一、玻璃液體溫度計(jì)的發(fā)明
第一臺(tái)測(cè)量溫度的科學(xué)儀器是伽利略于1593年發(fā)明的，該測(cè)溫儀器是一個(gè)頸部極細(xì)的玻璃長(zhǎng)頸瓶，瓶中裝有一半帶顏色的水，把它倒過(guò)來(lái)放在碗里，碗里也盛有同樣顏 色的水。隨著溫度的變化，瓶中所包含的空氣便收縮或膨脹，頸中的水柱就會(huì)上升或下降。這臺(tái)測(cè)溫儀器可以說(shuō)是現(xiàn)代玻璃溫度計(jì)的雛形，如圖1所示。
圖1 伽利略測(cè)溫器簡(jiǎn)圖
1631年，法國(guó)化學(xué)家詹·雷伊(J.Rey)對(duì)伽利略發(fā)明的測(cè)溫器進(jìn)行改進(jìn)，他將測(cè)溫器的長(zhǎng)頸瓶倒過(guò)來(lái)，用長(zhǎng)頸瓶中水的膨脹來(lái)表示冷熱程度。但長(zhǎng)頸瓶未封口，由于水的蒸發(fā)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。在雷伊之后約25年，意大利佛羅倫薩的院士們?cè)诓ＡЧ芾镅b上酒精，用蠟封住了玻璃管口，并把刻度附在玻璃管上，這樣的結(jié)構(gòu)已接近后來(lái)的溫度計(jì)。1659年，巴黎天文學(xué)家博里奧(I.Boullian)制造了第一支用水銀作測(cè)溫質(zhì)的溫度計(jì)。
以后，溫度計(jì)的制作和改進(jìn)主要從兩方面進(jìn)行:第一，為了定出溫標(biāo)，需要確定“定點(diǎn)”，因此人們開(kāi)始對(duì)冰和其他物質(zhì)的熔解和凝固溫度進(jìn)行研究，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)在一定條件下，這些溫度是比較固定的。第二，需找出合適的測(cè)溫質(zhì)，從而促進(jìn)了對(duì)物體熱膨脹的研究。
德國(guó)格里凱選擇馬德堡初冬和盛夏的溫度為定點(diǎn)溫度，佛羅倫薩院士們選擇嚴(yán)寒時(shí)下雨或結(jié)冰的氣溫與?；蚵沟捏w溫為定點(diǎn)溫度，他們還發(fā)現(xiàn)冰的熔點(diǎn)是不變的。1688年，道倫斯(Dolence)提出將冰凍時(shí)的溫度和黃油熔解的溫度作為定點(diǎn)溫度。
1702年，阿蒙頓(G.Amontons)改進(jìn)了伽利略測(cè)溫器。他將一個(gè)球連接到一個(gè)U形管上，管中裝有水銀，并保持球內(nèi)空氣的容積不變，用U形管兩臂水銀面的高度差來(lái)測(cè)量球內(nèi)空氣的溫度，他用水的沸點(diǎn)和冰的熔點(diǎn)作為定點(diǎn)溫度，如圖2所示。
圖2 阿蒙頓測(cè)溫器簡(jiǎn)圖
第一支實(shí)用溫度計(jì)是遷居荷蘭的吹制玻璃的工匠華倫海特(G.D.Fahrenheit，1686～1736年)制成的。華倫海特于1709年開(kāi)始制作酒精溫度計(jì)，在1714年得知阿蒙頓在水銀熱膨脹方面的研究后，轉(zhuǎn)向制作水銀溫度計(jì)，并發(fā)明了凈化水銀的方法，使水銀能在溫度計(jì)中普遍使用。華倫海特把冰、水、氨水和鹽的混合平衡溫度定為0°F，冰的熔點(diǎn)定為32°F，而人體的溫度定為96°F。1724年后他又把水的沸點(diǎn)定為212°F。他發(fā)現(xiàn)每種液體都有一個(gè)固定的沸點(diǎn)，且隨大氣壓變化而變化。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)溫度測(cè)量是個(gè)很大的貢獻(xiàn)。華倫海特把0°F和212°F作為基本點(diǎn)的刻度法至今還在美洲等地使用，被稱為“華氏溫標(biāo)”。
法國(guó)勒奧默(R.A.E.Reaumur)長(zhǎng)期致力于酒精溫度計(jì)的研究。他發(fā)現(xiàn)酒精(純酒精和1/5的水混合)的體積若在水的冰點(diǎn)時(shí)為1000單位，則到達(dá)水的沸點(diǎn)時(shí)將變?yōu)?080單位。他于1730年制作的酒精溫度計(jì)取水的冰點(diǎn)為零度(0°R)、水的沸點(diǎn)為80°R，在這兩個(gè)定點(diǎn)中間分成80等分。勒氏溫標(biāo)曾在德國(guó)采用。
1742年瑞典天文學(xué)家攝爾修斯(A.Celsius，1701～1744年)用水銀作測(cè)溫質(zhì)，采用百分刻度法，以水的沸點(diǎn)為0“度”，冰的熔點(diǎn)為100“度”。后來(lái)，他的同學(xué)斯托瑪考慮到平常的習(xí)慣，把它顛倒過(guò)來(lái)了，即將冰的熔點(diǎn)改為0“度”，水的沸點(diǎn)改為100“度”，就這樣確立了攝氏溫標(biāo)。這種攝氏溫標(biāo)屬于經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)。目前定義的攝氏溫標(biāo)是以熱力學(xué)第二定律來(lái)定義的，屬于國(guó)際溫標(biāo)，與攝爾修斯的定義完全不同，只是在某些范圍內(nèi)有相似的取值。
二、玻璃液體溫度計(jì)的原理
玻璃液體溫度計(jì)主要由貯存感溫液體(或稱“測(cè)溫質(zhì)”)的感溫泡(也稱“貯囊”)、毛細(xì)管及標(biāo)尺等組成，某些玻璃液體溫度計(jì)還有中間泡和安全泡。感溫泡是一內(nèi)徑較大的，呈圓柱形或球形的玻璃管，它是由玻璃毛細(xì)管經(jīng)熱加工制成的(稱“拉泡”)或由一段薄壁玻璃管與毛細(xì)管熔接制成(稱“接泡”)。安全泡是在距測(cè)溫上限刻線以上一定距離的毛細(xì)管頂端燒制一個(gè)形狀呈倒置梨形的擴(kuò)大部分，其作用是為防止溫度計(jì)的偶然過(guò)熱而炸裂和提高測(cè)溫上限，以儲(chǔ)存超過(guò)上限溫度時(shí)感溫液體積的膨脹量。為提高溫度計(jì)的靈敏度和縮短溫度計(jì)尺寸，以便于使用，對(duì)于測(cè)溫下限高于室溫的溫度計(jì)，在感溫泡與下限刻線間的毛細(xì)管適當(dāng)部位，將其燒制成中間大兩頭尖的擴(kuò)大部分，稱為中間泡，以容納由室溫升至下限溫度時(shí)膨脹的感溫液體積。通過(guò)燒制不同大小的中間泡，可使溫度計(jì)的測(cè)溫下限從任意溫度起始，又可預(yù)防測(cè)溫下限較高的溫度計(jì)在室溫下感溫液冷縮至感溫泡內(nèi)形成氣泡。有的玻璃液體溫度計(jì)用內(nèi)徑較大的毛細(xì)管代替中間泡。
感溫液封裝充滿感溫泡和毛細(xì)管的一部分。在感溫液柱上端面以上的毛細(xì)管空間，根據(jù)玻璃液體溫度計(jì)測(cè)量上限的高低，充以不同壓力的干燥惰性氣體或抽至真空。溫度數(shù)字及刻度線蝕刻(或印制)在毛細(xì)管玻璃表面上或刻印在緊靠毛細(xì)管玻璃后面呈乳白色的玻璃瓷板上。
玻璃液體溫度計(jì)的工作原理是基于液體在透明玻璃外殼中的熱脹冷縮作用而制造。
當(dāng)溫度變化時(shí)，感溫液、感溫泡和毛細(xì)管的體積隨之改變，致使液柱沿毛細(xì)管升高或降低。當(dāng)玻璃液體溫度計(jì)與測(cè)溫介質(zhì)達(dá)到熱平衡時(shí)，通過(guò)讀取感溫液柱上端面的中心位置便可得到被測(cè)介質(zhì)的溫度。
物質(zhì)的體膨脹系數(shù)可定量地描述其膨脹特性。物質(zhì)的體膨脹系數(shù)定義為:溫度升高1℃所引起的物質(zhì)體積的增大與其在0℃時(shí)的體積之比。體膨脹系數(shù)也簡(jiǎn)稱體脹系數(shù)。在較大的溫度范圍內(nèi)，體脹系數(shù)都不是線性的。通常在使用范圍內(nèi)取其平均值，稱為平均體脹系數(shù)。
玻璃液體溫度計(jì)受熱時(shí)，感溫液體積膨脹，促使液柱上端面沿毛細(xì)管上升；而感溫泡和毛細(xì)管受熱膨脹，導(dǎo)致感溫液柱上端面沿毛細(xì)管下降。實(shí)際上是兩種作用的疊加，由于感溫液的體脹系數(shù)要比玻璃的體脹系數(shù)大許多倍，所以能從毛細(xì)管中觀察到液柱上端面隨溫度升高而上升，隨溫度降低而下降。因此，玻璃液體溫度計(jì)感溫液柱隨溫度變化的位置改變量，實(shí)質(zhì)上是感溫液體積與玻璃容積的改變之差。
在玻璃液體溫度計(jì)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要考慮提高溫度計(jì)的靈敏度以及準(zhǔn)確度。玻璃液體溫度計(jì)的靈敏度與感溫泡的體積成正比，與毛細(xì)管的粗細(xì)成反比。但是，增大感溫泡和減小毛細(xì)管直徑都有一定的限度，感溫泡過(guò)大不只會(huì)增加熱惰性，還容易產(chǎn)生變形，影響讀數(shù)準(zhǔn)確度；而毛細(xì)管過(guò)細(xì)則因毛細(xì)管力的作用，將使液柱上升不均勻。(未完待續(xù))