第六章 分子与气体定律参考资料

1．中国的《易经》和五行说

古代中国人对世界构成本原的认识，现在可以见到的最早的著作叫《易经》，大约是3000年前的版本，也叫《周易》。《易经》认为万物都源于天地，而天地来源于无，叫“无极生太极，太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦”。就是说宇宙是从无中诞生的，起初是两种东西，一个是阴，一个是阳，阳气上升为天，阴气凝结为地。而天地相交变化出万物，而万物之中最基本的有八种，它们是天、地、雷、火、风、泽、水、山。

战国末年的《尚书》中提出了五行学说，即水、火、金、木、土，而在稍后成书的《国语》中，五行说较明显地表示了万物原始的概念，书中有这样的话：“故先王以土与金、木、水、火杂，以成百物。”意思是说，万物都是由五种元素金、木、水、火、土混合而成的，《国语》还认为五行有相生相克的关系。人们意识到不同的物质只有相互组合在一起，方能起作用，产生新物质，这也可以说是原始的化合思想。

（摘自世界科普画廊《微小世界》浙江教育出版社）

2．玻意耳（Robert Boyle，1627~1691）

玻意耳，英国物理学家、化学家。1627年1月25日出生于爱尔兰的利斯莫尔。幼年就聪慧过人，有超人的记忆力和非凡的语言才能。1635年进伦敦西郊的伊顿公学学习。1639年至1644年在瑞士、法国、意大利学习，1644年继承了父亲的一笔财产，定居在多尔塞特，博览了自然科学、哲学、神学等方面书籍。当时他还经常参加由他姐姐邀请的一些著名科学家的聚会，去听他们就一些科学问题的讨论，但他主张“实验决定一切”。1654年玻意耳迁居牛津，在牛津大学创立了一个实验室，开始从事系统的物理和化学的研究工作。他是伦敦皇家学会创始人之一，1663年被选为英国皇家学会会员，1680年被选为皇家学会会长。在英国，玻意耳是最先开展气体力学研究的学者之一，并且由于研究气体性质而闻名。

在物理学方面，玻意耳从事分子物理、光和电现象、流体力学、声学、热学、力学多方面的研究，成果累累。

玻意耳最突出的贡献是1661年发现了波意耳定律。1659年，他在助手胡克的协助下，改进了盖利克发明的真空泵，利用它进行了一系列气体性质的开拓性实验。例如，他曾将真空泵放在屋顶，水管放在地面的大水罐内，发现当汞气压计指示29英寸（73.66cm）时，水不可能被提升到33英尺（10.06m）以上。1660年他将实验结果汇编成册，出版了他的第一部著作《涉及空气弹性及其效果的新物理——力学实验》。他用实验论证了空气是有重量和弹性（当时玻意耳称之为弹力）的物质。论证了空气对燃烧、呼吸和传声是必不可少的。论证了压强对水的沸点的影响，指出当使周围的空气稀薄时热水就能沸腾起来。论证了细管中液体的上升（即毛细现象）是和大气压力无关的，这与当时的观点截然相反。论证了真空中虹吸失效。还研究了空气的比重、折射率等等。这本书引起了耶稣教徒的诘难，认为其中有诈。玻意耳在助手R•汤利的协助下做了实验，通过实验不但证实了“空气的弹性有能力作出远远超过我们需要归之于它的事实”，而且发现了气体的体积与压强的反比关系，在历史上建立起力学运动以外的第一个定量的自然定律，即著名的玻意耳定律。1662年他发表了论文——《关于空气的弹性和重量学说的答辩》，文中不但阐述了玻意耳定律，而且还描述了另一个实验：一定体积的封闭空气被加热时其压强增大。可惜他没有重视并定量地检测这一现象，而失去了进一步发现规律的机会。

玻意耳在物理学的其他方面也有许多贡献。他最先对固体的弹性进行了研究，在对钟摆长度变化所开展的固体膨胀研究中，发现了水在结冰时会膨胀。他主张热是分子的运动。他拥护原子论假说，认为一切物体都是由较小的、完全相同的粒子组成的。他于1663年首先提出色光是白光的变种，表述了白光的复杂性的思想，指出物体的颜色并不是物体本身的内在属性，而是由光线在被照射面上发生的变异引起的。1663年他还第一次记载了在肥皂泡和玻璃球中产生的彩色薄膜条纹。他观察到静电感应现象，指出化学发光现象是冷光等。他在实验过程中研制成气压计，并于1662～1166年引入“barometer”（气压计）这个名称。玻意耳特别重视和强调实验的重要意义。他自己从事实验的面非常广，在热学、声学、电学、光学、流体静力学、化学、医学、生物学、生理学多方面从事过许多实验，对以后实验物理学的发展有积极影响。

玻意耳还是个杰出的化学家。1661年出版了名著《怀疑的化学家》，他反对当时“点金术”派的“元素”观，提出了接近于近代的化学元素的概念，区分了化合物和混合物。他把实验方法引入化学研究之中，主张化学要建立在大量的实验观察基础上，对物质的化学变化要进行定量研究，从而开创了分析化学的研究。他最早引入了“分析化学”这个名称。恩格斯对他给予了高度评价，指出“玻意耳把化学确定为科学”。

在生理学方面，玻意耳研究了空气对生物的作用，发现了肺内血液颜色和摄取空气有关，1663年他还找出了毛细血管等。他的著作还有：《各种形式和性质的起源》、《关于颜色的实验和考虑》、《流体静力学奇谈》、《论矿泉水》、《关于自然哲学价值的某些考虑》等。

玻意耳虽终身致力予科学研究，却是个有神论者，晚年曾设置玻意耳讲座，专门反对无神论。由于玻意耳科学上的卓越成就，被人们称为“英国科学界的明星”。

1691年12月30日这颗明星殒落，终年64岁。他终身未娶。

3．温标和温度计的发明

公元前200～100年间，古希腊菲隆和希隆各自制造过一种以空气膨胀为原理的测温器。其后，人们还在三个容器中分别装上冷。温、热水来判断物体的冷热：用手摸进行比较。

1592或1595年，伽利略制成了第一个气体温度计。玻璃管与玻璃泡相连，管内有有色液体，倒置于水杯之中。当被测温度的物体与泡接触时，袍内空气就会因热胀冷缩而发生体积变化，使有色液柱上升或下降，再由玻璃管上标有“热度”（即现在所说的“温度”）的刻度读出。这是有史以来的第一支有刻度的温度计。显然，这种温度计不完善：变化着的大气压也会使液柱升降，测量范围极其狭窄。

物理学中热力学里有一门叫计温学的分支学科，它是利用物质的热效应来研究测温技术的。它包括温度分度法、温度参照点的选择、温度计按不同用途的设计、制定各种测温标准、提高测温精度和准确度、测定实用温标和热力学温标的差值等。伽利略发明气体温度计后，人们的工作就大致按这些内容进行。

1611年，伽利略的同事桑克托留斯改进了伽利略的气体温度计，制成一种蛇状玻璃管气体温度计，玻璃管上有110个刻度，可测体温。

1629年；约瑟夫•德米蒂哥这位物理学家兼犹太教师出版了一本叫《花园中的喷泉》的书，书中载有盛有白兰地的玻璃泡温度计，它旁边的小字上写着“oleb”（上升）。有人认为这是人类第一支较准确的温度计。但现未能查明其发明者，而只能猜测是伽利略或他在帕多瓦大学的同事德米蒂哥。具体发明年代只能大致确定在17世纪初。

1631～1632年，法国化学家詹•雷伊把伽利略的玻璃管倒转过来，并直接用水而不是空气的体积变化来测定温度。这是第一支用水作工作物质的温度计。但因管口未密封，水会蒸发而产生越来越大的误差。

1641年，第一支以酒精为工作物质的温度计首次出现在意大利托斯卡纳大公爵费迪南二世的宫廷里。1644～1650年间，这位大公将其不断完善：用蜡把红色酒精温度计的玻璃管口封住，在玻璃管上刻度。可见，这支温度计己具有现代温度计的雏型，以至不少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，以至这一年被一些人认为是温度计诞生之年。它还被传到英国和荷兰。

1646年，意大利物理学家莱纳尔第尼明智地提出以水的冰点和沸点作为温度计刻度的两个定点。但无奈当时流行的酒精温度计里酒精的沸点（78.5℃）低于水的沸点（100℃），所以用水的沸点为第二个定点对酒精温度计显然不切实际，所以这一建议当时未能实施。

1657年成立的意大利佛罗伦萨实验科学院在其存在的10年间也进行了汞和酒精温度计的研究，制作过40（或80）个等分标度的没有定点的酒精温度计：它在1660年冬最冷时显示11～12“度”，冰的熔点显示13.5“度”，夏天最热时为40“度“。 1658年，法国天文学家伊斯梅尔•博里奥制成第一支用汞作工作物质的温度计。

1660年，意大利材料测试研究所也制成了汞温度计。

1665年，荷兰物理学、数学家惠更斯提议把水的冰点和沸点作温度计刻度的两个定点，以便各种温度计标准化。同年，英国物理学、化学家玻意耳根据他于1662年发现的气体定律（即玻意耳定律，后经法国物理学家马略特完善后曾称玻意耳－马略特定律，简称玻马定律），指出气体温度计不准的原因及其他缺点。其后，人们大多转向其他工作物质的温度计的研究。

1672年，休宾在巴黎发明了第一个不受大气压影响的空气温度计。

1688年，达兰西的温度计以冰和牛油熔解时的两个温度作温度计刻度的两个固定点。

18世纪初，形形色色的温度标准（温标）。已多达301余种。例如，丹麦天文学家罗默（他以1676年用观测木星卫星食的方法第一次证实光的传播是等速运动而闻名于世）以人体温度为22.5“度”和水的沸点为60“度”作温度计上刻度的两个定点。牛顿于1701～1703年制作的亚麻子油（一说蓖麻油）温度计把雪的熔点0“度”和人体的温度12“度”作温度计的两个定点。

法国物理学家阿蒙东最先指出测温液体是规则膨胀的，“有绝对零度存在”也是他最先指出的，他于1703年也制成了一支实用气体温度计。

在18世纪以前，温标不统一且不太实用。这些工作历史地落在华伦海特等人的肩上。

迁居荷兰的德国玻璃工华伦海特也在英国居住过。他经过多年的研究，把冰、水、氯化铵的混合物平衡温度定为0℉，人体温度定为96℉（如以今天我国标准体温37℃，则应为98.6℉，可见他采用的体温不是今天我国的标准体温），其间分为96格，每格为1℉。1724年，他又把水的沸点定为212℉。但遗憾的是，他未能将冰的熔点定为0℉,而是定为32℉。这就是华氏温标，其符号为tF。这是曾长期使用且至今仍在香港和世界许多地方使用的一种温标。他还发明了在填充汞时进行净化的方法，制成了第一种实用的温度计。

1730年，主要研究物理学和动物学的法国博物学家列奥缪尔制成了一种酒精温度计，他把水的冰点0°R和沸点80°R刻在温度计上作两个定点，再把其间分为80格，每隔为1°R。这是其后流行了多年的第二种温标——列氏温标，其符号为tR。

1742年，瑞典物理学家、天文学家摄尔修斯制成的汞温度计则把水的沸点和冰的熔点分别定为0℃和100℃，其间分为100格，每格为1℃，这是第三种得到广泛流行的实用温标——摄氏温标，其符号为t或tc。1743年，克里森指出上述定点不符合热的物体温度越高的习惯，8年以后的1750年，摄尔修斯接受同事斯特默尔的建议，把上述两定点的温度对调，这才成了现在的摄氏温标。

上述三种温标都是初级原始的温标，其缺点有二：一是温度值只有在两个定点是准确的，其余各点都不准确；二是定义范围很窄，例如汞温度计测量范围是－38.87～356.9℃。以下第四种温标克服了这些缺点。

1848年，英国物理学家汤姆孙即开尔文提出热力学温标。其符号为Tk或T，并于1854年指出只需选用一个固定点数值，这种温标就能确定。这个点就是“绝对零度”。然而，在实际建立热力学温度单位时，考虑到历史传统和当时的技术条件，他不得不用摄尔修斯的0～100℃的间隔作为100个新温度的间隔，即新温度的每个间隔为1开氏度（1°K）与1摄氏度（1℃）相当。这就是开氏温标。历史上类似而含义不尽相同的名称还有理想气体温标、热力学绝对温标等。这第四种温标的特点是：与任何物体的性质无关，不受工作物质的影响，解除了工作物质因凝固、汽化而受到的限制，仅与热量有关。1927年，第七届国际计量大会确定它为最基本的温标。1954年大会又决定把273.16°K这一水的三相点作为这一温标的唯一定点。这一温标实际包含的另一定点是不能用物质的已知性质来定义的，它是理论上推导出来的最低温度——绝对零度。1967年，第十三届国际计量大会将这种温标的单位“开氏度”（°K）改为“开尔文”（K），而前述“开氏温标”及“开氏温度”被分别代之以“新国际实用温标”和“热力学温度”，我国也最终由国务院于1984年2月27日下达命令在1991年1月1日起正式施行使用。

第五种温标为兰氏温标，在19世纪由英国工程师兰金发明，其符号为TR，兰氏度的符号为R°。这种温标的水三相点约491.7R°，水的沸点约671.6R°。这种温标比前四种用得更少。

随着上述摄氏、国际温标的建立和技术的成熟，以及实际测量的需要，人们改进、发明了形形色色的温度计。

1743年，法国克利斯廷在里昂改制了像摄尔修斯那样的温度计，这更接近现代温度计。

1782年，西克斯发明了“最高最低温度计”，丹尼尔•卢瑟福在1794年作了改进。1782年，英国韦奇伍德和德国塞格尔各自发明了测定火焰温度或炉温用的温度计，后者的发明被称为塞格尔测温锥。

1821～1822年，德国塞贝克发现热电（温差电）现象，提出温差电动势序，认识到由此可制成热电偶即温差电偶来测温度。1830年便出现了这种温差电偶，用它还可探测红外线。选用适当的导体或半导体作热电偶材料，可以测量很宽的温度范围（如－50～1600℃），若用特殊热电偶材料，则更可扩大到－180～2000℃，这显然是酒精或汞温度计望尘莫及的。

俄国楞次和英国戴维于1835年得知金属在受热时电阻会增大，A•F•斯文贝尔格于1857年便用这一原理发明了差示温度计（由一个接在测量电桥中的涂黑铜螺线组成）。

1860年，德国威廉•西门子发明了遥测式电阻温度计，1869年他为它加装了一根钠丝作测量探头，可测更高的温度。

19世纪60年代初，英国医生阿尔伯特发明了现在仍在应用的那种体温计：其最大特点是细管内有一段特别狭窄，体温计离开被测人体后汞在这狭处中断而汞柱并不下降，可从容不迫地读出体温。

1881年，兰利将涂黑的铂带作热敏元件制成辐射热测量计（或电阻测辐射热计）测量辐射热。其后，温度计新品种不断涌现。例如，光学高温计（测600℃以上高温）、光度计（测星球表面温度）、红外显微镜（测小至10～100μm的点的温度）、半导体点温度计（测点的温度）、石英振子温度计（可测低温至2500℃的温度，精度特高）。

对10000℃以上的高温，一般温度测量法已无能为力。这时，要用原子光谱的谱线和温度间的关系来计算出温度。

发布时间：2010/6/4 上午8:17:23  阅读次数：4038