一位气象仪器制造者，出生在德国，但一生大部分时间待在荷兰。水银温度计和酒精温度计各有千秋，水银的沸点为357度，故可以测量较高的温度。但由于其凝固点为零下39度，故不能测比之更低的温度。像我国内蒙古根河市，今年1月份有几天气温低至零下50多度，这种情况下水银都成固体了，自然无法使用水银温度计，但是可以使用酒精温度计，因为酒精的凝固点是零下117度。与水银温度计相反，酒精温度计不能测量较高的温度，因为酒精的沸点是78度。华伦海特不但发明了水银温度计，更重要的是开始着手确立温标。二、温标的确立温标是温度数值化的标尺，要确立温标，最重要的是找出几个基准点。1724年，华伦海特选择了三个基准点：为了避免温度中出现负数，选择了氯化铵与冰、水混合物的温度为0度；冰、水混合物温度为32度；把温度计置于人的口中或腋下，可得到人体温度96度。后来人们又做了修订，把水在标准大气压下的沸点确定为212度，这样水的冰点和沸点间算是180度，这便是华氏温标。为了纪念华伦海特，华氏温标的单位记作：℉。目前世界上的主要国家，只有美国还在沿用华氏温标。目前全世界应用最广泛的温标系统是瑞典人摄尔修斯（Anders Celsius）确立的，他一生主要在乌普萨拉大学从事天文学研究，不过因其旁涉温度计量而大名流芳。1742年，摄尔修斯在一篇论文《对温度计上两个固定点的观察》中描述了他的温标系统，这种温标是把标准大气压下水的冰点和沸点之间划分为100度，但当时他采取的是冰点为100度，沸点为0度的方案，这样可以避免低温为负数的结果。但这一方案与人们的习惯相悖，1745年，也即摄尔修斯去年后的第二年，他的同事、瑞典植物学家林奈（Carl Linnaeus）把冰点与沸点的度数颠倒过来，这便是我们现在使用的摄氏温标。不过另有人说，做了这项颠倒工作的是摄尔修斯的继任者马丁·斯特劳莫尔（Martin Stroeme）。无论如何，这种百分温标是创始者是摄尔修斯，为了纪念他，摄氏温标的单位记作℃。显然，从绝对数值上衡量1℉≠1℃，因为摄氏温标的100份在华氏温标下是180份，它们之间有如下转换关系：F=（9C/5 ） +32 图2 瑞典发行的纪念摄尔修斯的邮票前述华氏温标和摄氏温标，均要依赖温度计，或者说依赖于测温物质，比如水银。可不可以找到一种不依赖于温度计的温标体系呢？可以。1848年，英国物理学家威廉·汤姆逊（William Thomson，即后来的开尔文勋爵）确立了一种新的温标——绝对温标，单位为 K 。此温标只有一个基准点，即绝对零度，这是冷到极限的状态，一切原子、分子的热运动都已消失，相当于摄氏温标中的零下273.15度，其分度间隔与摄氏温标相同，因此两者的转换关系为：T（K）=t(℃)+273.15。三、温度计传入我国清康熙年间，在华的传教士最早把温度计相关知识引介到国内。1664年，比利时人、耶稣会传教士南怀仁（Ferdinand Verbiest）完成的《灵台仪象图》就绘有他制作的温度计。灵台就是天文台，当时的地址在如今北京建国门西南侧的古观象台。1671年，南怀仁更是完成了《验气图说》，专门谈温度计的制法、用法和原理。他制作的温度计如图3，在木架上竖立一U形玻璃管，U形管左侧上端连一玻璃球，右侧上端敞开。U形管内注入达到水平线的水（一说烧酒），玻璃球的气体受外界温度影响膨胀或收缩时，液体便会在U形管右臂或左臂上升，左右臂旁标有刻度，可以指示温度。显然，这是一种气体温度计，由于南怀仁在刻度理论上采用了错误的“天地间有三域说”，而且未能及时吸收欧洲已有的实验研究，故这种温度计不具备实测功能。在南怀仁之后，很可能是法国来华的耶稣会士白晋（Joachim Bouvet）留下一份手稿《验气寒暑表说》，现藏梵蒂冈图书馆，中国科技大学石云里教授推测这很可能是他向康熙帝讲解西方科学的讲义之一。在这份讲义中，不但介绍了德国格里克（Otto von Guericke）、英国波义耳（Robert Boyle）就温度计研究的新进展，而且对比了新旧两种温度计。其中旧式温度计是一种气体温度计，而新式温度计便是前述斐迪南二世发明的水银温度计。西方知识的引介、传播过程非常复杂。一方面不能高估清初传教士与皇帝的互动，康熙年间已经传入紫禁城的温度计、气压计等，到了雍正、乾隆时，他们对之仍一脸茫然，因为早年的那些仪器，早已束之高阁。另一方面不能低估好学之士吸收、仿制的能力，比如清初的黄履庄，在扬州时“因闻泰西几何比例，转捩机轴之学”，遂制出诸多奇器，其中就有“验冷热器”，即温度计。黄履庄制作温度计的知识，极有可能来自西学，至于其传播途径如何，已无从考究了。图3 南怀仁制作的温度计最后要说明的是，随着科学技术的发展以及现实测温条件的需要，诞生了多种多样的温度计，大致可分为接触式与非接触式两类。在接触式温度计中，又分为像水银温度计这样的膨胀式，利用电阻随温度变化而改变的热电阻式等。在非接触式温度计中，又分为利用物体热辐射测温的辐射式，利用红外线照射导致元件温度变化的红外线温度计等。愿这篇小文，伴随读者朋友度过一个不用关心温度的清晨、黄昏或午间。; 个人分类: 科普|15125 次阅读|8 个评论

【水煮物理】（16）：春江水暖谁人知: penrose 2009-7-2 17:07; （16）：春江水暖谁人知杨明义《春江水暖》竹外桃花三两枝，春江水暖鸭先知。苏东坡脍炙人口的诗词告诉我们：要知道水的冷暖，唯有自己亲自感受一把，鸭子嬉水固然就为先知了。又若如鱼饮水、冷暖自知以及乍暖还寒时候，最难将息，可见古人对于冷暖的概念大都来自于感官信息。事实上，触觉感知温度往往是不准确的，触觉只有对温差是比较敏感的。假如你刚刚洗个热水澡就把你扔到春江里去，肯定还是得冻个半死，水暖就无从谈起了。要对物质冷热程度进行度量，需要有明确的物理量，它就是温度。从宏观上来说温度代表物体的冷热程度，一块材料是冷是热可以从它的温度是高是低来衡量；从微观上来说，温度就是物体分子热运动的剧烈程度，组成物质的微观分子实际上在平衡位置附近会不断振动，所有分子振动的平均能量就和温度有关。因此，温度变化实际上和能量的转移是分不开的，这类能量转移我们可以称之为热量。物质之间的热量传递会引起温度的变化，但是如何表征温度的高低呢？这就有必要确认一个标准，即取某一个物质的温度作为参考点，这样就可以表示其他物质的温度了，由此成为温标。温度计最早的温标是Fahrenheit在1714年制定的华氏温标，他取氯化铵和冰水混合物的温度为零度，人体温度为100度，把水银的膨胀体积在此之间分成100等份，每一份就是1F。而Celsuis在1740年则取一个标准大气压下的冰水混合物为零度，水的沸点为100度，定出了摄氏温标C。随着参考点和分度法的不同，不同的温标下面对于同一个客观温度可以有不同的数值，这是非常令人烦恼的事情。此外，一般来说测定温度必须采用温度计，水银、酒精、石油等液体温度计是以测温物质膨胀体积和温度关系衡量的，气体温度计可以根据气体压强和温度关系，金属温度计是根据金属电阻和温度的关系，电偶温度计是根据热电势差和温度的关系，无论采取任何测温物质，测得的温度实际上都是在假设除测温属性随温度变化以外其他属性不变的情况下获得的。这样的话，这些依赖于测温属性的温标必然会依赖于测温物质，于是任何温度计似乎都难以测得物体的真正温度。 Celsuis 和 Kelvin 为解决温标的混乱局面，Kelvin根据热力学第二定律提出，可以根据卡诺循环的热量作为测定温度的工具，把热量作为温度的唯一量度，就可以建立不依赖于任何测温物质的温标开氏温标，亦称热力学温标。在热力学温标中，定义水的三相（气、液、固）点为273.16K，对应摄氏温标下一个大气压下水固液线为273.15K（注意和前者有0.01度的区别），也即0C，这样绝对零度0K就是-273.15C。奇妙的量子世界绝对零度是个什么概念？温度为零的时候，就是说物体内部分子热运动不存在，分子被完全冻住了。有人想会不会就是整个世界都彻底清净了？量子力学告诉我们不是如此。微观粒子即使在绝对零度下没有了热运动，但还是存在量子涨落和量子相变等量子过程，并非绝对的静止不动。如前所述，温度和热量传递密切相关，和微观粒子热振动的能量密切相关，若简单言之，温度实际上就代表了能量的一种形式热能。那么处于绝对零度下的微观粒子态系统，就是热能的最低态，在量子力学中叫做基态。微观粒子系统的基态是多种多样了，显示出量子世界的复杂性。关于奇妙的量子世界，《水煮物理》的后半部分将会逐一为您揭示，此处暂且略过。热力学第三定律指出，绝对零度是不能通过有限次降温实现的，它只是一个可以无限逼近的理想值。人类获得低温的方法有很多，诸如用氦气减压制冷可以达到1K左右，用He3和He4同位素进行稀释制冷可以达到mK（千分之一）量级，利用绝热去磁技术可以达到千万分之一K，而用激光制冷可以达到十亿分之一K。随着温度的一步步降低，许多奇妙的量子现象就会呈现。如超导（电阻消失、磁力线排出物体外）、超流（流体不呈现粘滞性，具有很好的热导率）、玻色爱因斯坦凝聚（所有原子同时降到能量最低态）等等。液氦超流与碱金属原子的玻色爱因斯坦凝聚低温下神奇的量子现象从低温到高温的物理世界是非常丰富多彩的，在文章的最后我们就举例来见识一下： 2.7K也即约-270C 是我们宇宙现在的平均温度，是宇宙大爆炸后残留的微波背景辐射温度； -240C是冥王星和海王星的温度，因为它们离太阳很远，接收到得热量也就很少； -170C，是生命存活的极限，只有大肠杆菌之类的才能存活。当然有一种更为牛的水熊虫，居然能在太空中（-270C ）冻几个小时还能存活！水熊虫 -130C是地球上出现的最低气温，在南极的最高峰文生峰顶； -50C是中国境内出现的最低气温，在黑龙江漠河； -10C是人类能够长期正常生活的温度； 0C 是水的冰点（固液线）； 30C是蚊子最适宜的温度，温度太高了它会热死，太低了会停止繁殖，所以杀死蚊子的办法要么是热死它，要么就冻死它吧！ 40C是人类体温的极限，如果连续几天高烧40C以上，那基本上就要挂了； 90C海底火山微生物生活的环境温度，它们能在几乎是沸水中活着，真了不起！ 800C是火山熔岩的温度，地球内部是一个炙热的地方！ 6000C是太阳表面的温度，太阳是一个巨大的核聚变反应球，温度高是必然的； 8000C是牛郎星的温度，太阳热也比不过牛郎的心热啊，而织女星要在10000C左右，真是一对热恋的情人！十万摄氏度是星云的温度，超新星爆发时候会抛出大量星云物质，死也死的壮烈！一千万摄氏度是中子星表面，这是密度最大的星球，一个芝麻粒大小估计就得万吨货轮才运的动！一亿摄氏度，这是人类创造的最高温记录，在普林斯顿大学的核聚变反应堆中实现的。十亿摄氏度以上，这么高温度目前只有一种时期可以实现宇宙大爆炸的时候，大爆炸之后3秒左右时间降到了这个温度，至于大爆炸附近的温度，那简直是要多高有多高宇宙大爆炸到现在的宇宙是一个从热到冷的降温过程; 个人分类: 水煮物理|10162 次阅读|11 个评论

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