高中物理 第四章 气体 第1节 气体实验定律 温度计发展简介素材 鲁科版选修3-3（通用）

高中物理 第四章 气体 第1节 气体实验定律 温度计发展简介素材 鲁科版选修3-3（通用）

温度计发展简介 1593 年，伽利略发明了第一支空气温度计。这种气体温度计是用一根细长的玻 璃管制成的。它的一端制成空心圆球形；另一端开口，事先在管内装进一些带颜色 的水，并将这一端倒插入盛有水的容器中。在玻璃管上等距离地标上刻度。这样， 当外界温度升高时，玻璃球内气体膨胀，使玻璃管中水位降低；反之，温度较低时， 玻璃球内气体收缩，玻璃管中的水位就会上升。 伽利略的一位朋友、帕多瓦大学医学教授桑克托留斯，一直在关注着伽利略研 制温度计的进展。当他看到世界上第一支空气温度计后，按照自己的设想和诊病需 要，对气体温度计进行了改进，在 1600 年制成了世界上第一支体温计。 第一支空气温度计虽能测定温度，但人们发现它的测定结果并不精确，因为气 体温度计下端是与大气相通的，玻璃管中的水位高度不仅受到空心球中空气温度的 影响，而且还受到大气压强的影响。也就是说，即使温度不变，玻璃管内的水的高 度也会有所差异。 此时，伽利略手头的其他研究工作十分繁忙，他没有精力对空气温度计进行改进。 他的学生斐迪南在老师的指导下，决定用液体代替空气温度计中的空气。 1654 年，斐迪南经过对各种液体的试验之后，研制出了世界上第一支酒精温度 计。它是往玻璃球里注适量酒精，再加热玻璃球，用酒精蒸气赶跑玻璃管中的空气， 然后迅速把玻璃管口封死。这样，它就可以避免大气压强的影响。 可是，经过一段时间的使用，人们发现，酒精温度计也存在不足之处，即当用 它测开水的温度时，温度计内一片模糊。原来，水的沸点是 100℃，酒精的沸点是 78 ℃，因此将酒精温度计置于开水之中时，酒精早已变成气体了。显然，只有用高沸 点的液体代替酒精，才能解决这一问题。1659 年，法国天文学家布里奥，利用水银 沸点较高的特性，制成水银温度计。这种温度计可测得 357℃的高温，也可测得-39 ℃的低温。 随着科学技术的发展，人们对测温仪器的要求越来越高。到了 19 世纪末 20 世 纪初，许多科学家运用各种物理原理，发明了多种形式的新型温度计，如电阻式温 度计、辐射式高温计、光测高温计、氢温度计等。 这种温度计的缺点是管中液柱的升降变化还要受到大气压变化的影响，因此误 差比较大 最早的温度计是在 1593 年由意大利科学家伽利略(1564～1642)发明的。原理： 利用同温度下, 不同比重的液体分开置於小球中, 比重小球内包含有色液体，至 於玻璃容器。 当液体的温度改变，它们的密度会随之改变，并且那些悬浮的小球也会上升或下降 到一个与周围的液体密度相等的位置。 如果重物有差异少，排列为最低密度的在上 面，最高密度在底部，这样便形成温度标度。 温度一般是读取自一个被刻记的在各重物上的金属圆盘。顶面重物的最低重物 是表示四周的温度。 他的第一只温度计是一根一端敞口的玻璃管，另一端带有核桃 大的玻璃泡。使用时先给玻璃泡加热，然后把玻璃管插入水中。随着温度的变化， 玻璃管中的水面就会上下移动，根据移动的多少就可以判定温度的变化和温度的高 低。这种温度计，受外界大气压强等环境因素的影响较大，所以测量误差大。 后来伽利略的学生和其他科学家，在这个基础上反复改进，如把玻璃管倒过来， 把液体放在管内，把玻璃管封闭等。比较突出的是法国人布利奥在 1659 年制造的温 度计，他把玻璃泡的体积缩小，并把测温物质改为水银，这样的温度计已具备了现 在温度计的雏形。以后荷兰人华伦海特在 1709 年利用酒精，在 1714 年又利用水银 作为测量物质，制造了更精确的温度计。他观察了水的沸腾温度、水和冰混合时的 温度、盐水和冰混合时的温度；经过反复实验与核准，最后把一定浓度的盐水凝固 时的温度定为 0℉，把纯水凝固时的温度定为 32℉，把标准大气压下水沸腾的温度 定为 212℉，用℉代表华氏温度，这就是华氏温度计。 在华氏温度计出现的同时，法国人列缪尔(1683～1757)也设计制造了一种温度计。 他认为水银的膨胀系数太小，不宜做测温物质。他专心研究用酒精作为测温物质的 优点。他反复实践发现，含有 1/5 水的酒精，在水的结冰温度和沸腾温度之间，其 体积的膨胀是从 1000 个体积单位增大到 1080 个体积单位。因此他把冰点和沸点之 间分成 80 份，定为自己温度计的温度分度，这就是列氏温度计。 1632 年，法国物理学家雷伊（J．Ray）第一个改进了伽利略的温度计。他将伽 利略的装置倒转过来，将水注入玻璃泡内，而将空气留在玻璃管中，仍然用玻璃管 内水柱的高低来表示温度的高低。由于这项改进使水成了测温物质，实际上这成了 第一只液体温度计。它的缺点在于，向上的管口没有封闭，由于水会不断蒸发，会 影响到测量的准确性。科学家就在玻璃泡和玻璃管的相对大小上进行研究，以减少 这种蒸发，使液体能在一年的过程中在整个玻璃管的长度内升降。尽管从今天的角 度看来这种努力的方向不大对头，但从温度计发展完善的全过程来看，这种努力是 有价值的，也是必然会出现的。没有当初在各个方面想方设法的改进，就不会有今 天的完善。 1657 年，佛罗伦萨西曼托（Cimento）科学院的成员们提出了密封管子的思想， 并建议用酒精取代水作为测温物质，从而使最早的温度计进入了较为实用的阶段。 测温物质的研究和确定除上述用酒精取代水作测温物质的尝试外，1659 年法国 天文学家布里奥（I．Boulliau）制造一个温度计，第一次使用水银作测温物质。他 本人从 1658 年 5 月起至 1660 年 9 月，连续进行了两年多的温度观察记录，仅次于 开始于 1655 年的佛罗伦萨的温度观察记录，成为现存最古老的温度记录之一。但到 了 18 世纪，法国的勒奥默有鉴于水银的膨胀系数小，曾强烈反对使用水银作测温物 质。他致力于制造一个既方便又能达到精度要求的酒精温度计。但由于他的温度计 结果不好，并且不同的温度计也不一致，日内瓦的德吕斯（1727—1817）又恢复使 用水银，并以一个物理学家的身份热情地呼喊：“自然界给我们这个矿物肯定是为 了做温度计”。 1747 年，荷兰的穆欣布洛克还发明一种特殊温度计，它是利用金属细杆的膨胀 和收缩原理制成的。35 年后韦奇伍德发明的高温计利用的正是这一原理。 1815 年，杜隆和珀替还比较了水银温度计和空气温度计。他曾假定各个水银温 度计彼此都是一致的，但勒尼奥证明，事情并非如此。勒尼奥还证明，在 0℃和 100 ℃之间，空气温度计和普通软玻璃水银温度计非常接近，但空气温度计的中间刻度 落后于水银温度计约 0．2℃左右。在 250℃时，水银温度计的读数比空气温度计高 半度以上；在 300℃时两种温度计的差别已达 1℃；350℃时差别达 30℃。奥尔舍夫 斯基还比较了氢温度计和水银温度计，发现在低温情况下，氢温度计还是十分可靠 的，当-220℃时，它们的误差不大于 1℃。 究竟什么物质作测温物质好，在一个时期内，物理学家的认识是相当混乱的。 那时他们用“均匀膨胀与否”作为判断理想测温物质的标准，如那时常听人说“水 银温度计的优点是水银会均匀地膨胀”，“空气温度计的优点是空气会均匀地膨胀或 近似均匀地膨胀”。然而被用来确立这种均匀性的参考标准就很难给出，因为原则上 我们可以取任何一种物质作为标准，然后就把那种物质的相等增量定义为温度的相 等增量。但问题在于，若选定一种物质（比如水银）作为标准物质后，若断言该物 质会“均匀”膨胀，这就武断了。况且当两种测温物质比较时，如果水银是任定的 标准，则空气就不是完全均匀地膨胀，反之亦然。这种差别直到 1848 年才由开尔文 勋爵第一个揭示出来。他建立了温度的“绝对热力学温标”，该温标不依赖于任何一 种特定物质的特定性质，为温度计构成了一个比任何特定温标要好得多的基础。按 照这个我们现在的最终的参考温标，空气温度计所给出的读数很近似于它。