温度与温度计(温度计的概念)

今年的“三伏天”从7月17日开始，到8月25日结束。炎炎夏日，大家更关心的是每天的气温。温度和我们的日常生活关系太密切了。老年人习惯每天关注《新闻联播》之后的“天气预报”节目。年轻人更喜欢直接在手机上查看天气的动态信息。伴随天气变化的气温往往决定了他们未来几天的衣着或行程。或者你的家人有些发烧，你自然会用体温计去测。今天我们就来说说温度计的故事，首先是温度计的发明，其次是温标的建立，最后是温度计知识传入中国的过程。

第一，温度计的发明

你可能想知道，在温度计发明之前，人类是如何表达温度的？很简单。是用经验描述的。你可能还记得战国时期《列子·唐雯》中“两个孩子争一天”的故事。一个孩子为“近者热，远者凉”辩护，说“日初凉，日中探汤”。这是一个非常简单的经验描述。当然，古人也探索出了稍微先进的探测温度的方法，比如烧制陶瓷中的“赵子”。那么什么是“赵子”呢？简单来说就是窑工用来判断窑火温度的泥胚。据景德镇陶瓷大学郑教授考证，魏晋南北朝时有一张照片，但当时主要用于检验釉色；到了宋元时期，照明技术已经成熟。通过观察光照的烧结程度，检测出窑制品在最高烧结温度下保温时间的长短。这种技术依赖于窑工的经验，无法定量准确的检测。

温度计的发明是西方近代科学革命的产物，是伽利略首先利用空气体热胀冷缩的原理发明了气体温度计。西方探索空气体受热膨胀收缩及其应用历史悠久。早在古希腊，著名的亚历山大英雄就利用这一原理设计了一种可以在寺庙中使用的自动开门机。伽利略的气体温度计非常简单。它是一根细长的玻璃管，一端有一个开口，另一端有一个鸡蛋大小的玻璃泡。使用时，用手加热玻璃泡，然后将玻璃泡的一端放在地板上，将玻璃管垂直插入水中，就形成了一个简易的气体温度计。当外界空气空上升或下降时，玻璃管内的水柱就会上升或下降。如果玻璃管上标有刻度，就可以指示温度。虽然不清楚伽利略当时是如何标注温度的，但他在一本书中明确提到了度数。但是这个温度计会受到气泡中空气体的温度和外界气压的影响，所以误差比较大。受伽利略的启发，他的朋友、意大利帕多瓦大学的医学教授桑克托里奥·散克托留斯于1612年发明了一种蛇形气体温度计。顶部的玻璃球可以放入患者口中，从下方水柱可以检查患者体温的变化。这是世界上最早的温度计。

图1伽利略气体温度计

鉴于这种气体温度计的缺陷，法国医生让·雷伊(Jean Rey)于1632年首次将伽利略的温度计倒过来，使玻璃泡在底部，并注满水。以水为测温物质，通过玻璃管中的水柱来反映温度。但是这个温度计的玻璃管上面是敞口的，所以会受到水分蒸发的影响。液体温度计的大发展是托斯卡纳大公斐迪南二世二世组织的，他是佛罗伦萨西曼托学院的创始人之一。他们测试了多种液体，发现酒精的热膨胀效应很明显。同时，他们将玻璃管上端熔化密封，从而在1654年制成了世界上第一支不受外界气压影响的温度计。

714年，丹尼尔·加布里埃尔·华伦海特发明了水银温度计。他是气象仪器制造商，出生在德国，但大部分时间在荷兰度过。水银温度计和酒精温度计各有千秋。水银的沸点是357度，所以可以测到更高的温度。但是，由于它的冰点是零下39度，所以无法测量更低的温度。比如中国内蒙古根河市，今年1月气温低至零下50度。在这种情况下，水银变成了固体。自然不能用水银温度计，但是可以用酒精温度计，因为酒精的冰点是零下117度。与水银温度计相反，酒精温度计不能测量更高的温度，因为酒精的沸点是78度。沃伦·海特不仅发明了水银温度计，更重要的是开始建立温标。

第二，建立温标

温标是温度量化的尺度。建立温标，最重要的是找出几个参照点。1724年，Wallenheart选择了三个基准点:为了避免负温度，氯化铵、冰和水的混合物的温度选择为0℃；冰水混合物的温度是32度；把温度计放在人的嘴里或腋下，可以得到96度的人体温度。后来又修改，把标准大气压下水的沸点定为212度，这样水的冰点和沸点之间的温度就是180度，也就是华氏温标。为了纪念沃伦·海特，华氏温标的单位是℉。目前世界主要国家中，只有美国还在使用华氏温标。

目前，世界上使用最广泛的温标系统是由瑞典人安德斯·摄尔修斯建立的。他一生主要在乌普萨拉大学从事天文学研究，但他因参与温度测量而闻名。1742年，在一篇论文《对温度计上两个固定点的观察》中，塞尔丘斯描述了他的温标系统。这个温标把标准大气压下水的冰点和沸点划分为100度，但当时他采用了冰点100度，沸点0度的方案，以避免低温的负面结果。然而，这种方案与人们的习惯相悖。1745年，也就是后年，他的同事瑞典植物学家卡尔·林奈颠倒了冰点和沸点的度数。这是我们现在使用的摄氏温标。然而，其他人说，这是马丁·斯特罗姆，珀尔修斯的继任者，做了相反的工作。无论如何，这个百分温标是厄斯首创的，为了纪念他，摄氏温标的单位被命名为℃。很明显，1℅≠1℃是用绝对值来衡量的，因为摄氏刻度的100份是华氏刻度的180份，两者之间有如下换算关系:F=(9C/5)+32。

图2瑞典发行纪念珀尔修斯的邮票。

华氏温标和摄氏温标都依赖于温度计或测量温度的物质，如水银。我们能找到不依赖温度计的温标系统吗？当然可以。1848年，英国物理学家威廉·威廉·汤姆孙(后来的开尔文勋爵)建立了一个新的温标——绝对温标，单位为k，这个温标只有一个参考点，那就是绝对零度，也就是极寒的状态原子和分子的热运动都消失了，相当于摄氏零下273.15度，它的除法区间和摄氏是一样的。因此，两者之间的换算关系为:T(K)=t(℃)+273.15。

第三，温度计传入中国。

清朝康熙年间，来华传教士首次将温度计相关知识介绍到中国。1664年，比利时耶稣会传教士南怀仁用自己制作的温度计完成了《灵台映象图》。灵台是天文台，当时的地址是北京建国门西南侧的古天文台。1671年，费迪南德·南怀仁(ferdinand verbiest)甚至完成了《验气图说》，专门介绍温度计的制作、用法和原理。他制作的温度计如图3所示。一个U形玻璃管竖立在木架上。U形管左侧上端连接有玻璃球，右侧上端开口。当达到水平的水注入U型管(比如烧酒)时，玻璃球的气体在外界温度的影响下膨胀或收缩，液体会在U型管的右臂或左臂上升，左右臂旁标有刻度表示温度。显然，这是一种气体温度计。由于费迪南德·南怀仁在校准理论中采用了“天地三畴”的错误理论，又未能及时吸收欧洲已有的实验研究，这种温度计不具备测量功能。

在费迪南德·南怀仁之后，大概是来华的法国耶稣会士约阿希姆·布维(Joachim Bouvet)，他留下了一部手稿《测气温论》，这部手稿现藏于梵蒂冈图书馆。中国科学技术大学史云礼教授推测，这很可能是他给康熙皇帝的西方科学讲义之一。在这份讲义中，我们不仅介绍了德国的奥托·冯·格里克和英国的罗伯特·波义耳在温度计研究方面的新进展，还对新旧温度计进行了比较。旧的温度计是一种气体温度计，而新的温度计是斐迪南二世发明的水银温度计。

引进和传播西方知识的过程是非常复杂的。一方面，我们不能高估清初传教士与皇帝的互动。康熙年间已经引入故宫的温度计、气压计，到了雍正、乾隆时还不知所措，因为那些早期的仪器早已被束之高阁。另一方面，我们也不能低估好学的人吸收和模仿的能力。比如清初扬州的黄鹿庄，“师从太溪几何比例，转而研究机轴”，于是制造了许多奇器，包括“温度计”。黄露庄制作温度计的知识很可能来源于西学，但如何传播却无从考证。

图3费迪南德·韦尔比斯特制造的温度计

最后，随着科技的发展和实际测温条件的需要，诞生了多种温度。

仪表，大致可分为接触式和非接触式两大类。在接触式温度计中，有两种类型:膨胀型，如水银温度计；热电阻型，利用电阻随温度而变化，等等。在非接触式温度计中，有利用物体的热辐射来测量温度的辐射温度计，以及利用红外辐射引起元件温度变化的红外温度计。

愿这篇小文章陪读者朋友们度过一个清晨、傍晚或中午，不必在意温度。

石，作者是中国科学院自然科学史研究所副研究员。