? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?華倫海特：華氏度的發(fā)明家

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2019-4-28 青野云麓

華倫海特，波蘭著名的物理學(xué)家。他從小就失去了父母，于是被迫由他的保護(hù)人送出去學(xué)習(xí)經(jīng)商。他曾經(jīng)在德國(guó)、英國(guó)、瑞典等國(guó)家邊旅游邊學(xué)習(xí)，也拜訪過很多科學(xué)家和一些科學(xué)儀器的制造者。在1717年移居荷蘭后，成為了儀器制作專家。他自己建立了一個(gè)機(jī)械的車間，制作出許許多多造福于人類的發(fā)明。溫度計(jì)、氣壓計(jì)、液體比重計(jì)等。與此同時(shí)，他還專研氣象學(xué)等方面的研究。

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說到華倫海特簡(jiǎn)介，不得不提華氏溫標(biāo)。華倫海特在十八世紀(jì)初發(fā)明了第一支溫度計(jì)，這支溫度計(jì)本來是使用酒精作為測(cè)溫的物質(zhì)，后來改成了水銀。這就是歷史上第一支華氏溫標(biāo)。這也意味著從此溫度測(cè)量有了一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。剛開始，華倫海特選用了兩個(gè)固定的點(diǎn)，把它定做零度，而另一個(gè)點(diǎn)就是正常人的體溫，定做96度。之后加進(jìn)來第三個(gè)固定的點(diǎn)，也就是冰水混合物，定為32度。

另外，華倫海特還進(jìn)行過其他的一些實(shí)驗(yàn)。他在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)每一種液體其實(shí)像水一樣都有自己的一個(gè)沸點(diǎn)，這個(gè)沸點(diǎn)隨著大氣壓的變化而變化。這個(gè)研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于熱學(xué)是一個(gè)很重要的發(fā)現(xiàn)。之后他又繼續(xù)研究，最后設(shè)計(jì)出帶有氣壓表的溫度計(jì)。在1721年，他又發(fā)現(xiàn)水即使是在冰點(diǎn)以下仍然還是液體的狀態(tài)，于是成功設(shè)計(jì)出比重計(jì)。雖然最早發(fā)明溫度計(jì)的是意大利的伽利略，但是華倫海特在計(jì)溫學(xué)上的貢獻(xiàn)依然是非常卓著。?

華倫海特哪國(guó)人

華倫海特哪國(guó)人?華倫海特出生于但澤，也就是現(xiàn)在的格但斯克，所以華倫海特是波蘭人。華倫海特能夠成為有名的物理學(xué)家，這和他小時(shí)候的經(jīng)歷有很大的關(guān)系。華倫海特在小的時(shí)候就遭遇了父母意外身亡的命運(yùn)，這個(gè)殘酷的事實(shí)迫使華倫海特不得不開始學(xué)習(xí)經(jīng)商。在阿姆斯特丹學(xué)習(xí)了商業(yè)好多年，他在那里了解到了許多科學(xué)儀器的制作，于是產(chǎn)生了對(duì)物理學(xué)的喜愛。　

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十八世紀(jì)初，他先后取了好多個(gè)地方學(xué)習(xí)學(xué)者以及其他工匠的制作與操練，柏林、哈勒、萊比錫等地他都有去過，并且學(xué)到了不少技術(shù)。華倫海特在哥本哈根遇到了丹麥的天文學(xué)家羅莫，從此兩個(gè)人結(jié)成了好朋友。幾年過后，華倫海特和著名的數(shù)學(xué)家萊布尼茨一起合作完成了能夠測(cè)量海上經(jīng)度的時(shí)鐘。

1714年，他把溫標(biāo)命名為自己的名字，很快又被英國(guó)倫敦皇家學(xué)會(huì)邀請(qǐng)成為會(huì)員。華氏溫標(biāo)規(guī)定冰點(diǎn)是32度，而水的沸點(diǎn)是212度。雖然隨著科學(xué)的發(fā)展，很多地方已經(jīng)不再使用華氏溫標(biāo)，但是一些情況下它還是能夠發(fā)揮它的作用。抽水泵也是華倫海特發(fā)明的，他利用抽水泵解決了很多問題。由此可見，華倫海特是一位嚴(yán)謹(jǐn)好學(xué)，聰慧過人的科學(xué)家。1736年，也就是他發(fā)明了抽水泵的同一年，華倫海特便在荷蘭海牙去世了，那時(shí)候他才50 歲。以上便是關(guān)于華倫海特哪國(guó)人的簡(jiǎn)介。?

華倫海特的成就

著名物理學(xué)家華倫海特的成就卓著，在物理學(xué)方面的貢獻(xiàn)便是在1714年發(fā)明了華氏溫標(biāo)。他把水的沸點(diǎn)定為212度，把冰點(diǎn)記為32度。規(guī)定在數(shù)值后面要加上°F，這個(gè)符號(hào)讀作“華氏度”。華倫海特另外一個(gè)成就就是他發(fā)現(xiàn)了能夠凈化水銀的方法，并且提出用水銀代替酒精用來測(cè)量溫度的指標(biāo)。于是便有了酒精和水銀兩種物質(zhì)的溫度計(jì)?！?/span>

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但是酒精溫度計(jì)有一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)榫凭姆悬c(diǎn)比水還低，在78攝氏度的時(shí)候會(huì)沸騰，這個(gè)時(shí)候玻璃管中就會(huì)變得模糊不清。酒精溫度計(jì)連水的沸點(diǎn)也測(cè)不出來，所以水銀在測(cè)量溫度上比酒精要實(shí)用得多。后來他驚奇地發(fā)現(xiàn)水的沸點(diǎn)是隨著氣壓的變化而變化的，于是就有利用沸點(diǎn)的測(cè)高計(jì)。

溫度計(jì)上是有刻度的，這是用來顯示溫度刻度的尺子，因?yàn)樵诤茉绲臅r(shí)候，每個(gè)人制造的溫度計(jì)上面的刻度都不一樣，這也使用起來也不方便。于是華倫海特就想了一個(gè)辦法把溫度計(jì)上面的刻度都統(tǒng)一起來。他把當(dāng)時(shí)所能了解到的最低溫記為零度，那時(shí)候的冰雪和鹽的混合物溫度最低。然后把溫度計(jì)放進(jìn)自己的嘴里，水銀升到哪里就在哪里劃一條刻度，然后把中間劃成二十四格。后來將二十四格中的每一格又分了四格。其他的液體制成溫度計(jì)也用這種刻度的方法。當(dāng)華倫海特的溫度計(jì)被荷蘭人以及英國(guó)人采用的時(shí)候，其他國(guó)家的卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有看到溫度計(jì)的用處，以上便是華倫海特的成就。

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軼事典故

量冷熱的尺子

溫度計(jì)上都有刻度，這是量冷熱的尺子。最早的時(shí)候，各人制造的溫度計(jì)上的刻度不相同，使用起來很不方便。

華倫海特想出了一個(gè)把溫度計(jì)上的刻度統(tǒng)一起來的辦法。他把溫度計(jì)放在冰雪和鹽的混合物里，看玻璃管里的水銀降到哪兒，就在玻璃管上刻一條線，這時(shí)的溫度計(jì)作為零度（當(dāng)年所了解的最低溫度）。再把溫度計(jì)放在自己嘴里，看水銀升到哪兒，又刻一條線。把這兩條線之間平分成24格，一格作為一度。后來，他覺得這樣的格子太大，又把每一格平分成4格，一共成了96格，從0度到96度。再用同樣大小的格子，刻出零度以下和96度以上的度數(shù)。其他的液體（如酒精）也可以用同樣方法來定刻度。許多人采用了這種刻度溫度計(jì)。因?yàn)樗侨A倫海特創(chuàng)造的，所以叫華氏溫度計(jì)，量出來的度數(shù)就是華氏多少度，用“F”來表示。例如水的冰點(diǎn)是華氏32度，就寫成“32℉”；水的沸點(diǎn)是華氏212度，就寫成“212℉”。

后來，瑞典人攝爾修斯又想出了一個(gè)辦法。他把水結(jié)冰的溫度作為0度。把水沸騰的溫度作為100度。把0度與100度之間平分成100個(gè)格子。再用同樣大小的格子，刻出0度以下和100度以上的度數(shù)。

攝爾修斯創(chuàng)造的刻度辦法，比華倫海特的簡(jiǎn)便得多，所以更受到人們的歡迎。用這個(gè)刻度辦法制成的溫度計(jì)，叫做攝氏溫度計(jì)，量出來的溫度就是攝氏多少度，用“℃”來表示。

不過應(yīng)該說明一點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，都采用1968年國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)，攝氏溫標(biāo)已經(jīng)廢棄不用。所用的攝氏度是國(guó)際實(shí)用攝氏度而言的。這是隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過多次修改的結(jié)果。這方面的知識(shí)，你們將來在物理學(xué)課程中會(huì)學(xué)到它，就不在這里介紹了。

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兩種溫度計(jì)

華倫海特做了兩種溫度計(jì)——一種裝上酒精，另一種裝上水銀。從他在1724年發(fā)表的第一篇論文來看，他那時(shí)所用的溫度計(jì)選用了兩個(gè)固定點(diǎn)：結(jié)冰的鹽水混合物的溫度和人體的血液的溫度，并把它們之間的間隔分為96度。從他1724年發(fā)表的第二篇論文來看，他還使用了以冰水混合物決定的第三個(gè)固定點(diǎn)。我們從這篇論文中引述如下：“那些溫度計(jì)的刻度僅僅是使用在始于0度和止于96度的氣象觀察而已。這個(gè)刻度取決于三個(gè)固定點(diǎn)的測(cè)定，它們是用如下方法得到的：首先，最低點(diǎn)……是以冰、水和氯化銨或海鹽的混合物來確定的，如果把溫度計(jì)浸在這混合物中，則[溫度計(jì)內(nèi)]液體降落到記為零的點(diǎn)。這個(gè)試驗(yàn)在冬天比在夏天更成功。第二點(diǎn)是這樣得到的，如果混合物是由水和冰混合而成，但沒有剛才所說的鹽；如果把溫度計(jì)浸在這種混合物中，則溫度將固定在32度……第三點(diǎn)是在第96度，如果溫度計(jì)是放入健康人的口中或腋下，酒精就膨脹到這一點(diǎn)?！?/span>

在他的第五篇論文中，他說：“在解釋關(guān)于一些液體的沸點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)中，曾講過那時(shí)發(fā)現(xiàn)水的沸點(diǎn)是212度；后來通過種種觀察和實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)對(duì)于同一種水和在相同的大氣重量下是固定的，但在不同的大氣重量下它可能很不相同?！庇纱丝梢?，在1724年的212度的數(shù)字是沒有預(yù)先安排的；沸水純粹是碰巧使水銀柱升高到那一點(diǎn)。如果我們對(duì)華倫海特1724年的論文的解釋是正確的，那正是同樣偶然的原因才促使他把32度記為水的冰點(diǎn)，并把180度固定為水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)之間的度數(shù)。我們可以預(yù)料，在華倫海特后來的實(shí)踐中，他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果使他放棄了在他的第一篇論文中敘述到的兩個(gè)固定點(diǎn)，并選擇了水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)的溫度作為更加方便的固定點(diǎn)。但是，我們沒有直接的和可靠的信息來證明或者是他或者是他的阿姆斯特丹的合作者實(shí)際上走了這一步。在他贈(zèng)送給C?沃爾夫的兩個(gè)溫度計(jì)的1714年的《博聞錄》中的說明書表明，從結(jié)冰的鹽水混合物到血液溫度之間首先劃分為24份，然后把這24份的每一份再更細(xì)地分為4份，全部就是96等份。

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當(dāng)華倫海特的溫度計(jì)被荷蘭人和英國(guó)人采用時(shí)，其他國(guó)家卻遲遲看不到它的價(jià)值。在法國(guó)，勒奧默設(shè)計(jì)了溫度計(jì)。勒奧默(R6aumur)因他在動(dòng)物學(xué)、植物學(xué)和物理學(xué)上的研究而聞名，但他不熟悉華倫海特的成就。由于不滿意阿蒙頓的空氣溫度計(jì)（但勒奧默仍然認(rèn)為它是唯一適用的溫度計(jì)），又由于水銀的膨脹系數(shù)小，勒奧默強(qiáng)烈地反對(duì)使用水銀，他致力于制造一種既方便又能達(dá)到精確度要求的酒精溫度計(jì)。他的實(shí)驗(yàn)偶然地使他很好地觀察到液體體積的收縮，這可能是由于幾種液體混合的結(jié)果。他發(fā)現(xiàn)含有1/5水的酒精，在水的結(jié)冰溫度和沸騰溫度之間，其體積的膨脹是從1000個(gè)體積單位到1080個(gè)體積單位；因此他把玻璃管的結(jié)冰和沸騰點(diǎn)之間的距離分為80份。但是，勒奧默的溫度計(jì)結(jié)果不好。各種各樣的難以置信的讀數(shù)都顯示出來了，并且不同的溫度計(jì)也不一致。日內(nèi)瓦的德呂斯恢復(fù)使用水銀，并以如此有力的論據(jù)強(qiáng)調(diào)了它的優(yōu)越性，一個(gè)物理學(xué)家熱情地呼喊道：“自然界給我們這個(gè)礦物肯定是為了做溫度計(jì)?！?/span>

在攝氏溫標(biāo)被廣泛接受之前，華氏溫標(biāo)是最被人接受的溫度量度。時(shí)至今日，美國(guó)人仍然在日常生活中使用華氏溫標(biāo)，在英國(guó)等地已逐漸棄用。

物理學(xué)的足跡：1848年湯姆孫提出絕對(duì)溫標(biāo)

王一粟 本文來源：科學(xué)網(wǎng)

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??　　圖1. 湯姆遜（開爾文勛爵）

　　在華倫海特和攝爾修斯等人相繼提出華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)之后，溫度逐漸成為物理學(xué)研究中常用的一個(gè)參數(shù)，但是如何準(zhǔn)確地度量溫度卻成為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的一大頭疼的問題。這是因?yàn)椴煌瑴貥?biāo)制定時(shí)的參考點(diǎn)和分度值都不一樣，而采用不同形式的溫度計(jì)則各有利弊，導(dǎo)致面對(duì)同一個(gè)客觀溫度而言，會(huì)有一系列不同的數(shù)字來表示它的溫度值，這在科學(xué)研究上是極其不方便的。更糟糕的是，實(shí)驗(yàn)上采用的溫度計(jì)實(shí)際上依賴于測(cè)溫物質(zhì)的屬性，如水銀、酒精和石油等液體溫度計(jì)是根據(jù)液體體積和溫度關(guān)系，氣體溫度計(jì)是根據(jù)氣壓和溫度的關(guān)系，而金屬溫度計(jì)是根據(jù)電阻和溫度的關(guān)系，電偶溫度計(jì)是根據(jù)電勢(shì)差和溫度的關(guān)系等，沒有一種溫度計(jì)是完全不依賴于測(cè)溫物質(zhì)本身屬性的。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖2. 攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)、和熱力學(xué)絕對(duì)溫標(biāo)的對(duì)比

　　為了解決這一混論的局面，1848年，英國(guó)物理學(xué)家威廉?湯姆孫根據(jù)熱力學(xué)第二定律提出了絕對(duì)溫度和絕對(duì)溫標(biāo)的概念。湯姆孫把卡諾循環(huán)中的熱量作為測(cè)定溫度的工具，即熱量是溫度的唯一量度，從而建立了不依賴于任何測(cè)溫物質(zhì)的溫標(biāo)——熱力學(xué)溫標(biāo)（又稱絕對(duì)溫標(biāo)）。在熱力學(xué)溫標(biāo)中，定義水的三相（氣、液、固）點(diǎn)為273.16 K，對(duì)應(yīng)攝氏溫標(biāo)下一個(gè)大氣壓下水固液線為273.15 K（注意和前者有0.01度的區(qū)別），也即0°C，這樣絕對(duì)零度0 K就是-273.15°C。熱力學(xué)溫標(biāo)的建立，很好地描述了溫度這個(gè)物理參數(shù)，1892年湯姆孫因?yàn)闊崃W(xué)的重要科學(xué)貢獻(xiàn)而被授予開爾文勛爵稱號(hào)，熱力學(xué)溫標(biāo)的單位也取名為“開爾文”，簡(jiǎn)稱“開”，符號(hào)為K。1 954年，國(guó)際計(jì)量大會(huì)確定了這一溫標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)。K成為國(guó)際單位制（SI）中7個(gè)基本單位之一。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?　　圖3. 玻色-愛因斯坦凝聚

　　在熱力學(xué)溫標(biāo)中，0 K就是絕對(duì)零度，代表宇宙中最低的溫度極限。絕對(duì)零度是一個(gè)只能無限逼近的極限值，人類在實(shí)驗(yàn)室中采用各種制冷技術(shù)不斷創(chuàng)造了極低溫的記錄。目前能夠達(dá)到的最低溫度是十億分之一K左右，可以說已經(jīng)非常接近零。在逼近低溫過程中，會(huì)有一系列新奇的量子現(xiàn)象，如超導(dǎo)、超流和玻色-愛因斯坦凝聚等，展現(xiàn)出自然的神奇魅力。我們的宇宙也并不是那么冷，最新的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)說明當(dāng)今宇宙具有3 K溫度的微波背景輻射，是150億年前發(fā)生的“大爆炸”殘留的余溫，這種背景輻射分布是不均勻的，代表宇宙中物質(zhì)的分布情況。即使在空曠的宇宙空間這么冷的地方，有一種叫做水熊蟲的小生物還是能夠生存幾個(gè)小時(shí)，堪稱生命的奇跡！