温度计的前世今生(1)
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温度计的发明—从伽利略的“气体”开始
在中国战国前期,哲学家列子—本名列御寇所著的古书《列子·汤问》中,就有“两小儿辩日”的故事,也有“近者热而远者凉”的描绘。这就是关于温度最朴素的经验性描述。当然,还有稍微高级一点的测温办法,烧制陶瓷时用的“照子”就是一例。景德镇陶瓷大学的郑乃章教授研究后说,魏晋南北朝时期已经出现的“照子”,是窑工用于判别窑火温度高低的泥土胚胎。到了宋元时期,“照子技术”更加成熟—通过观察“照子”的烧结程度,就能检测窑内制品在最高烧成温度下保温时间的长短。但是,这种技术全靠窑工的经验积累,无法定量地精确检测。所以,温度计是西方近代科学革命性发明的产物。
1592年的一天,意大利物理学家和数学家伽利略正在威尼斯的帕多瓦大学讲课,边讲边做加热水的实验。
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“罐内水温升高的时候,为什么水面会上升?”伽利略问学生。
“因为水温升高的时候体积增大,水面就上升;水温下降的时候体积减小,水面就下降。”学生回答说。
听到学生的回答,伽利略偶然联想到此前遇到的一个问题。
原来,曾有一些医生找过伽利略,恳求他说:“先生,人生病的时候体温一般会升高,能不能想个办法,准确测出体温,帮助诊断病情呢?”
联想到这一问题,伽利略就在学生回答的启发下,利用热胀冷缩原理,经多次研制,于1593年发明了泡状玻璃管温度计。这个温度计的顶端是一个玻璃泡,和它相连的玻璃管中装着有色液体,倒置在装有水的杯子中来测量温度。它的工作原理是,当被测温度的物质(这里是空气)与玻璃泡接触的时候,玻璃管内上方的空气就会因为热胀冷缩而发生体积变化,使有色液柱对应下降或上升;玻璃管上标明一些可作标准的“热度”—現在所说的温度。这就是世界上第一支标有刻度的温度计—气体温度计。显然,气体温度计是不完善的—大气压强的变化也会使液柱升降。
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当然,用气体的热胀冷缩性质来测量温度的想法,在伽利略之前早就有了。例如,古希腊科学家菲隆和亚历山大·希隆就制造过基于空气膨胀原理的测温器。
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伽利略和他的气体温度计
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温度计的演进—从气体到液体、固体
1612年,伽利略的同事和朋友、帕多瓦大学的生理学家和医生—桑克托里奥·桑克托留斯教授,对伽利略的气体温度计进行了改进,设计出一种蛇状玻璃管气体温度计。它的内部有红色液体,空气膨胀时就把液体往下压,再从玻璃管上刻的110个刻度看出温度的变化,可用于测量体温,是世界上最早的体温计。
, 百拇医药 鉴于桑克托留斯的温度计不太准确的缺点,法国医生、化学家兼物理学家詹·雷伊在1632年,把伽利略的玻璃管颠倒过来,并直接利用水而不是空气的体积变化来测量物体的冷热程度。但是,因为这种温度计的管口没有密封,会因水的蒸发而产生误差。这是第一支用水作为测温物质的温度计。
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▲ 桑克托留斯和他的气体温度计,可测体温
1641年,第一支以染红的酒精作为测温物质的温度计,首次出现在意大利托斯卡纳大公斐迪南二世的宫廷里。1644~1650年期间,他将其不断完善而成为具有现代形式的温度计:用蜡将装有红色酒精的玻璃管口封住,在玻璃管上标上刻度。因此,一些人将温度计的发明归功于这位大公。1654年,这种温度计已在佛罗伦萨普及使用。
另外的一种说法是,在1629年,伽利略在帕多瓦大学的另一位同事—意大利物理学家兼犹太教师约瑟夫·德米蒂哥,出版了一本书,名为《花园中的喷泉》。书中的一幅插图,展示了一个盛有白兰地的玻璃泡温度计,旁边写着文字“oleb”(上升),这才是第一支温度计。但是,这支温度计的发明者却没有明确记载,很可能是伽利略或者德米蒂哥。
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斐迪南二世和他的酒精温度计
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1646年,意大利物理学家莱纳尔第尼明智地建议,以水的冰点和沸点作为刻度温度计的两个定点。但无奈的是,当时流行的酒精温度计内酒精的沸点(78.5 ℃)低于水的沸点(100℃)。所以,如果用水的沸点为第二个定点,这对酒精温度计显然不切实际,所以这一建议当时没能被采纳。这里需要说明的是,国际度量衡委员会在1989年发出通知,从1990年1月1日起,水的沸点定为99.975 ℃。
1658年,法国天文学家、数学家兼天主教神父—“科学史上最具魅力的人物”伊斯梅尔·博里奥,制成了第一支用水银作为测温物质的温度计。他值得一提的故事之一是:早于英国物理学家和数学家艾萨克·牛顿等人,最先偶然发现了计算万有引力的公式,但博里奥后来又否定了这个正确的公式。, 百拇医药(陈仁政)