温度及温度计

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  温度是表示物体冷热程度的一个重要物理量,它是反映物体状态的一种物理量.
  那么,物体的温度为什么会有高低不同?
  人们对这个问题的认识经过了漫长的过程.从人类学会用火的时候起,就接触到了热现象,但是,真正开始研究热现象的本质,还是17世纪的事.当时对热的本质问题的认识,已形成了两种对立的观点,这就是“热质说”和“运动说”.
  “热质说”认为,热是一种没有重量的流质,叫热质(也叫热素),它可以进入一切物体里.物体含的热质多温度就高,含的热质少温度就低.而且热质能从温度高的物体自行流到温度低的物体,就像水从高处流向低处一样.
  “运动说”认为,热是构成物质的某种微粒的运动,有的人还直接提出热是分子运动的假说.
  因为当时的科学技术水平比较低,分子论还没有建立,究竟是什么微粒做什么运动,还没有弄清楚,因此,“运动说”的观点人们还不容易接受.而“热质说”却能比较圆满地解释已经知道的一些有关的热现象,所以,“热质说”占据了统治地位.
  


  到了18世纪末,在研究摩擦生热现象的时候,用“热质说”没法解释了.因此,科学家们断言,热不是一种物质,热只是一种运动.
  要了解热的“运动说”,就要从物质的结构说起.物质是由分子组成的,分子是构成物质并且具有这种物质的化学性质的最小微粒.分子是非常微小的,如果把二千五百万个水分子一个挨一个地排列起来,也不过一厘米长.当然,这只是假设,实际上物质的分子之间还是有空隙的,因为它们之间既有互相吸引力,又有互相排斥力.同时,分子还有一个特别的脾气,就是它们永远不停地做没有规则的运动.
  下面这个实验可以证明这一点:
  把一滴墨汁滴在一小酒杯的清水中.取一滴这样的悬浊液放在显微镜下,再用幻灯投影到屏幕上(如图1).你会看到屏幕上有数不清的小颗粒.你盯住任意一个小颗粒,可以发现这个颗粒在不停地移动,同时它的运动方向和速度也不断变化,毫无规则.其他的颗粒当然也是这样.
  


  要说明的是,这些颗粒虽然很小,但还不是分子,它们的运动并不是分子运动.不过它们的运动状态却反映出水分子的运动状态.颗粒所以能够运动,是因为受到了水分子的撞击,水分子的运动是不规则的,因而颗粒的运动也是不规则的.这就是著名的布朗运动实验,是英国科学家布朗在1827年首先发现的.同时,实验证明,分子的无规则运动的快慢跟温度有直接关系.也就是说,物体的温度表示着物体内部分子无规则运动的激烈程度.分子运动的速度越大,物体的温度越高;分子运动的速度越小,物体的温度也就越低.
  在科学研究、生产活动和日常生活中,人们经常需要准确地测量温度,我们从前面的实验中知道,单凭人的感觉器官是做不到这一点的.怎么办呢?可以使用温度计.
  下面我们来做一个简单的温度计:
  在一个小玻璃瓶里,装上大半瓶带颜色的水,再配一个合适的软木塞.软木塞上插进一根细玻璃管,让玻璃管插入带颜色的水中,并将软木塞塞紧瓶口,玻璃管中就会出现一个带颜色的水柱.选定几个时间,如早晨、中午、傍晚,观察这些时刻水柱的高度,并在玻璃管上划出记号(如图2).这样,根据水柱高度的变化,就可以知道每天相应的时间内冷热的变化情况.
  


  世界上最早研制温度计的,是著名的意大利科学家伽利略.大约在1599年,伽利略制作了一根玻璃管,管的一端是个空玻璃泡,另一端开口.他先把空玻璃泡加热,使玻璃管里的空气跑出去一部分,然后把开口端浸入水中,这时水就会注入玻璃管中,升到一定的高度就停止不动了,形成一个高于外部水面的水柱(如图3).当天气转热的时候,玻璃管里的水柱就会降低,天气越热,下降的高度也越大,当天气变冷的时候,玻璃管中的水柱就会升高,天气越冷,上升的高度也越大.也就是说,水柱高度升降的情况,反映了天气冷热变化的情况.当然,这只是一种很简单粗糙的仪器,还不能说明天气冷热变化的确切程度,但是毕竟是世界上最早的温度计,它开创了人类测定温度的道路,后来的许多温度计,只不过是这种方法的改进和完善罢了.
  在伽利略以后,不少人致力于改进温度计的工作,并且取得了一定的进展,制成了带有刻度的温度计.为了便于说明问题,我们接着上面的实验往下做:
  在记录一天里水柱高度变化的记号中,选取最高点和最低点,然后把这两点之间的距离等分成若干份(比如10等份).假定我们把最低点规定为0度,把每一小格定为1度,那么我们就能根据水柱高于0度的小格数来确定气温的度数了.
  但是,所有早期的温度计都含有空气,管子上的刻度也是任意定的,标准很不统一,误差也很大.要制造统一标准的比较精确的温度计,就必须选取具有一定的客观标准的基准,然后来定刻度.我们把依据一定的标准而划分的温度标志叫做温标,当前常用的有摄氏温标和华氏温标.
  


  华氏温标是德国物理学家华伦海特创立的.华伦海特在研究温度的过程中,发现水的沸点和大气压有关,因此,他选择一个标准大气压下水的冰点为32度,水的沸点为212度,冰点和沸点之间分成180度.由于他最先克服了伽利略式温度计的缺点,于1709年发明了实用的温度计,为此他被誉为测温术之父.通常华氏温标用字母F表示,如50°F表示华氏温标50度.
  随后,瑞典天文学家摄尔修斯又创立了摄氏温标.他是以一个标准大气压下水的冰点为0度,水的沸点为100度,中间分成100等份,因此也叫百分温标.通常摄氏温标用字母C表示,如20℃表示20摄氏度.我国通用的是摄氏温标.
  随着科学技术的不断发展,人们根据实际需要,设计创造了不同用途的温度计.
  在我们的日常生活中,常用的温度计是气温计(如图4)和体温计.这类温度计都是在玻璃管里注入酒精或水银等液体,用液柱的高度变化来指示温度,因此也叫做液体温度计.这类温度计制造简单,使用方便.
  但是,由于注入的液体本身的沸点不高,冰点又不是很低,所以,这类温度计无法测量高温和低温.例如,体温计是用来测体温的,人的正常体温一般是37℃左右,所以体温计的刻度范围便选取在35~42℃之间.它只适合测量体温,超出这范围的温度,就无能为力了.
  在工业生产和科学研究中,能精确地测量高温或低温的是其他类型的温度计,如电阻温度计、温差电偶温度计、蒸气压温度计和红外温度计等等.
  
  责任编辑/王小兵
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