在17世纪中后期,众多发明家研制出多种多样的温度计,首先认识到需要温标的是波义尔,后来包括牛顿在内的许多科学家都研究过温标的问题。最终有三种温标被世人所接受并使用。按照时间顺序,公认的是华伦海特在1714年发明了华氏温标,1941年底(有说1742年)摄尔修斯发明了摄氏温标,1848年开尔文爵士提出绝对热力学温标。
华伦海特(1686-1736),出生于当时的德国但泽(现属于波兰),最后迁居荷兰,所以有人说他是德国人,也有人说他是荷兰人或者波兰人,其实但泽绝大多数居住的是德国人。1701年,他原本殷实的家庭出现了变故,父母因误食毒蘑菇意外去世。于是,他在监护人的安排下到阿姆斯特丹学习生意。当时,制造科学仪器的新行业正在迅速发展起来,华伦海特很快迷上了这个行业,他在阿姆斯特丹学习并掌握了制作玻璃器皿的技术,并最终成了一个气象仪器制造商。
同样是在1701年,丹麦的天文学家奥勒·罗默(1644~1710)为了观测气象制作了一个酒精温度计。这里插一句,罗默最大的成就是第一个成功的推算出光速的人。
为了观测气象,当时罗默根据两个普遍适用的基准点来标记温度计的刻度:把沸水的温度规定为60度,把融化中的冰的温度规定为7.5度,把冰水和盐(氯化铵)混合物的温度定为0度。为什么罗默要这样规定呢,因为他是天文学家,所以同样用角度或时间的60进制来划分刻度。这样,冰的溶点刚好是60度的1/8。由于罗默没有发表他的发明,所以,当时的人并不知道他做了什么。
1708年,华伦海特来到丹麦的哥本哈根,拜访了居住在这里的天文学家罗默。有一天,罗默为了测量气温制作了几支温度计。当罗默开始给他的温度计标注刻度时,华伦海特注意地观察着。他发现罗默给气象温度计标刻度时,从0度标到22.5度,这让华伦海特产生了误解。他在给朋友的信中回忆了罗默制作温度计的情况“我在一个晴朗的上午去看望他,他已经在冰水混合物中竖起了一些温度计,然后将他们再浸入到和体温一样的热水中。他在这些温度计上标出这两个限定点之后,又在冰点以下,等于两个限定点距离一半的位置刻上了一条线,这样整个距离分为22.5部分,最底下0开始,然后是冰水混合物的7.5,而22.5是人的体温”。看到没?华伦海特误解了罗默的做法,认为罗默把人体的体温作为温度计的上限。其实罗默是因为测量气温,所以刻度标到了22.5(22.5度是60度的3/8)而不是人的体温。罗默的22.5度相当于今天摄氏温标中的28.6摄氏度,比人的正常体温(36-37摄氏度)低很多。
有时候,科学也需要误打误撞。就这样,华伦海特后面在决定温度计刻度时,把人体温度作为一个基准点。他按照对罗默方法错误的理解标记温度计的刻度。温度计的玻璃泡放进健康男性的嘴里或者腋下,把这时温度计液柱到达的位置标成22.5度;再把玻璃泡插进冰水中,把这时的液柱位置标为7.5度。但是,这样得到的每一度他觉得太大了,因为,从冰水温度到人的体温,间隔只有15度。,同时7.5度和22.5度都带有小数。于是,他先把7.5度调整为8度,再把22.5度调整为24度(仍然保持3倍关系),然后进一步将每一度分成4份,这样,所有的数值都变为原先的4倍大,冰水温度就变成32度,人的正常体温变为96度。
有人称华伦海特为科学家,其实他更应该是一个商人,科学仪器制造者。为了使他的仪器胜过其他竞争者,他对温度测量进行了很多研究工作,其中在正常气压下,测得水的沸点是212度。实际上,按照他的温度标准,水的沸点应当是205度~207度(按人体温度36.5℃~37℃),计算如下:人体体温按37℃,96℉的话,摄氏温标的1度等于华氏温标的64/37,于是96+(64/37)×63=205。
所以,华伦海特测得水的沸点212度是一个错误的数值。华伦海特凭借在气象仪器制造上的成就,被选入伦敦皇家学会,于1736年去世。后来人们发现,选用人体温度做温度计的高温基准不是个好办法,因为人体温度并不十分恒定,而且不同人的体温也略有差别。所以,后来的温度计制造者改用沸水温度作为高温基准,低温基准则仍然使用冰水温度32度。然而,在规定沸点温度的数值时,人们沿用了华伦海特报道的(错误的)数值,将沸水温度规定为212度。这样,刚好212度和32度之间是180度,将这两个温度之间划分为180等份,每一份就是1华氏度(℉)。这就是后来的所谓华氏温标,可谓又一次将错就错。按照这个标准,人体的温度应该在98.6℉(37℃)。现在,只有美国和缅甸和利比里亚等极少数几个国家在使用华氏温标。
还是1701年,天文学家摄尔修斯出生于瑞典,他的一生主要精力贡献给了实验物理、磁学和天文学。1744年4月25日,年仅42岁的摄尔修斯死于肺结核。他被称为瑞典天文学的奠基者。
气象观测最重要的是温度的测量,摄尔修斯同样对温度计及有关实验产生了浓厚的兴趣。1741年底,他做出了自己的第一支温度计。他选择水的冰点和沸点作为两个固定点,把冰点和沸点之间等分100个温度间隔。把沸点定义为0度,冰点定义为100度。为什么会这么奇怪的定义呢?因为摄尔修斯所在的瑞典地处高纬度地区,一年当中大部分时间都被白雪覆盖,为了更方便地记录当地的气温才如此定义,这样一来,记录瑞典本地的气温从来不会出现负数或是零下的温度。
在摄尔修斯去世后的1750年,他的同事斯托墨建议把两个固定点的温度值颠倒过来以符合人们的习惯,于是把水的冰点定为0度,水的沸点定为100℃。这种温度计起初在瑞典最为常用,整个18世纪被称为“瑞典温度计”。后来,人们还是把它称为摄尔修斯温度计,也称为百分温标。1948年的国际计量大会正式将其命名为摄氏温标。
一个世纪后,英国物理学家威谦·汤姆逊(后因封为开尔文勋爵,故又名开尔文),根据热力学第二定理和卡诺热循环理论,于1848年提出绝对热力学温标(简称绝对温标,又称开氏温标。以K表示)。
威谦·汤姆逊在物理学的各个领域,尤其是热学、电磁学及工程应用技术方面作出了巨大的贡献。除了在1848年创立绝对温标外,1851年他和克劳修斯各自独立地发现了热力学第二定律。1852年他和焦耳一起发现了焦耳—汤姆逊效应,这一发现成为获得低温的主要方法之一,广泛地应用到低温技术中。此外他制成了静电计、镜式电流计、双臂电桥、虹吸自动记录电报信号仪等多种精密测量仪器。他十分重视理论联系实际,善于把教学、科研、工业应用结合在一起。在工程技术中,装设第一条大西洋海底电缆是他最出名的一项工作。开尔文一生不懈地为科学事业奋斗的精神,永远为万人敬仰。人们为了纪念他,把国际单位制中的热力学温度的单位定做“开尔文”。绝对温标与测温物质的性质无关,因而它是一种基本的科学的温标,更多应用在科学研究中。
最后,总结一下,国际上常用绝对温标(即开氏温标),符号为T,单位为K;摄氏温标,符号为t,单位为℃;另外的摄氏温标,符号为F,单位为℉。
摄氏温标与绝对温标的换算关系为:t=T-273.15≈T-273。
摄氏温标(t)和华氏温标(F)之间的换算关系为F=t×1.8+32;t=(F-32)÷1.8
例如:0℃=(0×1.8+32)℉=32℉