温度计与热学:迷人的温度
有意无意间,对长度、时间和温度的衡量确定了生活的节律。

感知冷热是生命必备的能力,因此冷热概念的出现远远早于热力学这门学科。

冷热的概念在人体发育的早期就建立起来了。人类自愚昧中走过来,在其科学努力中将很大的精力放在理解冷暖现象上,并逐渐发展了热学、热力学,而这其中要理解和量化的一个重要概念就是冷热程度,即温度。

摄氏温标是世界上普遍使用的温标,以瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯的名字命名,符号为°C,属于公制单位。它的规定是:在标准大气压,纯水的凝固点(即固液共存的温度)为0°C,水的沸点为100°C,中间划分为100等份,每等份为1°C。

瑞典发行的纪念摄尔修斯的邮票

18世纪以前,人们对于冷热通常只能进行直观、定性的描述,无法定量。虽然日常生活中并无太大的影响,但对于许多定量科学而言,仅是对冷热进行定性描述显然是不够的。以医学为例,当医生告知病人“发烧”时,如果只说“脑门如火炭”,在很大程度上并不能使人信服。除此之外,气象学、物理学、化学等18世纪初的新兴学科也都需要对温度进行精确的测量和读数,人们迫切寻找一套行之有效的温度标记方式。

最早对温度进行划分的是德国人华伦海特,他在18世纪初制作出了气压计和温度计。

1714年,华伦海特研制了在水的冰点和人的体温范围内设定刻度的水银体温计。在制作温度计的过程中,必须找出一种对温度进行精确标记的方法,于是他采用了三种在当时技术条件下十分重要的温度作为标记刻度的依据。

丹尼尔·加布里尔·华伦海特与水银温度计

首先,他将水、冰和氯化铵混合,达到了当时所能记录到的最低温度,将其定为0度。然后又将水的冰点定为32度,最后将人的体温定为96度。不久,在采用能承受更高温度的水银温度计后,华伦海特改将水的沸点作为温度计的上限,定为212度。这样,他可以将水的冰点和沸点之间划分为180度,同时又使得人体体温接近100这个整数。

华氏温度创立后,很快被英国和其殖民地国家所使用,它的符号是℉。这是为了纪念华伦海特,取其姓氏的首字母,在左上角加一个小圆圈所得。如今,使用华氏温度的国家已经不多见了,但在美国,华氏温度仍普遍使用于日常生活,如天气预报、厨房烤箱、冰箱等。

美国支持保留华氏温标的人提出的一个重要理由是它更加精确。与摄氏温标相比,华氏温标的一度比摄氏温标小,当精确到整数时,华氏温标比摄氏温标准确。此外,华氏温标的0度比摄氏温标0度要低,在表达常用温度时,通常可以避免出现负数温度。当然,这对来美国旅行或移民的人来说会造成不小的麻烦,因为除了美国之外,世界通行的都是摄氏温度。

温度计,内圈摄氏温度,外圈华氏温度

华伦海特设定了温度的度量标准后并没有被所有科学家采用,尤其是在欧洲大陆,许多学者仍然对华氏温度不满意,试图寻找一种更直观的温度计量方式。1742年,瑞典天文学家摄尔修斯在一篇给瑞典皇家科学院的论文中提出了摄氏温标。摄氏温标是将水从冰点到沸点的温度等分为一百份所得,100是整数,这样的温度划分比华伦海特的要简明方便许多。

不过在摄尔修斯眼中,物质的冷热是相对立的状态,他并没有考虑到“冷”其实就是物质失去热之后的状态。因为摄尔修斯所在的瑞典地处高纬度地区,一年当中大部分时间都被白雪覆盖,为了更方便地记录当地的气温,摄尔修斯的温度标记和今天所用的摄氏温度并不相同。在一开始,0度对应水的沸点,而100度对应水的冰点,这和如今的摄氏温标恰恰相反。但这样一来,记录瑞典本地的气温从来不会出现负数或是零下的温度。外面大雪纷飞时,按照原始摄尔修斯记录下来的温度可能是115度,诸如此类。

摄氏温度发明人——安德斯·摄尔修斯

按照常识,物体热量越多,温度应该越高,而摄尔修斯的温度就和物质吸热放热的本质规律相矛盾,这给需要跨国交流的学者带来了不少的困惑。后来,瑞典的科学家林奈将摄氏温标的0度和100度对调过来,也就是定义水的冰点为零度,沸点为100度,中间沿袭了摄尔修斯的100等分。如此,摄氏温标才算最终确定了下来。

当摄尔修斯和林奈最终完善了摄氏温标之后,这套温度标定系统以其简洁和直观的特性迅速在欧洲大陆普及开来,并被纳入国际单位制(SI)。甚至19世纪末,最早接受华氏温度的英国也慢慢开始沿用摄氏温度。到了20世纪,摄氏温度成为了世界绝大多数国家通用的温度体系。

瑞典科学家卡尔·林奈

温度测量,除了摄氏温标和华氏温标之外,还有开式温标,它是1848年由英国物理学家开尔文所创立

1960年,第十一届国际计量大会规定热力学温标以开尔文为单位,水的三相(气、液、固体)点为273.16K。由于水的三相点在摄氏温标为0.01℃,所以摄氏0℃=273.15K。绝对温度(K)≈273+摄氏温度(℃),也就是说,开式温标的温度划分单位是沿用了摄氏温标,只不过是将宇宙中的绝对零度,也就是0开尔文度,定在了摄氏零下273.15度而已。

开式温标的设立者——开尔文

如今,摄氏温标在绝大多数国家已成了温度的天然测量单位,而基于摄氏温标发展的开尔文温标,也是热力学的基本计量单位。在某种意义上,摄氏温标已经凭借其简洁合理的设计征服了世界。

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