陳仁政

溫度計(jì)的發(fā)明—從伽利略的“氣體”開始

在中國戰(zhàn)國前期，哲學(xué)家列子—本名列御寇所著的古書《列子·湯問》中，就有“兩小兒辯日”的故事，也有“近者熱而遠(yuǎn)者涼”的描繪。這就是關(guān)于溫度最樸素的經(jīng)驗(yàn)性描述。當(dāng)然，還有稍微高級一點(diǎn)的測溫辦法，燒制陶瓷時(shí)用的“照子”就是一例。景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)的鄭乃章教授研究后說，魏晉南北朝時(shí)期已經(jīng)出現(xiàn)的“照子”，是窯工用于判別窯火溫度高低的泥土胚胎。到了宋元時(shí)期，“照子技術(shù)”更加成熟—通過觀察“照子”的燒結(jié)程度，就能檢測窯內(nèi)制品在最高燒成溫度下保溫時(shí)間的長短。但是，這種技術(shù)全靠窯工的經(jīng)驗(yàn)積累，無法定量地精確檢測。所以，溫度計(jì)是西方近代科學(xué)革命性發(fā)明的產(chǎn)物。

1592年的一天，意大利物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家伽利略正在威尼斯的帕多瓦大學(xué)講課，邊講邊做加熱水的實(shí)驗(yàn)。

“罐內(nèi)水溫升高的時(shí)候，為什么水面會上升？”伽利略問學(xué)生。

“因?yàn)樗疁厣叩臅r(shí)候體積增大，水面就上升；水溫下降的時(shí)候體積減小，水面就下降?！睂W(xué)生回答說。

聽到學(xué)生的回答，伽利略偶然聯(lián)想到此前遇到的一個問題。

原來，曾有一些醫(yī)生找過伽利略，懇求他說：“先生，人生病的時(shí)候體溫一般會升高，能不能想個辦法，準(zhǔn)確測出體溫，幫助診斷病情呢？”

聯(lián)想到這一問題，伽利略就在學(xué)生回答的啟發(fā)下，利用熱脹冷縮原理，經(jīng)多次研制，于1593年發(fā)明了泡狀玻璃管溫度計(jì)。這個溫度計(jì)的頂端是一個玻璃泡，和它相連的玻璃管中裝著有色液體，倒置在裝有水的杯子中來測量溫度。它的工作原理是，當(dāng)被測溫度的物質(zhì)（這里是空氣）與玻璃泡接觸的時(shí)候，玻璃管內(nèi)上方的空氣就會因?yàn)闊崦浝淇s而發(fā)生體積變化，使有色液柱對應(yīng)下降或上升；玻璃管上標(biāo)明一些可作標(biāo)準(zhǔn)的“熱度”—現(xiàn)在所說的溫度。這就是世界上第一支標(biāo)有刻度的溫度計(jì)—?dú)怏w溫度計(jì)。顯然，氣體溫度計(jì)是不完善的—大氣壓強(qiáng)的變化也會使液柱升降。

當(dāng)然，用氣體的熱脹冷縮性質(zhì)來測量溫度的想法，在伽利略之前早就有了。例如，古希臘科學(xué)家菲隆和亞歷山大·希隆就制造過基于空氣膨脹原理的測溫器。

溫度計(jì)的演進(jìn)—從氣體到液體、固體

1612年，伽利略的同事和朋友、帕多瓦大學(xué)的生理學(xué)家和醫(yī)生—?？送欣飱W·?？送辛羲菇淌冢瑢だ缘臍怏w溫度計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種蛇狀玻璃管氣體溫度計(jì)。它的內(nèi)部有紅色液體，空氣膨脹時(shí)就把液體往下壓，再從玻璃管上刻的110個刻度看出溫度的變化，可用于測量體溫，是世界上最早的體溫計(jì)。

鑒于?？送辛羲沟臏囟扔?jì)不太準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，法國醫(yī)生、化學(xué)家兼物理學(xué)家詹·雷伊在1632年，把伽利略的玻璃管顛倒過來，并直接利用水而不是空氣的體積變化來測量物體的冷熱程度。但是，因?yàn)檫@種溫度計(jì)的管口沒有密封，會因水的蒸發(fā)而產(chǎn)生誤差。這是第一支用水作為測溫物質(zhì)的溫度計(jì)。

1641年，第一支以染紅的酒精作為測溫物質(zhì)的溫度計(jì)，首次出現(xiàn)在意大利托斯卡納大公斐迪南二世的宮廷里。1644～1650年期間，他將其不斷完善而成為具有現(xiàn)代形式的溫度計(jì)：用蠟將裝有紅色酒精的玻璃管口封住，在玻璃管上標(biāo)上刻度。因此，一些人將溫度計(jì)的發(fā)明歸功于這位大公。1654年，這種溫度計(jì)已在佛羅倫薩普及使用。

另外的一種說法是，在1629年，伽利略在帕多瓦大學(xué)的另一位同事—意大利物理學(xué)家兼猶太教師約瑟夫·德米蒂哥，出版了一本書，名為《花園中的噴泉》。書中的一幅插圖，展示了一個盛有白蘭地的玻璃泡溫度計(jì)，旁邊寫著文字“oleb”（上升），這才是第一支溫度計(jì)。但是，這支溫度計(jì)的發(fā)明者卻沒有明確記載，很可能是伽利略或者德米蒂哥。

1646年，意大利物理學(xué)家萊納爾第尼明智地建議，以水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)作為刻度溫度計(jì)的兩個定點(diǎn)。但無奈的是，當(dāng)時(shí)流行的酒精溫度計(jì)內(nèi)酒精的沸點(diǎn)（78.5 ℃）低于水的沸點(diǎn)（100℃）。所以，如果用水的沸點(diǎn)為第二個定點(diǎn)，這對酒精溫度計(jì)顯然不切實(shí)際，所以這一建議當(dāng)時(shí)沒能被采納。這里需要說明的是，國際度量衡委員會在1989年發(fā)出通知，從1990年1月1日起，水的沸點(diǎn)定為99.975 ℃。

1658年，法國天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家兼天主教神父—“科學(xué)史上最具魅力的人物”伊斯梅爾·博里奧，制成了第一支用水銀作為測溫物質(zhì)的溫度計(jì)。他值得一提的故事之一是：早于英國物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家艾薩克·牛頓等人，最先偶然發(fā)現(xiàn)了計(jì)算萬有引力的公式，但博里奧后來又否定了這個正確的公式。

1665年，荷蘭物理學(xué)家、天文學(xué)家與數(shù)學(xué)家惠更斯，也提議把水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)作為兩個固定點(diǎn)，以使溫度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。同年，英國物理學(xué)家與化學(xué)家波義耳，根據(jù)他在1662年發(fā)現(xiàn)的波義耳定律指出了氣體溫度計(jì)不準(zhǔn)的原因及其他缺點(diǎn)。其后，人們大多轉(zhuǎn)向研制使用其他介質(zhì)作為測溫物質(zhì)的溫度計(jì)。1672年，法國發(fā)明家休賓在巴黎發(fā)明了第一個不受大氣壓影響的空氣溫度計(jì)。

有確切歷史記載的溫標(biāo)，1779 年有19種，到了19世紀(jì)末，超過30種，溫度計(jì)的種類更是不計(jì)其數(shù)。

法國物理學(xué)家阿蒙東最先指出，測溫液體是呈有規(guī)則膨脹的，也最先指出氣溫“有絕對零度存在”。1703年，他制成了一支比較實(shí)用的空氣溫度計(jì)。

“按需改進(jìn)”的溫標(biāo)

溫標(biāo)是為了保證溫度量值的統(tǒng)一和準(zhǔn)確而建立的一個用來衡量溫度的標(biāo)準(zhǔn)尺度（例如定點(diǎn)、刻度及刻度間隔等）。伽利略發(fā)明氣體溫度計(jì)之后，科學(xué)家們圍繞溫度計(jì)的測溫物質(zhì)、溫標(biāo)進(jìn)行了不斷的研究，使它更加準(zhǔn)確、方便和實(shí)用，也進(jìn)一步充實(shí)了計(jì)溫學(xué)的研究內(nèi)容。以下簡要介紹5種著名的溫標(biāo)。

一種“經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)”—“華氏溫標(biāo)”

在1709～1714年間，物理學(xué)家、發(fā)明家、儀器制造商與玻璃工華倫海特，把冰、水和氯化銨的混和物平衡溫度定為0°F，人體溫度定為96°F（如以今天人的平均標(biāo)準(zhǔn)體溫37℃計(jì)算，應(yīng)為98.6°F），其間分為96格，每格為1°F。1724年，他又把水的沸點(diǎn)定為212°F；遺憾的是，他沒有把冰的熔點(diǎn)定為0°F，而是定為32°F。這就是目前歐美的一些國家，以及中國香港、澳門等地區(qū)還在普遍使用的著名的“華氏溫標(biāo)”。它是一種用實(shí)驗(yàn)方法或經(jīng)驗(yàn)公式確定的“經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)”。1709年，華倫海特還發(fā)明了酒精溫度計(jì)。此外，他還發(fā)明了在填充工作物質(zhì)水銀的時(shí)候的凈化方法，在1714年制成了世界上第一支實(shí)用的水銀溫度計(jì)。

為什么華倫海特要把冰點(diǎn)定為“奇怪”的32°F、沸點(diǎn)定為 212°F呢？一種牽強(qiáng)的解釋是，他覺得這樣設(shè)定的好處是，可以在水從結(jié)冰到沸騰之間劃分180等分，然后又可以讓人的體溫盡可能接近 100°F（實(shí)際是98.6°F）。事實(shí)上，人們迄今沒有弄清他這樣設(shè)定的真正原因。

以水為“標(biāo)準(zhǔn)”的兩種溫標(biāo)—“列氏溫標(biāo)”和“攝氏溫標(biāo)”

1730年，法國博物學(xué)家、物理學(xué)家、昆蟲學(xué)家和發(fā)明家列奧繆爾研制了一種酒精溫度計(jì)，把水的冰點(diǎn)定為0°R，水的沸點(diǎn)定為80°R，其間分為80格，每格為1°R。這就是著名的“列氏溫標(biāo)”。

列氏溫標(biāo)僅在法國和德國的部分場合使用。

1742年，瑞典物理學(xué)家和天文學(xué)家攝爾修斯制成的一種水銀溫度計(jì)，則是把水的沸點(diǎn)與冰的熔點(diǎn)分別定為0℃和100℃，其間分為100格，每一格為1℃。這就是著名的“攝氏溫標(biāo)”。1743年，克里森指出，這種溫標(biāo)的定點(diǎn)不符合越熱的物體溫度越高的習(xí)慣。攝爾修斯辭世一年后的1745年，他生前的同事—卡爾·馮·林奈，把冰點(diǎn)與沸點(diǎn)的度數(shù)顛倒（即水的沸點(diǎn)與冰的熔點(diǎn)分別定為100℃和0℃）過來，這就是現(xiàn)在還在使用的攝氏溫標(biāo)。不過，另有人說，這一“顛倒”工作是攝爾修斯的另一位同事—他的繼任者馬丁·斯特勞莫爾在1750年做的。

上述3種溫標(biāo)，都是初級的原始溫標(biāo)。它們的缺點(diǎn)有三：溫度值僅在兩個定點(diǎn)是準(zhǔn)確的，其余各點(diǎn)都不準(zhǔn)確；定義范圍有限—例如水銀溫度計(jì)的測量范圍為-38.87℃～+356.9℃；都要依賴含有測溫物質(zhì)（例如水或水銀）的溫度計(jì)。那么，能否找到一種不依賴于溫度計(jì)的溫標(biāo)呢？能—下面的第4種溫標(biāo)，就克服了這些缺點(diǎn)。

甩開含測溫物質(zhì)的溫度計(jì)的溫標(biāo)—“熱力學(xué)溫標(biāo)”

1848年，英國物理學(xué)家威廉·湯姆森即開爾文勛爵，提出了“熱力學(xué)溫標(biāo)”。他還在1854年指出，只需選用一個固定點(diǎn)的數(shù)值，這種溫標(biāo)就完全確定了，這個點(diǎn)就是“絕對零度”。然而，在實(shí)際建立熱力學(xué)溫度單位的時(shí)候，考慮到歷史傳統(tǒng)和當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，他不得不沿用攝爾修斯的0～100℃的間隔作為100個溫度間隔，即每個間隔為1個開氏度（1°K）。這就是至今還在科學(xué)研究中被普遍使用的“開爾文溫標(biāo)”，簡稱“開氏溫標(biāo)”，也稱“理想氣體溫標(biāo)”“熱力學(xué)絕對溫標(biāo)”等。開氏溫標(biāo)的特點(diǎn)是，與物體的任何性質(zhì)無關(guān)，熱力學(xué)溫度只與熱量有關(guān)。開氏溫標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)是，不受測溫物質(zhì)的影響，解除了測溫物質(zhì)因?yàn)槟毯推艿降南拗啤?p>

1927年，第七屆國際計(jì)量大會（簡稱CGPM）考慮到準(zhǔn)確和簡便，決定采用開氏溫標(biāo)作為最基本的溫標(biāo)。1934年，中國著名化學(xué)家、化學(xué)教育家黃子卿在美國麻省理工學(xué)院（簡稱MIT）留學(xué)期間，測定了水的三相點(diǎn)為0.00981±0.00005℃（約0.01℃）。1954年，第10屆CGPM決定，把這一溫度作為熱力學(xué)溫標(biāo)的單一定點(diǎn)，并在數(shù)量上規(guī)定為273.16°K。

熱力學(xué)溫標(biāo)實(shí)際上包含的另一個定點(diǎn)，是不能用物質(zhì)的已知物理性質(zhì)來定義的，它是理論上推導(dǎo)出來的最低溫度—絕對零度或零開氏度。1967年，第十三屆CGPM將熱力學(xué)溫度的單位開氏度（上述°K），改為開爾文（K—Kelvins的簡寫）；開爾文溫標(biāo)和開氏溫度等名稱，也分別被“新國際實(shí)用溫標(biāo)”（簡稱“國際實(shí)用溫標(biāo)”或“國際溫標(biāo)”）和“熱力學(xué)溫度”代替。1968年，國際度量衡委員會也做了相同的規(guī)定。中國也于1973年1月1日起采用。

熱力學(xué)溫度（K）和攝氏度（℃），是中國現(xiàn)在僅有的兩種溫度法定計(jì)量單位—也是國際單位制中溫度僅有的兩種法定計(jì)量單位；華氏溫標(biāo)、列氏溫標(biāo)與蘭氏溫標(biāo)已被廢棄，非特殊情況不得使用。熱力學(xué)溫度（K）、攝氏度（℃）與華氏溫度（°F）的換算關(guān)系是：1 K=1℃=1.8°F。

迄今還有國家在“非法使用”的溫標(biāo)—“蘭氏溫標(biāo)”

第五種溫標(biāo)為美國工程界迄今還在使用的“蘭氏溫標(biāo)”，由“他所在時(shí)代的天才”—英國發(fā)明家和土木工程師蘭金發(fā)明。蘭氏溫度的單位是°R。因?yàn)樘m氏溫標(biāo)也是以水的三相點(diǎn)（273.16K）為起點(diǎn)，所以也是一種“絕對溫標(biāo)”。

“按需改進(jìn)”的溫度計(jì)

隨著攝氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)的建立和制作溫度計(jì)技術(shù)的成熟以及實(shí)際測量的需要，人們先后改進(jìn)、發(fā)明了各式各樣的溫度計(jì)，用于測量各種物體不同的溫度。

例如，德國發(fā)明家卡爾·威廉·西門子在1860年發(fā)明的遙測式電阻溫度計(jì)。

又如，英國醫(yī)生托馬斯·克利福德·阿爾伯特在1865～1867年間，發(fā)明了至今還在使用的、測量人體溫度的現(xiàn)代水銀體溫計(jì)—它離開人體后讀數(shù)不變，可精確到0.1℃。不過，它的水銀泄漏時(shí)會造成危害。1984年，一位芬蘭醫(yī)療器械設(shè)計(jì)師發(fā)明了電子體溫計(jì)（更方便，無有害物泄漏）。

1874年研制成功的“顛倒溫度計(jì)”，可以用來測量江河湖海表層以下的各層水溫。經(jīng)過100多年的不斷改進(jìn)，這種溫度計(jì)的性能已經(jīng)非?？煽俊?zhǔn)確度也較高（可達(dá)±0.02 ℃），至今仍在海洋調(diào)查中廣泛使用。

清康熙年間來華的耶穌會傳教士—最早把溫度計(jì)傳到中國的比利時(shí)天文學(xué)家和科學(xué)家南懷仁，在1664年完成的《靈臺儀象圖》中，就繪有他制作的氣體溫度計(jì)。靈臺就是天文臺—當(dāng)時(shí)位于今北京建國門西南側(cè)的古觀象臺。南懷仁的溫度計(jì)，在木架上豎立了一根U形玻璃管，U形管左側(cè)上端連著一個玻璃球，右側(cè)上端敞開。U形管內(nèi)注入達(dá)到水平線的液體（水或酒），玻璃球的氣體受外界溫度影響膨脹或收縮時(shí)，液體就會在U形管右臂或左臂上升，左右臂旁都標(biāo)有刻度指示溫度。

今天的溫度計(jì)，已經(jīng)有了使用的介質(zhì)材料不同、測量對象不同、用途不同、顯示溫度的器件不同、測量溫度范圍不同、指示溫度的形式不同（通常有直線刻度和指針式這兩種）等在內(nèi)的許多新品種：半導(dǎo)體溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、雙金屬溫度計(jì)、液晶溫度計(jì)、數(shù)字溫度計(jì)、光測高溫計(jì)、便于進(jìn)行℃與°F換算的雙標(biāo)氣溫計(jì)、可同時(shí)測量氣溫和空氣濕度的干濕泡溫度計(jì)、2020年“新冠肺炎”全球大流行期間便于快速測量體溫的額溫計(jì)……

【責(zé)任編輯】蒲？暉

檢測新冠肺炎的利器—額溫計(jì)

檢測新冠肺炎的“法寶”—額溫計(jì)

在這場抗疫戰(zhàn)爭中，檢測是否患有新冠肺炎時(shí)使用的“法寶”之一，就是紅外輻射額溫計(jì)—通過測量額頭的溫度即額溫去測定人體體溫的一種溫度計(jì)。

眾所周知，測定體溫有多種方法和儀器，那為什么額溫計(jì)被稱為“法寶”呢？

原來，測定體溫的諸如電子體溫計(jì)、水銀體溫計(jì)等，有費(fèi)時(shí)（例如電子體溫計(jì)、水銀體溫計(jì)各自需要3、5分鐘）、必須與人體“親密接觸”而使用不便（要插進(jìn)腋窩里或口腔中、肛門內(nèi)）等缺點(diǎn)。于是，省時(shí)（僅需1秒鐘，發(fā)出“嘀”的“蜂鳴聲”）、無需接觸而使用方便（距離額頭1～3厘米，不接觸人體）的額溫計(jì)披掛上陣，可以對大量、密集的人群進(jìn)行快速檢測。

應(yīng)該有的“須知”—如何使用額溫計(jì)

操作方便（使用前只需按下開關(guān)）、對人體不會產(chǎn)生有害輻射的額溫計(jì)，由電池（通常為兩節(jié)5號電池）、紅外探測系統(tǒng)、探測頭、顯示屏（大多為液晶顯示屏）等部分組成。

額溫計(jì)具有兩種模式：“體溫模式”即“體內(nèi)模式”和測量物體表面的“物溫模式”即“表面模式”。測體溫時(shí)，應(yīng)確保置于體溫模式—一般開機(jī)就是體溫模式（如果弄亂了，可以重新啟動），不能用物溫模式。

額溫計(jì)有自己的測量范圍—體溫模式一般為32℃～42.9℃，其精度分別是：32℃～36℃時(shí)，±0.3℃；36℃～39℃時(shí)，±0.2℃；36℃～42.9℃時(shí)，±0.3℃。

一般超過37.3℃時(shí)，就要進(jìn)一步檢查是否為“疑似新冠肺炎病例”或“新冠肺炎病例”。

額溫計(jì)測得的溫度，就是修正過了的體溫。也就是說，不需要像用電子體溫計(jì)或水銀體溫計(jì)這些“接觸型體溫計(jì)”那樣進(jìn)行修正—它們因?yàn)闇y量時(shí)接觸人體的具體部位不同，都要進(jìn)行修正。

測額頭中心位置（“腦門”最亮處）的要求是，沒有頭發(fā)、汗水、帽子、頭巾等遮擋物，距離額頭1～3厘米—緊貼額頭反而測不準(zhǔn)。如果要測量下一次（或下一人），應(yīng)先把額溫計(jì)的探測頭移開，間隔大約5秒后再進(jìn)行測量。

當(dāng)然，上述測量注意事項(xiàng)，都是針對室內(nèi)無風(fēng)的常溫環(huán)境，而其他環(huán)境下的測量較為復(fù)雜。例如，在室外有風(fēng)時(shí)，可以用手腕、頸部等保暖較好的部位代替額頭測量。

此外，還應(yīng)注意使用額溫計(jì)的一般環(huán)境溫度和濕度：通常為10℃～40℃，其中16℃～35℃效果較好，20℃左右最好；相對濕度≤85 %。