人類從很久以前就開始探尋測量溫度的方法,,盡管那時(shí)候人們還沒有“溫度”這個(gè)詞的概念,,但人們會用身體的感覺來定義冷熱變化。如今,,溫度計(jì)經(jīng)歷400多年的發(fā)展,,早已不再局限于環(huán)境溫度測量和體溫測量,而是為我們生活,、生產(chǎn)中的各個(gè)方面需求提供精確的溫度數(shù)據(jù),,且已形成一個(gè)分門別類的科學(xué)——溫度計(jì)量學(xué)。
今天,,我們就來對溫度計(jì)發(fā)展史做一個(gè)簡單的梳理,。
憑經(jīng)驗(yàn)感知溫度變化——冰瓶、火候
在古代,,人們一般用身體的感覺來定義冷熱變化,。除此之外,古人還發(fā)現(xiàn)了許多方式能感知外界環(huán)境溫度的變化,。
早在先秦時(shí)期,,古人就會利用裝水的瓶子來觀察溫度變化?!秴问洗呵?middot;慎大覽·察今》中有這樣的說法:“見瓶水之冰,,而知天下之寒、魚鱉之藏也,。”意思是在瓶子中裝上水,,如果水結(jié)冰了,,就可以知道氣溫很低,進(jìn)入寒冬,;如果冰融化了,,則氣溫回升。這種瓶子被稱為“冰瓶”,,可以說是中國最原始的一種溫度計(jì),。在金屬冶煉或燒制陶瓷的過程中,歷代工匠都會以火焰顏色來判斷爐內(nèi)溫度的高低,。
原理:冰瓶是古人利用水在不同溫度下的形態(tài)變化來推測環(huán)境冷熱變化的方法,,火候則是古人創(chuàng)造的一種高溫目測技術(shù)。但這都只是經(jīng)驗(yàn)感知,,無法精確測量,。
世界上第一支溫度計(jì)——伽利略氣溫計(jì)
在溫度計(jì)發(fā)明之前,了解病人熱度的工具只有手,。那時(shí),,醫(yī)學(xué)上已經(jīng)知道病人的病情和他身體的冷熱相關(guān),但如果碰巧那天醫(yī)生也有輕微發(fā)熱,,或是剛剛摸了比較涼的物體,,就會出現(xiàn)不準(zhǔn)確的結(jié)果。所以,,伽利略想發(fā)明一個(gè)可以測量熱度的工具,。1593 年,伽利略最早將空氣的熱脹冷縮現(xiàn)象應(yīng)用到溫度計(jì)的發(fā)明中,。
原理:當(dāng)被測的物質(zhì)(空氣)與玻璃泡接觸的時(shí)候,,玻璃管內(nèi)上方的空氣就會因?yàn)闊崦浝淇s而發(fā)生體積變化,使有色液柱相應(yīng)地上升或下降,。參照玻璃管上標(biāo)明的一些數(shù)字,,就能測出該物質(zhì)的具體溫度。這就是世界上第一支標(biāo)有刻度的溫度計(jì)——氣體溫度計(jì),。
主要存在的問題:氣體的體積不僅受到溫度的影響,,還受到大氣壓的影響。而此時(shí),,人們還不知道氣壓的存在,,因此伽利略氣溫計(jì)并不準(zhǔn)確,測量誤差較大,,但伽利略沒能解決這個(gè)問題,。
第一次改進(jìn)——蛇形溫度計(jì)問世
1611 年,伽利略的學(xué)生??送辛羲乖诘谝恢鉁赜?jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)?,F(xiàn)在看起來,,改進(jìn)后的溫度計(jì)非常古怪。他將氣溫計(jì)的直管改成了一個(gè)蛇形彎管,,將玻璃泡體積縮小,,以便塞到病人的嘴巴里。他還在玻璃彎管上面刻了大約110 個(gè)刻度來指示溫度的變化,,用于測體溫,。這就是世界上最早的體溫計(jì)。
原理:仍然是空氣的熱脹冷縮,,變細(xì)、變長的玻璃管可以使測量精確度更高,,而彎管更方便使用和讀數(shù),。
主要存在的問題:仍然沒有擺脫大氣壓的影響,因此測量也不準(zhǔn)確,;而且,,當(dāng)時(shí)還沒有出現(xiàn)溫度的統(tǒng)一衡量標(biāo)準(zhǔn)。
改進(jìn)的方向:擺脫大氣壓的影響(將氣體換成液體),,更小巧,,攜帶更方便。
第一支液體溫度計(jì)——從水到酒精的變化
1650 年,,意大利的費(fèi)迪南首先選擇水做液體溫度計(jì),,但存在兩個(gè)問題:一是水的熔沸點(diǎn)決定了以水做的溫度計(jì)的測量范圍較小(0~100℃),;二是水有一個(gè)特殊性質(zhì),,即在4℃時(shí)密度最大、體積最小,,也就意味著水在0~4℃時(shí)是熱縮冷脹的“反膨脹”現(xiàn)象,,因此在4℃以下測量就不準(zhǔn)了,還會將玻璃外殼撐爆,。
費(fèi)迪南嘗試了多種液體,,最后選擇了簡單易得的酒精。因?yàn)榫凭哪厅c(diǎn)要低得多,,且熱脹冷縮現(xiàn)象很明顯,。但是,酒精溫度計(jì)也存在問題:酒精的沸點(diǎn)為78 ℃,, 凝固點(diǎn)-117 ℃( 測量范圍為-117~78℃),,因此酒精溫度計(jì)雖然能在低溫下使用,但是不能測量超過78℃的物體,,如開水的溫度,。
原理:液體的熱脹冷縮,。
主要存在的問題:測量范圍不夠大。
改進(jìn)的方向:使用沸點(diǎn)更大的,、熱脹冷縮現(xiàn)象明顯的液體,。
第一支水銀溫度計(jì)——現(xiàn)代溫度計(jì)的雛形
1659 年,法國天文學(xué)家布里奧利用水銀沸點(diǎn)較高的特性,,制作了第一支水銀溫度計(jì),,測量范圍為-39~357℃。這樣的溫度計(jì)已具有現(xiàn)代溫度計(jì)的雛形,。
原理:液體的熱脹冷縮,。
主要存在的問題:有一定的測量范圍,下限較高,,不適合在較冷的地區(qū)使用,;水銀有揮發(fā)性,且有毒性,。
現(xiàn)代測溫技術(shù)——溫度計(jì)的大發(fā)展
隨著科技的發(fā)展,,各種各樣的溫度計(jì)層出不窮,為我們的日常生產(chǎn)和生活提供各種品質(zhì)的溫度量值,,比如熱電偶溫度計(jì),、紅外測溫儀。而這一切都是從伽利略氣溫計(jì)慢慢發(fā)展而來的,,相信在未來,,還會有更多種類的溫度計(jì)來讓我們的生產(chǎn)和生活更加便利。
原理:溫度計(jì)已經(jīng)不再依靠熱脹冷縮現(xiàn)象,,而是由溫度變化引起其他量(如電阻等)的變化,,再通過數(shù)據(jù)處理,呈現(xiàn)溫度值的變化,。
文/王聰聰 圖/網(wǎng)絡(luò)