温度计及温标的发展历程

浙江省宁波市宁波中学 朱敏 选自《中学物理教学参考》2009年第3期

温度计是利用物质的某些物理属性（如三态物质的体积，金属或半导体的电阻等）随温度而变化的原理制成的测温仪器。这种看似简单的仪器，却经历了曲折的发展过程，经过众多科学家数百年的努力才得以完善。当人们对热现象从定性向定量研究发展时，首先遇到的问题就是如何确定物体的温度。温度计的发明与改进，对热学发展无疑具有重要的意义。

一、温度计的诞生及其早期发展

1593年，意大利科学家伽利略（1564～1642）在实验中发现了气体的热胀冷缩现象，他提出了利用气体的这种特性来测量温度的设想。经反复思考、实验，伽利略发明了最早的温度计（如图1）。他的第一只温度计是一根一端敞口的玻璃管，另一端带有核桃大的玻璃泡；使用时先给玻璃泡加热，再把玻璃管倒插入水中，随着温度变化管中水面会上下移动，根据移动的多少即可判定温度的变化和高低。因这个温度计受大气压和温度的共同影响，故它实际上是一个温度气压计。所有早期温度计的管泡内都含有空气，并且管上的刻度是任意刻画的，按现代标准来看它们都不够完善。

1632年，法国医生让•莱伊对温度计作了一个重大改进。他倒转了伽利略温度计，将水注入玻璃泡内而将空气留在玻璃管中，即用水的膨胀来指示温度；但让•莱伊没有封闭玻璃管上端，水的蒸发使测量经常出现误差。1641年，意大利托斯卡纳大公费迪南德二世用有色酒精代替水作为测温液体，并将螺旋状玻璃管上端密封，同时把刻度附在玻璃管上，制成了不依赖大气压的液体温度计（如图2）。

意大利西芒托学院的成员为酒精温度计选择了两个固定温度点，把间隔分成80或40个等份，并规定其中一个固定点是在最冷冰冻期的雪或冰的温度，而另一固定点为奶牛或鹿的体温。他们发现冰的熔点为常数，并在温标中记为13.5度。这种温度计在佛罗伦萨用于气象观察达16年之久。但酒精温度计有个大缺点，因酒精沸点是78℃，当温度高于78℃时酒精会沸腾变成气体，故一般酒精温度计不能测量78℃以上的温度。

外观精美的酒精温度计后经英国、波兰传到法国。1657年，法国天文学家布利亚得到这样一个温度计后进行了改良，第一次将水银作为测温物质；他从1658年5月至1660年9月作的温度记录是现存最古老的温度记录。水银沸点为357℃，这就大大扩大了温度测量范围。但水银温度计也有其弱点，水银在－39℃时会凝固，所以它又不能测太低的温度。

二、温标的确定和发展

为了确定物体温度的数值，应给出温度的数值表示法——温标。虽然意大利西芒托学院为温度计选择了两个固定温度点并把其中间隔分成适当的等份，但在使用过程中有人对他们选择的固定温度点并不满意，提出了种种改进方法。

阿蒙顿在1702年改进了伽利略的空气温度计，并且选择水的沸点作为一个固定点，但他不知道水的沸点取决于大气压强。因此，这种温度计测得的温度数值准确程度不够高，但是阿蒙顿在他的研究过程中第一次提出了绝对温度概念。

1．华氏温标

受阿蒙顿影响，华伦海特开始研究温度计的精确结构，他对阿蒙顿关于沸点恒定性的研究很感兴趣。由于想知道各种液体的性质，他做了一系列实验，发现每一种液体都像水一样有一个固定沸点，且沸点会随大气压变化而变化，这一发现对精密计温学是一个很大贡献。华伦海特制作的温度计以人体血液温度和结冰盐水混合物的温度为上下两个固定点，并把其间分成96等份，每等份为一度；他还把冰点定为32度，沸点定为212度，这就是华氏温度，常用“℉”表示。在我国，这种温标应用较少，而在英美等国被广泛使用。

2．摄氏温标

尽管华伦海特在温度计的刻度准确性上取得了成功，但有人认为用人体血液温度作温度基准点并不理想，因为不同健康人的血液温度不完全相同；因此许多人又开始研究更先进的刻度方法。1730年，法国博物学家列奥米尔建议在温度计中使用酒精和水的混合液代替水银，他提出把水的凝固点作为0度、在标准大气压下的沸点定为80度，这就是列氏温标。列氏温标公布后，瑞典天文学家摄尔修斯认为从0到80的刻度有些别扭。1743年，他提出用水的沸点作为0度，将冰的熔点记为100度，理由是在标准大气压下水的沸点和冰的熔点都非常确定，容易生产重复性好的温度计，他的这种刻度方法受到了普遍欢迎。8年后摄尔修斯的同事施勒默尔将摄氏标度倒转过来，即以冰的熔点为0度、以水的沸点为100度，这就是现在得到世界公认的摄氏温标。由于百分刻度是摄尔修斯首先提出来的，所以用摄尔修斯名字的第一个字母“C”表示摄氏温度“℃”。

华氏温标与摄氏温标的关系为t_F＝9t_c/5＋32℉。

摄氏温标由于所选量度体系同测温物质的特殊性质有关，因此各种不同的摄氏温度计在测量同一对象的温度时，所得结果只有冰点和沸点相同外，其他温度出现了差异。产生差异的原因是：第一，温标的确定依赖某一物质的特殊性质；第二，选择测温属性所对应的物理量与温度变化的关系不一定是线性的。虽然测温差异较小，实用上可忽略，但是温度在热力学理论中是一极为重要的概念，所以还是必须有一个统一的标准。

3．理想气体温标

在摄氏温标中，所选水的冰点和沸点两个固定点由于随压强变化而变化，因此1954年国际上规定只用一个标准固定点来建立温标，即选取水的三相点（水蒸气、水和冰三相共存的温度点）作为固定点，并取水的三相点温度为273.16K。

把理想气体作为测温物质，并选择其体积或压强为测温属性所对应的物理量制成的温度计称为气体温度计。当气体温度计的测温泡内的气体极其稀薄时，无论是定容还是定压变化，也无论泡中装的是什么气体，各种气体温标都趋于同一极限值，这个极限温标叫做理想气体温标。因理想气体温标不依赖任何一种气体的特性，故可把它作为标准温标。

但上述温标还不一定是最好的，因为它仍然同所选测温物质一理想气体的共同属性有关，对极低温度（气体液化点以下）和高温就不适用，在这些温度范围内的气体已不成理想气体了。因此，理想气体温标的整个量度体系仍然建立在气体特性的基础上。

是否可以建立一种完全不依赖任何测温物质及其物理属性的温标呢？回答是肯定的。

4．热力学温标

英国物理学家开尔文在热力学第二定律的基础上根据卡诺定理建立的热力学温标，完全不依赖任何测温物质及其物理属性，而且有着根基牢固的理论基础，定义严谨，所以国际上规定热力学温标为基本温标。虽然这一温标难以按其定义去实践，但可以证明，在理想气体温标所能确定的温度范围内，热力学温标与理想气体温标所确定的温度相等，从而使热力学温标通过理想气体温标而具有现实意义。后人为了纪念开尔文的贡献，把热力学温标又叫开尔文温标，用K表示这种温标定出的温度单位（例如，水的三相点，热力学温度为273.16K），K是现行SI单位制中的七个基本单位之一。

1960年国际计量大会对摄氏温标作了新定义，规定它由热力学温标导出，两者关系为t_c＝T－273.15 K，即规定热力学温度T＝273.15K为摄氏温标的零点温度（t＝0℃），摄氏温度单位仍叫摄氏度，写成℃，用摄氏度表示的温度差也可以用开（K）表示。

三、现代温度计

在现代化生产和科研中，常需要测量高热极冷的温度，也需要精度非常高的温度计。所以随着科学技术的发展，科技工作者又制造出了各种性能良好的温度计。

1．红外温度计

一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有十分密切的关系。因此，通过对物体辐射红外能量的测量，便能准确地测定其表面温度，这就是红外辐射测温所依据的物理原理。例如耳朵电子温度计，通过红外线两三秒即可测出体温，适合婴孩和儿童使用。

2．液晶温度计

用不同配方制成的液晶其相变温度不同。当它发生相变时其光学性质也会改变，使液晶看起来就像变了色。若将不同相变温度的液晶涂在一张纸上，则由液晶颜色的变化便可知道其温度。液晶温度计的优点是读数容易，缺点则是精度不足，常用于观赏用鱼缸中以指示水温。

3．电阻温度计

一般金属的电阻会随温度升高而增大，在温度变化不大的情况下其电阻与温度呈线性关系，在更大的温度范围则通常可用简单的二次多项式表示。通过测量金属电阻便可知道温度是多少，利用这一原理制成的电阻温度计通常用铂制成，可精确到10^-4℃，常用于精密测温。由于铂的熔点高，所以可测温度范围较大，约在－250℃至1200℃左右。

4．转动式温度计

转动式温度计由一卷曲的双金属片制成，双金属片一端固定、另一端连接指针。两金属片因膨胀性能不同，在不同温度下造成双金属片卷曲程度不同，指针则随之指在刻度盘上的不同位置，从刻度盘读数便可知其温度。

5．半导体温度计

半导体的电阻变化规律和金属不同，温度升高时其电阻反而减小，且变化幅度较大，因此小范围温度变化也可使其电阻产生明显变化。据上述规律所制成的半导体温度计有较高的精密度，常被称为感温器。

6．热电偶温度计

热电偶温度计由两条不同金属连接一个灵敏电压计组成（如图3），金属接点在不同温度下会在金属两端产生不同的电势差。因电势差非常微小，故需灵敏电压计才能测得；再由电压计读数即可知道所测温度。

7．光测高温计

物体温度若升高到会发出大量可见光的程度时，便可利用热辐射亮度和温度的关系来测量高温，这种温度计即光测温度计。光测温度计主要由装有红色滤光镜的望远镜及一组带有小灯泡、电流计与可变电阻的电路制成。测温前，应先建立灯丝不同亮度所对应温度与电流计读数的关系；测温时，将望远镜对准待测物，调整电阻使灯泡亮度与待测物亮度相同，这时从电流计便可读出待测物的温度。因为测温时不需将仪器与被测物接触，因此光测温度计可用来测量金属熔点以上的温度。

发布时间：2010/1/19 下午3:50:29  阅读次数：15118