温度及温度计

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.