物理史话之温度是怎么标定的华伦海特

现在我们每个人都知道怎么使用温度计,有些人可能还知道液体温度计有很多种,包括酒精温度计、煤油温度计、水银温度计等等。那么,这些温度计都是谁发明的,温度计上的数值和刻度又是谁定义的,带着这些问题,我们来跟随科普君一起走进波兰物理学家华伦海特的世界。

物理史话之温度是怎么标定的华伦海特

丹尼尔·加布里埃尔·华伦海特

丹尼尔·加布里埃尔·华伦海特于1686年出生在波兰的但泽(现在的格坦斯克市,这是在波兰和德国交界的一个地方,历史上不同时期曾经归属于两个国家,但是在华伦海特出生的时候,但泽市是属于波兰王国的,所以科普君把华伦海特的国籍归为波兰)。他很小的时候就没了父母,于是被迫由他的保护人送出去学习经商。他曾经在德国、英国、瑞典等国家边旅游边学习,也拜访过很多科学家和一些科学仪器的制造者,当时,华伦海特是一个玻璃吹制工,这也为他后来能够发明温度计提供了技术上的帮助。

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但泽市

在华伦海特之前,就已经有不少人开始尝试制造可以测量温度的仪器。最早发明温度计的是伽利略,他利用空气热胀冷缩的性质,制造了一个空气温度计。但是伽利略的空气温度计有个缺点,它容易受到大气压的影响,所以伽利略的学生裴迪南改进了老师的发明,他将空气温度计密封起来,但是密封起来以后,空气的膨胀和收缩就不大明显了,于是他想是否可以用液体来代替空气,把液体装在连着玻璃管的空心球内,把玻璃管的一端密封起来,然后把它倒过来,这就成为了温度表的形状了。裴迪南试验了许多种液体,发现酒精在受热或变冷的时候,体积变化很大。他就用酒精来代替空气,装在玻璃球里。再把玻璃球加热,让一部分酒精成为蒸汽。等到酒精蒸汽把玻璃管里的空气全赶跑了,就把玻璃管的口子第一个不受大气压力影响的真正的温度计,就是这样诞生的。人们只要用尺量一下玻璃管里酒精的高度,就知道温度的高低了。后来,人们给温度计里的酒精染成了红色,观察起来就更加清晰了。通常用来测量气温的温度计,里面装的就是染红的酒精。

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酒精温度计(注意它的最高温度是60℃)

到1708年的时候,华伦海特拜访了丹麦天文学家罗默,罗默当时正好也发明了一种带有刻度的温度计用来测量体温,华伦海特觉得这个温度计挺好,就是使用起来不方便,而且它的刻度似乎规定的也有问题,于是华伦海特决定改进这个温度计。1709年,华伦海特利用自己的玻璃吹制技术,改进了这个温度计。先是确定温度计内的测温物质究竟用什么。本来这支温度计是使用酒精作为测温的物质,但是在研究过阿蒙顿的水银热膨胀的知识后,华伦海特开始发现水银的好处多于酒精。酒精的沸点太低,低到连水的沸点也测不出,而水银不会,于是华伦海特决定用水银作为温度计内的测温物质(当然了,水银也有缺点,它在-39℃的时候就凝固成固体了,没法再测量了)。当时他的温标有两个固定点,一个固定点的温度是等于他妻子的温度,他把它定为100°F,而另外一个固定点则相当于北爱尔兰冬天的最低的温度0°F。华伦海特把这两点之间的距离分成100等距离的一百份,每一份记为一度。但是后来他发现这样定义温标使用起来并不方便。于是华伦海特开始改进温标,最终确定了三个固定点,分别是0°F、32°F以及水的沸点212°F。其中0°F是冰、水、氯化铵和盐混合物的溶点,32°F是冰的溶点,而212°F则是水的沸点。并将它们之间均匀地分成等距离间隔。这样,华伦海特就制成了第一个以他的名字来命名的温度计--华氏温度计。

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温度计上的华氏刻度

不过,温度计里面究竟是用酒精还是水银,其实还是需要根据实际情况来的。比如要到南极和北极去考察的科学家,就没法用水银温度计来测那儿的气温。那怎么办呢?不要紧,可以让酒精温度计来担任这个职务。酒精要在-117℃才凝结成固体。在地球上面的任何地方,都没有这样低的气温。但是如果要测量高温物体时,酒精温度计就不方便了,因为酒精在78℃的时候就沸腾了,但水银的沸点则有357℃,所以这时候就可以用水银温度计来担此重任了。酒精温度计和水银温度计各有所长。它们互相补充,就可以量出-117℃到357℃之间的温度。当然了,随着科学技术不断发展,人们还需要量更低和更高的温度。所以我们已经创造了压力温度计,可以量-60℃到550℃的温度;创造了电阻温度计,可以量-260℃到600℃的温度,还创造了可以量摄氏几千度、甚至上万度的辐射温度计和光学温度计。

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辐射温度计

1714年,华伦海特把温标命名为自己的名字,很快他被英国伦敦皇家学会邀请成为会员。虽然随着科学的发展,很多地方已经不再使用华氏温标,一些国家(美国和加拿大等)在许多情况下仍继续使用华氏温度,但这已不是原来的华氏温标所定义的温度,而是按下列数学公式所定义的温度:t℉=32+(9/5)t℃。t℉是华氏温度的值,t℃是摄氏温度的值。

华伦海特还进行过其他的一些实验。他在实验过程中发现每一种液体其实像水一样都有自己的一个沸点,这个沸点随着大气压的变化而变化。这个研究发现对于热学是一个很重要的发现。之后他又继续研究,最后设计出带有气压表的温度计。在1721年,他又发现水即使是在冰点以下仍然还是液体的状态,于是成功设计出比重计。

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比重计

1736年,华伦海特在荷兰海牙去世,享年50 岁。


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