温标形成的艰辛史

在天气变幻无常的日子里，当我们每天早上醒来时，最关心的也许就是今天的气温了。

每个人都能直接感知空气的“冷热程度”，但大多数时候，“冷热程度”仅仅是个人主观的感觉。对相同的气温，不同的人往往感受冷热程度不同。即便同一个人，在不同的状态下，对相同的气温也感受不同。如A教室气温为26℃，当久待22℃的人进入A教室时，感觉有丝丝暖意；当久待30℃的人进入A教室后，则获得沁人心脾的凉爽。

显然，人的主观感觉存在较大的差异，不太可靠，这无法满足生活、生产及科学研究的需求。

在科学发展过程中，人类认识到这个问题后，亟须制定一个标准，使“物体的冷热程度”如长度、体积般有一个公认的标准参照量，使人们能准确地判断物体的冷热程度，这个标准就是温标。

科学史上至少出现过四种有影响的温标，它们分别是华氏温标、列氏温标、摄氏温标和绝对（热力学）温标，但由于科学性和实用性的原因，列氏温标惨遭淘汰。

温标的确定，是在科学家研究物体温度、制作温度计的过程中完成的。

将对物体温度的定性主观感觉转化为定量的测量，就需要借助温度测量工具——温度计。人类历史上第一个发明温度计的正是意大利著名科学家伽利略。1593年，还未到而立之年的伽利略正意气风发，对自然界充满了好奇之心，对科学界的陈腐之风充满了讥讽之情。伽利略取用一根麦秆般粗细的、一端敞口的长玻璃管，在其另一端安上一个核桃般大小的玻璃泡，将长玻璃管内封闭一部分空气，倒插入液体中。当玻璃泡内的空气因受热而体积膨胀时，液面会下降。

虽然伽利略已经能测定温度的大小，但这样的温度计在测量时误差很大，特别是会受大气压影响。而最遗憾的是，伽利略没有确定作为参考的固定点，这让其他人很难知道那些测定数据的含义，这就使温度很难从定性的生活应用走向定量的科学殿堂。

要建立一种温标，至少包括三个方面的内容：一是选择某种物质，用它的随温度变化的热胀冷缩的属性来标记温度的大小；二是选择一个固定点，也就是参考点；三是对用来测量温度的物质的属性随温度的变化作出规定。

进入18世纪以后，温度计的发展进入了两条不同的方向：一是法国人阿芒顿（G.Amontons，1663～1705）的气体温度计，最终因气体受热膨胀太厉害而被淘汰；二是丹麦天文学家奥勒·罗默（Ole Remer，1644～1710）和荷兰物理学家华伦海特（Daniel Gabriel Fahrenheit，1686～1736）的液体温度计。

华伦海特完成了他的华氏温标的建立，并于1709年发明了第一只酒精温度计，其后又于1714年制成一只水银温度计。对温标的确定，华伦海特经过反反复复的研究，最初把水、冰和氯化铵或盐的混合物的温度定为一个固定点（零度），把健康人的体温（野史传说是以华伦海特夫人的体温）作为另一个固定点（96度）。其后又把冰水混合物的温度定为第三个固定点（32度）。后来，华伦海特又把水在标准大气压下的沸点作为一个固定点（212度）。

伽利略温度计

华氏温标的确定，使热力学正式走向了科学的道路。如今，华氏温标还在美国、加拿大、英国、南非、澳大利亚和新西兰等国使用。

华伦海特

现在的华氏温标是经过改良后，在1724年正式确定的。华氏温标规定：冰点（标准大气压下冰与被空气饱和的水之间的平衡温度）为32度，水的沸点（标准大气压下水和水蒸气之间的平衡温度）为212度。

华氏温度与摄氏温度之间的关系如公式：

tF=32+（9/5）t。

其中，tF是华氏温度的值，t是摄氏温度的值。

法国科学家列奥米尔（René-Antoine Ferchault de Réaumur，1683～1757）也建立了他的列氏温标。

1703年，列奥米尔到巴黎研究数学和物理学。25岁时，他就成为巴黎科学院院士。在其后的50年时间里，他先后12次被聘任为科学院主席。这位杰出的物理学家认为水银不太适合作为测温物质，而钟情于酒精，认为酒精的受热膨胀程度更大一些。

列氏温标规定：结冰点为固定点（零度），酒精液体的体积每膨胀1/1000，则升温1度。

但是，只有一个固定点的温标，很难制作准确，而且列奥米尔当时在表述自己的温标时，语言混乱，造成在实际应用时的诸多困难，甚至错误。

摄氏度与华氏度对照图

1742年，瑞典物理学家、天文学家安德斯·摄尔修斯（Anders Celsius，1701～1744）提出了自己的温标。刚开始，摄尔修斯为了避免测量低温时出现负值，规定：在标准大气压下，冰水混合物的温度为固定点（100度），而水的沸点也为固定点（0度），当中等分100份，每份为1度。这样的规定在日常生活中使用非常不方便。后来，许多科学家及温度计制作者对摄尔修斯的温标进行了改进，规定在标准大气压下，水的沸点为固定点（100度），而冰水混合物的温度为固定点（0度），当中等分100份，每份为1度。这就是在1954年的第十届国际度量衡大会上特别通过的“摄氏温标”，为纪念摄尔修斯，就用他姓氏的第一个字母“C”来表示它的单位。

摄尔修斯

摄氏温标在生活上使用比华氏和列氏温标都更方便，但却不太适合科学研究。科学家发现，不管是水银温度计还是酒精温度计，这些液体体积的增加并不与温度的升高成正比，也就是说，当温度均匀升高时，液柱却不是均匀升高。因此，将“标准大气压下冰水混合物的温度与水的沸点之间的温度100等分，每1等分就是1度”就不精确。同时，测量温度的范围也受到了限制，水银到-39℃就凝固为固体，无法使用，而当温度达到500度以上时，玻璃管就会熔化了。这样，测量低温（低于水银凝固点）和高温（高于玻璃熔化温度）就成为大问题。

而解决这个问题的，是来自爱尔兰的第一代开尔文男爵威廉·汤姆逊（William Thomson，1824～1907），他于1848年建立了绝对温标。在19世纪的最后一天，这位当时在科学界最有影响力的开尔文男爵，与欧洲著名的科学家们欢聚一堂，他在新年祝词中回顾了物理学取得的伟大成就，但也提出了“它（物理学）的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了”。威廉·汤姆逊所说的第一朵乌云，主要是指迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾；第二朵乌云，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及热辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。后来，这两朵乌云的解决，开创了相对论和量子物理，为物理学开创了一片新天地。

威廉·汤姆逊

当然，我们现在要谈的是这位开尔文男爵创立的热力学温标（绝对温标），它的单位就是威廉·汤姆逊的头衔开尔文。开尔文是国际单位制七个基本单位之一（其他六个分别是质量单位千克、长度单位米、时间单位秒、电流单位安培、物质的量单位摩尔、光照强度单位坎德拉）。

开尔文温标规定：1K与1℃大小相等，但计算起点不同，摄氏度以冰水混合物的温度为零摄氏度，而开尔文是以绝对零度作为计算起点，即-273.15℃=0K。

这样，我们将四个温标合并在一起进行比较，它们之间的关系如下面这个图所示：

四个温标对照图

反观四种温标的形成，风雨兼程300多年。

我们可以看出，在温标形成的历程中，也伴随着热力学的发展。