温度测量的历史，本文主要内容关键词为：测量论文,温度论文,历史论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
16世纪以前，人类对物体的温度（冷热程度）的把握和描述都是粗略的。16世纪，热学中的测温学和量热学逐步发展起来，这时的人们主要利用物体的热胀冷缩的性质，制造了测量物体冷热程度的仪器——温度计。
最早的温度计是意大利科学家伽利略于1593年发明的空气温度计（1612年又发明了液体温度计）：一根麦秆那么粗的一端敝口的长玻璃管，另一端有一个核桃大小的玻璃泡。使用时使玻璃泡受热（接触受测物），然后把玻璃管插入水中（带玻璃泡端在上方），玻璃泡内的空气冷却后，水就上升到玻璃管中，因为水在玻璃管中上升的高度决定于玻璃泡内气体原来的冷热程度，所以能测出被测物体的冷热程度。由于这种温度计受大气压强等环境因素的影响，所以误差是很大的。后来，伽利略的学生和其他科学家在这个基础上反复改进，把玻璃管倒过来，把带色的液体放进管内，把玻璃管封闭起来和把玻璃泡的体积缩小，并在玻璃管上刻上刻度等，这样的温度计已具有现在温度计的雏形了。
但是，在那个时代，不同的人制造出不同的温度计，且你的一度，我的一度，和他的一度，完全不一样。而且，确定温度的起点也不同，这样同一物体的同一温度，各人所测量的结果就完全不同。怎么办？于是，人们想到了把温度统一起来。
那个时候，要把温度统一起来并不容易。首先，得找一个固定的温度点，这个温度点便于重复，无论在哪个地方出现，它们都彼此一致，这就是我们现在所讲的温度零点的确定。同时，还得再找另一个温度固定点，并确定这两个固定点之间的等份划分，这就是我们现在所讲的温度分度方法，把这两方面综合起来，就是现在物理学上的一个基本概念——温标。
温标是温度的标尺，为量度物体温度高低而对温度零点和分度方法所作的一种规定。也就是说，温标是温度的数值表示法，各种各样的温度计的数值都是由温标决定的。可见，在当时，建立起一种经验型的温标要包含三个要素：选择某种测温物质的某一随温度变化的属性；选定固定温度点；对测温属性随温度变化的关系作出规定。
由此看出，要把温度统一起来，就应先建立起温标。但是要建立起一种统一的温标并不容易。历史上曾建立的几个不同温标的过程和状况大致如下。
出生于德国，生活在荷兰的物理学家华伦海特在1709年用酒精，在1714年用水银作为测温物质制造了比较精确的温度计。他把水、冰和海盐混合物（即结冰的盐水混合物）的温度定为零点，把健康人的血液的温度（人的正常体温）定为另一个固定点，其间分为4×24＝96等份， 每一等份为一度，按照他的这种分法，水的冰点就定为32度，标准大气压的水的沸点就是212度，期间正好相差180度，这就是现在所说的华氏温标。在这一温标上，人的正常体温为96度。用华氏温标表示的温度叫华氏温度，用t[,F]表示，单位叫华氏度，符号为°F。华氏温标在当时立即被英国和荷兰采用。直到现在，这种温标仍在英国、美国、加拿大、南非、澳大利亚和新西兰等国使用。
华伦海特生于德国商人家庭，是家中的长子，年纪轻轻就不得不继承父业，学习经商。但自然科学对他的吸引力远远大于商业，所以在1706年完成学业后，他就完全献身于物理学的研究工作。1714年他成功地设计了两种酒精温度计。1724年，他发表了关于制造温度计的方法等文章，并作了一次关于水银温度计的报告，于当年被选为皇家学会会员。他还成功设计了新型的液体比重计和带气压表的温度计。
1730年法国人列缪尔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，他通过实验发现，若取含1／5水的酒精的体积在水的冰点这一温度时为1000份， 则当温度达到水的沸点时其体积就变为1080份。因此，他把水的冰点定为零度，水的沸点则定为第二个固定点，期间分成80等份，每一等份为一度，这样，水的沸点就是80度。这样的温度表示法叫做列氏温标，用列氏温标表示的温度叫列氏温度，用t[,R]表示，单位叫列氏度，符号是°R。这种温标较多地为德国人采用。华氏温度与列氏温度的换算关系是：
t[,R]＝4／9（t[,F]－32），或t[,F]＝9／4t[,R]＋32。
列缪尔生于法国，最初研究法学，1703年到巴黎研究数学和物理。在25岁那年就成为巴黎科学院院士。他作为科学院院士的50年里先后12次担任科学院主席。
1742年，瑞典天文学家摄尔修斯创立了摄氏温标，亦称“百分温标”。摄尔修斯用水银作为测温物质。在水的冰点和沸点间把水银柱等分为100份，每等份为一度，起初，他是把水的冰点定为100度，沸点定为零度，这样使用起来很不方便。8年之后， 他的同事和学生把这种规定颠倒过来，并逐步确立了现在还在普遍使用的摄氏温标：定水的冰点即冰的熔点为零点（零度），标准大气压下水的沸点为100度， 中间等分为100份，每份为一度。用摄氏温标确定的温度叫摄氏温度，用t表示，单位是摄氏度，符号是℃。华氏温度t[,F]与摄氏温度t的换算关系是：
t[,F]＝9／5t＋32，或t＝5／9（t[,F]－32）。
摄尔修斯生于瑞典，是天文学教授，曾为科学研究周游了德国、法国和意大利。他的科学活动表现在天文学、地质学和物理学上。他是瑞典科学院的成员。1742年他在《对一个寒暑表上两个固定点的观察》一文中描述了他创立的温标。
很显然，摄氏温标比华氏温标和列氏温标方便多了，因此，这种温标一直使用至今。目前，世界科技界和工农业生产中以及我国、法国等世界上大多数国家都在使用这种温标。
摄氏温标虽然在生活上使用很方便，但却不太适合于科学研究（华氏温标和列氏温标与之相比，就更甚了）。首先，它的一度是不很精确的，无论水银柱还是酒精柱或其它液柱，随着温度均匀的升高，它们的高度却并不是完全均匀地增加的。因此，在水的冰点和沸点间把它们的高度变化均分成100份，称每一份就是一度是不够精确的。其次， 是测量温度的范围受到了限制。水银在温度下降到摄氏温度－39℃时就会凝固，而当温度达到摄氏温度五六百度时，装着水银的细玻璃管却要熔化了。那么，在低于水银凝固点或高于玻璃熔化点温度区域，如何测温呢？于是，需要寻找制定另一种更科学的温标。
约100 年后， 英国科学家威廉·汤姆逊（后来改名为开尔文）于1848年创立了开氏温标，又称绝对温标，后来还称为国际温标，现在由国际计量大会命名为热力学温标，这是至今为止最为科学的温标。
开尔文（1824—1907）生于爱尔兰一个大学数学教授家庭，自幼轻松自如地学习和掌握学校的课程。16岁进入剑桥大学读书，后去巴黎。22岁时被聘为格拉斯哥大学物理教授。他研究的范围广泛，包括热学、电学、磁学、力学、流体动力学等。1847年在牛津召开的英国科学协会会议上，23岁的开尔文结识了当时29岁的焦耳。在焦耳的影响下，开尔文开始了对热学的深入研究。1848年，发表了第一部热力学著作，以卡诺原理为基础，确立温度的绝对温标概念。1851年，发表《热力学理论》一书，提出了热力学第二定律。他还为建立横越大西洋水下电报电缆作出了重大贡献，发明了数十种仪器，得到70个发明专利。他在电磁学方面也有不少成就。1890年当选为皇家学会会长。1892年，被授予贵族称号，并受封为勋爵。
开氏温标是建立在热力学第二定律基础上由卡诺循环引入的、理想的温标。它完全不依赖于任何测温物质及其测温属性。
开氏温标是在为寻找制定一种更科学的温标的背景下而确立的。在这个过程中，科学家认为应选择比冰的熔点和水的沸点更精确的温度点作为温度的定标点。经研究发现，当冰、水和水汽处于平衡共存状态时，它们的温度极为稳定，这个温度点称为水的三相点。刚开始时，科学家把水的三相点温度定为273度。后来发现， 如果把水的三相点温度不定为整数，而是定为273.16度，这倒在使用中更为方便。于是，把水的三相点温度定为273.16。用K表示度，则水的三相点温度为273.16K。在开氏温标中，也规定在冰的熔点和水的沸点间分成100个等份。这样，开氏温标和摄氏温标在温度数值表示方面就没有太大差别，1K的温度间隔和1℃的温度间隔是相等的，只是温度算法的起点不同而已。它们之间只差一个常数，换算时，只要加上或减去这个常数就行了。就像计算山顶的高度一样，既可以从山脚算起，也可以从海平面算起，它们的结果只相差一个常数。科学家还发现水的三相点温度比冰的熔点（水、冰、空气混合状态）温度约高0.01K。因此， 冰的熔点（即摄氏温标零点）的开氏温度是273.15K。这样， 摄氏温度和开氏温度换算时就是加上或减去这个常数。
上述四种温标之间的关系如图1所示。
随着科学的进步和社会的发展，到了20世纪，国际有关组织认为需要在全世界范围对温度的表示法作出统一的科学规定。于是，1927年第7届国际计量大会决定采用开氏温标作为最基本的温标， 称为国际温标或热力学温标。1960年第11届国际计量大会规定采用单一固定点（水的三相点温度）来定义热力学温标。规定水的三相点的热力学温度为273.16度；规定用热力学温标表示的温度叫热力学温度，用T表示， 单位是开尔文，简称开，符号是K；规定1开等于水的三相点的热力学温度1／273.16；规定热力学温标的零点称为绝对零度，记为OK。 现在这种温标一直作为温度测量的标准。在这样的规定下，水的冰点（冰的熔点）的热力学温标近似地等于273.15K。
选水的三相点温度这一固定点作为温度定标点的优点是在实验装置中水的三相点温度可以长期维持在万分之一度不变，同时三相点不牵涉到外界条件如大气压强等。
热力学温标的零点——绝对零度，是宇宙低温的极限，宇宙间一切物体的温度可以无限地接近绝对零度但不能达到绝对零度。为了统一摄氏温标和热力学温标，第11届国际计量大会还对摄氏温标作了新的定义。规定它由热力学温标导出。它的定义为：
t＝T－273.15。
t和T分别表示摄氏温度和热力学温度的数值。这就是说，规定热力学温度273.15K为摄氏温标的零点（零度）。 在要求不太精确的条件下，可以取：
t＝T－273。
值得说明的是，在新的定义下，摄氏温标的零点与冰点并不严格相等，但相差甚微，两者在万分之一度内是一致的。在新的定义下，在摄氏温度里，标准大气压下，水的沸点也不严格等于100℃，但差别不超过百分之一度。热力学温标、摄氏温标、华氏温标、列氏温标的相互换算关系式如下：
