温度计

现在人们一般都认为近代第一个温度计是伽利略发明的。断(83)定他发明的主要根据是他的朋友和学生的证言。因为从幸存下来的他自己的著作来看，其中似乎只是附带地提到过这种仪器的原理。在 1613 年 5 月 9 日写给伽利略的信中，他的朋友萨格雷多把这个发明归功于他，但在后来的一封信

（1615 年 2 月 7 日）中他声称自己已对他经常使用的这种原始形式的仪器作了改进（Le ope- re di Galileo Galilei,Edixione Nazionale，1890—1909， v01.xI，P.506，and Vo1.XI1，P.139）。另外，根据维维安尼的说法（vita di Gal-iieo Galilei，Florence， 1718），伽利略约在 1592 年发明了这种仪器；卡斯特利曾写信告诉切萨里尼（1638 年 9 月 20 日），说在 1603 年曾看到伽利略在演讲中使用过温度计：“伽利略拿出一个鸡蛋大小的玻璃容器，配有一根麦

秆那样粗、二拃长的玻璃管；他把这玻璃泡放在手里弄热，然后把它倒过来，让管子浸在另一个容器所盛的水中；一当这玻璃泡冷却下来，水就在管子中上升到水面上一柞的高度；他用这仪器来检测冷

热程度”（opere，Vol.XVII.p.377，亦见 H.C.B0ltOn：The Evolution of the

Thermometer，1592—1743，1900，p. 18）。

可见，伽利略早年做实验用的是一种空气温度计或者说空气验温器，它是一根下端开口、上端呈封闭玻璃泡状的玻璃管（图 44）。玻璃泡里有空气， 当温度上升或者降低时，泡中的空气就膨胀或者收缩，而玻璃管中的水便随着下降或者上升。玻璃管上很可能附有标度。因为，在他的《对话》的“第一天”里，伽利略说到过热 6 度、9 度和 10 度（opere,Ediz.Naz.Vol.VII，

p.55）。萨格雷多必定也给他的仪器附上标度，因为（在他 1615 年 2 月 7 日的信中）他曾提供在下述三种情形里他的仪器的读数：夏天最热的时候（360 度）、浸在雪中时（100 度）和放在雪和盐的混和物中（零度）。

伽利略很可能是从亚历山大里亚的希罗的著作中得到启发而产生制造验温器的想法的。古代人已经知道空气变热时要膨胀。希罗的机械玩具有一些就是根据这个道理制造和作用的，而拜占庭的斐罗（公元前或者公元一世纪） 实际上已经制造过一种验温器。死于 1637 年的罗伯特·弗拉德记述过一种验温器，他说他在一份大约五百年前的手稿中看到关于这种验温器的描述

（Philoso- phia Moysaica，Goudae，1638；Mosaicall Philosophy,London， 1659）。尽管这样，伽利略还是最早考虑利用空气膨胀来测量温度的近代科学家。

(84)萨格雷多称温度计是一种“用来测量热和冷的仪器。”therm-omètre

〔温度计〕这个术语最早见于 J.勒雷雄的《数学娱乐》（Larecreation mathematique）（1624 年）。

就在伽利略和萨格雷多对各地和不同季节的温度进行比较，用冻结的混和物进行实验的同时，伽利略的一位医学朋友、帕多瓦大学医学教授桑克托留斯在用一种特殊的验温器指示人体热度的变动，如他在其 1612 年（写于1611 年）于成尼斯出版的《盖仑医术评注》（ Commentaria in artem medicinalem， Galeni）中所述。这种独特的验温器可以看做是最早的体温计。它的说明和图示见第十八章（见边码第 432 页）。这里只需再指出一点： 桑克托留斯还曾试图用他的验温器来比较大阳的热度和月球的热度。

弗兰西斯·培根在他的《新工具》（1620 年）里描述了一种和伽利略验温器非常相似的仪器，上面附有纸质标度（Book II，xiii，38）。然而，这种标度究竟怎样，现在一无所知。不管怎样，这种标度不可能是可靠的，因为只要有气压和温度的变化，就会影响(85)管中液体的位置。因此，它只能用于测量比较短时间里的温度。

在发现了他的气体定律之后，鉴于已知的气压的可变性，玻义耳清楚地看出了空气温度计的这个根本缺陷。他写道：“这些仪器要受大气重量变化以及热和冷的影响，因此可能⋯⋯很容易在许多情形里常常告诉我们错误的结果，除非在这些情形里我们用别的仪器观察大气当时的重量”（ New Experinients and Observationstouching cold,London,1665 ， p.71; Works,ed,.1772，Vol.II，P.498）。不过，在整个十七世纪上半期里，这种空气温度计一直在应用，并得到发展。基歇尔（Magnes ，sive de arte magnetica，Rome，1641）描述过一种验温器，它的玻璃管两端都开口，浸入盛在另一个封闭玻璃泡内的液体之中，关闭在泡里的液体上方的空气受热后，便会膨胀，迫使一部分液体顺着玻璃管上行。基歇尔指出这里可以使用汞。

图 45—盖里克的验温器

奥托·冯·盖里克制造过一种改进的空气温度计（Experime-nta NOva， 1672，BookIII）。它是一个盛有空气的铜球。球附装有一根内盛酒精的 U 形管子，后者将该球形容器封闭（图 45）。酒精上有一个浮子，浮子系一根线，线绕过一个滑轮，下面垂一个指示温度的小天使像。当球中空气膨胀时， U 形管开口分支中的酒精上升，小大使就下降；反之，当空气收缩时，小天使就上升。盖里克用的温标有 7 度，从“大热”到“大冷”。当然，作为一个研究气压计的实验家，他知道气压是变化的。因此，他在验温器的铜球里放入一个阀门，这样当气压变化时，封闭空气的体积也相应变化，从而补偿了气压的变化。

阿蒙顿制造了一种空气温度计。这种温度计不是用封闭空气的膨胀，而是用其压力的增加来测量温度。它的读数定期校正，以适应大气压强的变化

（Mem.de l’Acad.des Sciences,Paris， 1688）。

这种仪器是一个汞虹吸气压计 ABC，它的管子在下面的汞面处膨大成一个泡 c， 然后再一直垂直向上，端未是另一个泡 F。管子的 CD 部分内盛有碳酸钾溶液，而它上面是油柱 DE，管端(86)密封的泡 FE 中是空气。在制造时， 管子在 A 和 F 处最初是开口的。竖直放置，在 F 处装上一个漏斗并用蜡密封， 然后注入汞，直至汞面上升到 A 的一半左右。然后用烛焰和喷管将 A 处的开

口密封。接着将管子倒置，以便把日泡中的空气和支管 FG 中的汞去除。当再将此管子竖直放置时，汞上升到 C， 而在 B 的上面形成托里拆利真空。C 以上的空管现在充入有色的钾碱溶液到 D，另一半则充油到 E。然后把管子放置一个星期左右，让各种液体达到它们正式的高度。这时把 F 端密封起来，把管子固定在一块板上面，后者沿 CE 标有刻度。油和盐溶液的交接部在标度上的位置即表明了温度。

阿蒙顿的仪器和这个时期的其他仪器当时主要缺乏一种精确的标准温标。在后来关于这个问题的一篇论文（Histoire del’ Ac- addmie des Scieinces，1703）中，阿蒙顿描述了另一种 U 形管式空气温度计，其中空气的量保持恒定，而其（用约束汞柱的高度表示的）压力是可变的，并在各种待比较的温度上进行测量。阿蒙顿希望如此能避免因温度计管子口径不均匀所引起的误差。

图 46—阿蒙顿的温度计

法国医生让·莱伊似乎第一个在 1632 年 1 月 1 日致默森的一封信里提议制造液体温度计（Rey’SESSays,1777，P.136）。他把伽利略的验温器反过来装，在泡里充水，管子里充空气，用水的膨胀来指示温度。他写道：“使用的时候，将袍充满水直到颈部，把它(87)放在太阳下面或者一个发烧病人的手里；热使水膨胀而上升，上升多少视热度高低而定”（Bolton，上引著作，p.30）。他看来没有把管子端未封住，而如果这样的话，水的蒸发必定位这仪器变得非常不可靠。

液体温度计制造上的一个重大改良归功于托斯卡纳的大公斐迪南二世， 他是佛罗伦萨西芒托学院的创建人之一。他用有色的酒精代替水作为测温液体，并将玻璃管密封。这个改良或许是早在 1641 年作出的，不过肯定他说则

是在 1654 年。佛罗伦萨学院成员一律使用这种温度计，它们也因而得名为佛罗伦萨温度计（见图 47）。这些温度计的分度都直接制在玻璃上面，而不是用另外的棕度附贴到温度计上；但是这些分度是用细玻璃珠而不是细线标出的，因此这种仪器的优越性有所减色。按照所需要的精确度，学院使用的温度计有四种。它们的分度数目从 50 到 300 不等。图 48 所示的佛罗伦萨温度

计有 300 个分度。由于管子太长，不能制成直管，因此巧妙地把它做成螺旋形状。各种温度计在玻璃泡大小、管子直径和酒精数量三者的关系上保持相同，因而彼此相似。令人非常奇怪的是，这些温度计没有定点，佛罗伦萨学院仅仅试图保持两个定点，即托斯卡纳仲冬时分温度计酒精的最低位置和仲夏时分的最高点。这两个点分别和一百分度温度计上的第十六度和第八十度大致相当。

学院成员也常常利用浮在一个容器里的酒精液面上的许多带标度的空心玻璃球来估计温度。当液体上升超过某个相应的温度，其密度因而减小到某个值以下时，每个玻璃球都会下沉。这样，随着酒精热起来，这些球将按照规则的次序挨个下沉，于是就测下了这温度的上升。

佛罗伦萨温度计不久就传到欧洲。最早进行测温实验的英国人是玻义耳和胡克。玻义耳曾为缺乏一个绝对的测温标准而感到苦恼（New Experiments and Observations touching Cold,London，(88)l665，Discourse II，Words， ed. 1772，Vol.II，pp.489 f.）。他建议以茴香子油的凝固点作为一个定点， 而认为不需要两个定点。胡克在他的《显微术》（1665 年，第 38、39 页）

里，当谈到密封温度计时写道：“我已经⋯⋯使之变得非常确定和十分灵敏。”温度计充以胭脂红色的酒精，夏天酒精接近达到管顶，冬天接近达到管底， 而且不容易凝固。玻璃泡浸在刚刚凝固的蒸馏水中时的酒精位置取为一个定点，并标在管茎上：“至于我的其余分度⋯⋯我按照液体相(89)对刚才提到的它冷得凝固起来时的那个体积的膨胀或收缩的程度，加以确定。”

图 47—佛罗伦萨温度计图 48—佛罗伦萨螺旋温度计

在 1665 年 1 月 2 日写给罗伯特·莫里的信中，惠更斯提议使温度计标准

化，方法是商定一个确定的泡的容积与管径的比例，并取水的冰点或者沸点作为一个定点，据此来计量度数（ schriften der naturfor-schende Gesellschaft, Danzig；N. F.VII）。H.法布里（Physica，Leyden，1669） 发现有必要用实验来确定两个定点，并把中间的温度划分成任意多个相等的度；他利用雪和最酷的暑热给出这两个极端温度；达朗塞（Traittez des barometres,ther-mometres，etc.， Amsterdam，1688）建议用水的冰点和黄油的熔点作为两个定点；曾是西芒托学院成员的 C. 雷那尔迪尼

（Naturalisphilosophia,Padua,1693，1694）建议利用冰的熔点和水的沸点这两者，把中间温度划分为十二等分。

现在不知道什么时候以及是谁首先想到可以把汞的膨胀应用于计温术或者首先这样做过。佛罗伦萨学院成员用金属做过实验，发现它虽然对温度变化的反应比水快，但膨胀程度不如水。马斯格雷失描述过汞体温计。哈雷

（Phil.Trans.，1693，Vol. XVII，p.650）做过水、汞和酒精的热膨胀实验， 以便确定哪一种最适用于计温术。他发现水对变热和变冷的反应很慢，虽然它最终表现出相当明显的体积变化。但是，水的冰点很高，因此它不适宜于在我们的气候条件下应用。汞由于对变热作出即时的反应而略胜一筹，但是汞的膨胀比例不如水；酒精膨胀相当厉害，但在容器中的水达到沸点之前， 它早就挥发了。考虑了他实验的种种结果之后，哈雷得出结论：没有什么测温媒质可以同空气相比；他似乎产生了复活空气温度计的念头，想采取适当的防护措施来克服其缺点。

和哈雷差不多的时候，牛顿也从事计温术的研究。他的成果比较重要， 但到很晚才发表（Phil.Trans.，1701， Vol.XXII，p.824）。牛顿制定了一个温度标，其范围从水的冰点到煤火的温度，并提供(90)了下述中间数据： 煮沸水所需的温度、熔化蜡、铅和各种易燃金属化合物所需的温度以及使物体达到赤热所需的温度。在制定这个温标时，对于较低的温度，牛顿使用一个亚麻子油温度计，它以水的冰点为零点，量出人体的温度为十二度。他使温度与亚麻子油的膨胀成正比。对于较高的温度，牛顿利用一块厚铁板，加热到赤热，然后借通风来自然冷却。铁板在任何时刻的温度均通过观测这铁后来冷却到人体温度所需要的时间来估计。为此牛顿提出了以他命名的冷却定律：“炽热的铁在一个确定时间里传给附近物体的热，即这铁在一定时间里所失去的热，视这铁的总热量而定；因此，如果取若干相等的冷却时间，那未这些温度将成几何比”（Phil. Trans， 1701，Vol.XXII，p.828）。这条定律现在通常这样表述：一个物体在任一时刻的冷却速率同其温度超过环境温度的逾量成正比。这条定律仅对小的温度逾量成立；但牟顿用它来比较各种金属试样的温度，这些试样放在随着冷却

而凝固起来的加热过的铁的上面。他偶然发现，所研究的这些金属都在一定的温度上发生凝固。利用这种温度计和铁板进行一系列充分重迭的测量，就可把所有的温度都用这温度计的分度来表示。

约莫在 1714 年，D.G .华伦海特（1686—1736）创造了现在仍以他命名的大家熟悉的那种温度计。华伦海特是一个富有的但泽商人的儿子，但他一生大部分时间都在阿姆斯特丹度过，在那里潜心于科学研究。他访问过英国， 被选为皇家学会会员。他对气象学很感兴趣。这导致他制造和改良温度计。在一度利用酒精之后，华伦海特采用汞作为测温液体，并取了三个定点：（1）冰、纯水和盐或氯化铵的混和物的温度（＝零度）；（2）冰和纯水的混和物的温度（他标之为 32°）；以及（3）人体的温度（他取其为 96°）。（见phil.Trans.，1724—6。）

后来华伦海特又扩展了他的温标，以包括水在标准大气压下的沸点（标为 212°），甚至汞的沸点（标为 600°）。鉴于水的沸点随大气压而变化， 华伦海特制造了一种温度计，它同一个专门用于气(91)象学而不是用于测量高度的气压计相组合（后来卡瓦罗和沃拉斯顿分别于 1781 年和 1817 年加以改进，称之为温差气压计）。

这里只需叙述有关温度计的几件事实。列奥弥尔于 1730 年引入一种温标，它在水的冰点和沸点之间划分 80 度（Mém.del’-Acad.des Sctences， Paris，1730，p.452；1731，P.250）。他是由于注意到下达事实而提出这个温标的：标准浓度的酒精在从水的冰点加热到沸点时，其体积从 1，000 份膨胀到 1，080 份。因此，他的温标的每一度所代表的温升相当于这种酒精的原始体积平均膨胀千分之一。A.摄尔絮斯于 1742 年发明了分为 100 度的温标， 但今天的百分温标是里昂的克里斯廷发明的（1743 年）。摄尔絮斯把融冰的温 度 标 为 100 ° ， 而 把 水 的 沸 点 标 为 零 点 （ Vetenskaps AkademiensHandlingar，Stockholm，1742）。最早的有效的最高最低温度计是 詹姆斯·西克斯发明的，它的钢质标尺可用一块磁石调整

（Phil.Trans.1782，vol.LXXII，p.72）。

在结束温度计的论述之前，我们再提一种有关的仪器即华伦海特的沸点测定器（图 49）。