曹麗欣

（首都師范大學(xué)物理系 北京 100048）

攝爾修斯與攝氏溫標(biāo)

曹麗欣

（首都師范大學(xué)物理系 北京 100048）

安德斯·攝爾修斯主要從事天文學(xué)研究，但他最著名的成就是確立了攝氏溫標(biāo)，他通過實驗確立了水的沸點與大氣壓的關(guān)系．本文介紹攝氏溫標(biāo)的建立歷程，在研究過程中，攝爾修斯不斷求證實驗結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)精神值得學(xué)習(xí)．

攝爾修斯 攝氏溫標(biāo) 驗溫器

1 攝爾修斯生平

安德斯·攝爾修斯（Anders Celeius，1701年～1744年，圖1）是一位瑞典天文學(xué)家，他的科學(xué)工作主要是對月食的觀察、300余顆恒星亮度的測定及北極光的系統(tǒng)觀察，然而他最著名的工作是創(chuàng)立了攝氏溫標(biāo)．

圖1 安德斯·攝爾修斯

攝爾修斯，1701年11月27日生于瑞典烏普薩拉，1744年4月25日，因患有肺結(jié)核病逝于烏普薩拉．?dāng)z爾修斯的父親是烏普薩拉大學(xué)的天文學(xué)教授，祖父是一名數(shù)學(xué)學(xué)家，外祖父是一名天文學(xué)家．?dāng)z爾修斯很小的時候就表現(xiàn)出一定的數(shù)學(xué)天賦，長大后跟隨他的父親在烏普薩拉大學(xué)學(xué)習(xí)天文學(xué)［1］．1728年，由于一位數(shù)學(xué)教授外出游學(xué)，攝爾修斯代替他在大學(xué)任教，1730年4月攝爾修斯正式成為一名烏普薩拉大學(xué)的天文學(xué)教授［2］．

1732～1736年，攝爾修斯到歐洲一些國家旅行，擴展自己的知識，他參觀了柏林等地的天文臺，并和那里的天文學(xué)家建立起良好的學(xué)術(shù)關(guān)系．1733年，他在紐倫堡發(fā)表了一篇與其他學(xué)者合作的文章，這篇文章的主要內(nèi)容是1716～1732年間對316宗極光觀測的成果．1736年，攝爾修斯跟隨莫佩爾蒂（Maupertuis，1689～1759）率領(lǐng)的一支法國遠征隊到瑞典北部對子午線的弧長進行測量，以便解決關(guān)于地球形狀的爭論．1741年他回到烏普薩拉，在烏普薩拉大學(xué)的資金幫助下，于烏普薩拉的中心創(chuàng)辦一所天文臺［2］．1742年在一篇給瑞典皇家科學(xué)院的論文中，他提出了攝氏溫標(biāo)．

2 攝爾修斯研究溫標(biāo)的背景［3］

16世紀(jì)末出現(xiàn)了最早的測量冷熱程度的裝置，現(xiàn)在普遍認為，溫度計的發(fā)明者是伽利略，他的學(xué)生維維安尼說伽利略于1593年在帕多瓦大學(xué)任教時制成了一個指示熱度的儀器（當(dāng)時還沒有溫度的概念）．取一個麥稈粗細的長玻璃管，其一端連接一個雞蛋大小的玻璃泡，另一端倒插入一個盛有著色水的容器里，讓玻璃管中形成一段水柱，當(dāng)玻璃泡與待測物體接觸之后，由于玻璃泡中的空氣熱脹冷縮，水柱就會降低或是升高．圖2是意大利佛羅倫薩科學(xué)史博物館收藏的伽利略驗溫器的復(fù)制件［5］．法國的醫(yī)生讓·雷伊（Jean Rey，1582～1630）為了方便使用，將伽利略的溫度計倒轉(zhuǎn)，在玻璃泡中注入水，制成第一只液體驗溫器．隨后人們不斷嘗試各種測溫物質(zhì)，包括亞麻籽油、水銀、酒精．早期溫度計的使用范圍只是簡單的應(yīng)用于氣象學(xué)．

圖2 伽利略驗溫器（復(fù)制）

初期溫標(biāo)的確定帶有隨意性，有人把地下室的溫度設(shè)為固定點，也有人把水的凝固點設(shè)為溫度的固定點，也有將馬德堡地區(qū)初冬的冷度和盛夏的熱度作為標(biāo)準(zhǔn)點．在尋找恒溫點的研究工作中，不少科學(xué)家都認識到水在凝固和沸騰時的溫度是不變的，1665年，荷蘭物理學(xué)家惠更斯已經(jīng)推薦以這兩個溫度作為標(biāo)準(zhǔn)點，但由于當(dāng)時通用的是酒精溫度計，選用水的沸點作為標(biāo)準(zhǔn)是不切實際的，所以這一建議直到下一個世紀(jì)才被采用．到18世紀(jì)30年代，先后出現(xiàn)了約30多種溫度標(biāo)度，多種溫標(biāo)同時使用，難于互相參照，造成混亂．

3 攝爾修斯對兩個固定溫度的研究

18世紀(jì)30年代，華倫海特和列奧米爾都確定以水的凝固點為溫度計的固定點，但是日內(nèi)瓦的克雷斯特卻選擇巴黎天文臺84英尺深的地下室所測的大地的溫度作為一個固定點．在他之前，波義耳等人已經(jīng)知道很深的地下室是恒溫的，克雷斯特把這個溫度與水的沸點之間分為100等份，這可能是百分刻度法的起始［3］．

烏普薩拉大學(xué)天文臺從1722年開始記錄氣溫的變化，瑞典皇家科學(xué)研究院（成立于1739年）每年發(fā)布氣溫變化報告，包括每個月的最高氣溫和最低氣溫．1740年，攝爾修斯發(fā)表評論認為，使用豪克斯比（Francis Hauksbee，1660～1713）的溫度計，“0°”這個溫度點對應(yīng)的是倫敦的最高氣溫45°，水的沸點為65°．1741年，攝爾修斯比較了使用不同的溫度計記錄的1740年1月25日早上的溫度，不同溫度計讀出的溫度各不相同，非?；靵y，因此建立一個固定的溫度標(biāo)準(zhǔn)是很有必要的［4］．

1742年，攝爾修斯用瑞典語發(fā)表題為《溫度計兩確定度數(shù)的觀測》（Observations of two well defined Degrees on a Ther mometer）一文中，報告了他對水的凝固點與緯度和大氣壓無關(guān)的實驗研究結(jié)果，同時確定了水的沸點與大氣壓的關(guān)系（跟現(xiàn)代數(shù)據(jù)非常吻合），并給出一條氣壓與標(biāo)準(zhǔn)氣壓不同時，沸點變化的定律，他在溫度計上的兩個固定點之間采用100個刻度劃分．

對水的凝固點的溫度進行測量時，攝爾修斯發(fā)現(xiàn)一定要將溫度計放入冰水混合物中至少半個小時才能測得穩(wěn)定的溫度．他在兩年冬季數(shù)月中，在不同情況下測量冰水混合物的溫度，研究大氣壓的變化對水的凝固點變化的影響，最終他發(fā)現(xiàn)大氣壓的變化對水的凝固點沒有任何影響．在對水凝固點的研究過程中，他還做了另外兩個實驗，一是將雪放入他自己的口腔中，直到雪慢慢融化，并將溫度計的液泡濕潤，另一個是將溫度計液泡放入盛有積雪的桶中，并將桶在火上加熱，這兩個實驗最終得出來的溫度是一樣的，由此攝爾修斯得出結(jié)論，當(dāng)把溫度計的液泡放入冰水混合物中，它們的溫度是一樣的．18世紀(jì)，人們對于冰雪融化的溫度變化是否依賴于緯度的變化還不是很明確，1736～1737年，攝爾修斯參加了由莫佩爾蒂率領(lǐng)的一支法國遠征隊，到瑞典北部測量經(jīng)度一度的長度，在此期間，他注意到在巴黎、托爾尼奧（Tornio，現(xiàn)屬于芬蘭）、烏普薩拉等地不同緯度的水的凝固點是不變的［4］．由此攝爾修斯得出結(jié)論，水的凝固點不隨大氣壓和緯度的變化而變化，因此非常適合做溫度計的一個確定點．

在研究水的沸點的實驗中，攝爾修斯專門選取了雪水、河水、井水，加熱使其沸騰，發(fā)現(xiàn)溫度是不變的，因此他得出結(jié)論任何水質(zhì)的沸點都可作為溫度計上的固定點．?dāng)z爾修斯相信華倫海特在阿姆斯特丹所指出的水的沸點溫度與氣壓有一定關(guān)系．在實驗用的長玻璃管上，水的凝固點和沸點高度差有792 G（Gran，長度單位，1 G＝0．3 mm），他將它分為100個刻度，作出一種溫度計．使用這個溫度計，攝爾修斯做了31組實驗（圖中只有23個點），記錄實驗過程中水沸騰后，當(dāng)氣壓計汞柱高度發(fā)生變化時溫度計汞柱發(fā)生的變化．通過畫圖的方法，攝爾修斯得出在水沸騰時，水銀氣壓計汞柱下降1 inch（英寸，1 inch＝29．69 mm），則溫度計里的汞柱就下降7．92 G（大約是8 G）（如圖3）［4］．?dāng)z爾修斯最終定義在適合的壓強下（一個大氣壓下）水的沸點（100°）可以作為溫度計上的一個確定點．

圖3 安德斯·攝爾修斯對水的沸點隨大氣壓強變化的記錄圖像

在1742年發(fā)表的論文中，攝爾修斯選擇水的凝固點和沸點作為溫度計的兩個固定點，沸點為0°，凝固點為100°，把中間刻度劃分為100°，創(chuàng)立了攝氏溫標(biāo)．?dāng)z爾修斯對攝氏溫標(biāo)兩個固定溫度的研究，始終都是以實驗為依據(jù)，不斷重復(fù)實驗，確定單一變量，最終得出水的凝固點和沸點在氣壓不變的情況下是不變的，他還研究不同水質(zhì)對水的凝固點和沸點的影響．這些都表現(xiàn)出攝爾修斯在研究工作中的認真嚴(yán)謹(jǐn)．

4 攝氏溫標(biāo)的確立和使用

起初，學(xué)者對攝爾修斯在攝氏溫標(biāo)以及溫標(biāo)上兩個定點的研究工作缺少重視．1758年，卡爾·林奈（Carlvon Linné，1707～1778）在一封信中說明，他在斯德哥爾摩制作的使用攝氏溫標(biāo)的溫度計是可以在溫室中使用的，由于林奈的學(xué)術(shù)聲望，攝氏溫標(biāo)得到學(xué)界更多關(guān)注，但也使一些學(xué)者誤認為林奈是攝氏溫標(biāo)的建立者．

1750年，攝爾修斯的同事斯托瑪把攝爾修斯提出的兩個定點的標(biāo)值顛倒，即定義水沸騰為100°，結(jié)冰點為0°，但仍稱攝氏溫標(biāo)［4］．

攝氏溫標(biāo)的建立使計溫學(xué)日趨完善，促進了實驗熱學(xué)研究的進展，此后雖然又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些新的測溫手段，但經(jīng)驗溫標(biāo)已經(jīng)定型．

1927年，國際計量大會選擇了以電阻溫度計和溫差電偶溫度計為基礎(chǔ)的新的國際實用溫標(biāo)，規(guī)定金的熔點（1 063℃）以上用絕對溫標(biāo)，在金的熔點以下用攝氏溫標(biāo)．1967年，在法國巴黎召開的第十三屆國際計量大會正式確認，在日常溫度讀數(shù)使用攝氏溫標(biāo)，而理論論證使用開氏溫標(biāo)，并確定攝氏溫標(biāo)與開氏溫標(biāo)的換算方法，即t＝T-273．15［3］．1990年新的國際溫標(biāo)確立水的沸點在一個大氣壓下更加準(zhǔn)確的數(shù)值是100℃～99．75℃，但這一點變動不會影響到平均值，攝氏溫標(biāo)仍為一個大氣壓下水的沸點為100℃，凝固點為0℃［4］．

5 結(jié)語

攝爾修斯的一生雖然非常短暫，但是他在科學(xué)研究工作中，利用實驗不斷驗證實驗結(jié)論的嚴(yán)謹(jǐn)精神是值得學(xué)習(xí)的．他通過各種實驗，對水的凝固點與沸點進行觀測，研究不同水質(zhì)以及氣壓對水沸點的影響，不同緯度對水的凝固點的影響，不斷進行驗證，最終確定水的凝固點和水的沸點為溫度計的兩個固定點，創(chuàng)立攝氏溫標(biāo)，并得到廣泛的應(yīng)用．

1 C．C．Gillispie．Dictionary of Scientific Biography．New York：Charles Scribner′s Sons，1970～1980，Vol．III：173～174

2 H．C．Stempels．Anders Celsius′contributions to meridian arc measurements and the establishment of an astronomical observatory in Uppsala．Baltic Astronomy，2011，vol．20，pp．179～185

3 申先甲．探索熱的本質(zhì)．北京：北京出版社，1985．16～40

4 Beck man O．Anders Celsius and the fixed points of the Celsius scale．European Journal of Physics，1997，vol．18，no．3，pp．169～175

5 意大利佛羅倫薩科學(xué)史博物館官網(wǎng)：http：//catalogue．museogalileo．it/object/Thermoscope．html0

2014- 06- 16）