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原则上,特性明显随温度变化的任何物质都可以用来测量温度 。我们也可以用一种颜色随温度变化的物质,在物质发出蓝色光时,人们能识别出温度高,当它散发出红色光时,可识别出温度低 。
类似地,当温度上升或下降时,细小玻璃管里的水会上升或下降 。这是每一个密封的、装有液体的温度计的工作原理 。然而,如果像水这样丰富且廉价的东西就能如此有效,为什么我们坚持用如水银这样极其稀有还昂贵的东西呢?
历史在第一个温度计发明后的几个世纪,人类了解到了热力学温度 。因此,最初温度计定义了温度 。然而,第一个温度计不是温度测量器或热量测量仪,而是测温范围器,仅仅表示温度是高还是低 。这些设备没有校准到一个标准范围,它们只能做出粗略或模糊的评估 。
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第一个温度计的发明要归功于亚历山大港的希罗,他是一位求知欲强的工程师,被认为是古代最伟大的实验者 。他设计的装置由一个充满空气的管子组成,它的末端淹没在一小碗水里 。当测温器接触到热或冷表面时,空气会膨胀或收缩,导致空气-水界面波动 。
甚至伽利略的发明也遵循同样的原理 。然而,这些发明不仅没有任何刻度,而且对空气的压力也很敏感 。为了设计出只对热量做出反应的装置,伽利略的学生Joseph Delmedigo发明第一个密封的液体内置玻璃温度计 。这是第一个温度计,因为它被标上了刻度 。然而,他所密封的液体不是水,而是酒精 。
膨胀系数恒定压力下,物质在加热情况下膨胀,因为热量提升了原子的动能,导致它们剧烈运动,从而彼此分离 。体积的增加在金属铁轨、橡胶轮胎等固体和水、酒精、水银和卤素等液体中表现明显 。然而,温度每上升一度,每种物质的膨胀程度都是不同的 。这个物质常数叫做膨胀系数 。
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酒精比水更受青睐,原因很简单,因为它拥有更高的膨胀系数 。即使是很小的温度变化,也会导致它在管内的体积发生剧烈的变化 。然而,酒精太易受影响,以至于这些变化会导致管里的酒精表现几乎动荡不安 。液体界面会随着温度的微小变化而不断变化 。这种变幻莫测令人担忧,因为当温度计从一锅沸腾的水里取出时,读数就会立即变成新环境的温度,无法测量我们想要的开水温度 。
为了避开这种不可靠性,荷兰发明家丹尼尔?华伦海特以水银取代了酒精 。水银的膨胀系数高于水,这意味着其体积随温度的变化更明显 。不过,它的变化值比酒精几乎少六倍 。也就是说,温度每上升一度,酒精体积上升比水银体积要大6倍 。
这意味着,在密封的玻璃管中,水银的上升速度将比酒精慢得多,但这也表示,当温度计从装满沸水的锅中取出时,水银的下降速度会同样缓慢 。它的读数将有效地不受干扰,使温度计非常可靠 。
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【为什么水银会被用于温度计 水银用于制作温度计的原因】在这项发明之前的温度计都是独特的,它们的读数不符合任何标准化的刻度范围 。然而,华伦海特提供了一种范围读数,应用到了制造的所有水银温度计,最终普及到了所有温度计 。这种转变并不十分繁琐,因为几乎所有的水银温度计都是由华伦海特自己制造的 。后来,这个刻度略有变化,现在这种温度计叫做华氏温度计 。
酒精更好用的例子酒精的超敏性可以用它的优点弥补 。相对于水银,酒精要便宜得多,而且不那么罕见,还无毒 。如果水银温度计破损了,实验室可能需要被封存数小时,因为吸入水银会导致严重的健康问题 。酒精却没有这样的威胁 。
更重要的是,水银冰点为-40 ℃,酒精的冰点是-115 ℃ 。这意味着水银温度计不能测量-40 ℃的温度,那它就不能经常在科学实验室或超导技术制造行业中运用 。
但酒精是无色的,这种特性迫使制造商需将人工染料添加到酒精中,使其清晰可见 。此外,尽管酒精可以测量极低的低温,但它无法测量超过78.37 ℃的温度,因为这是酒精的沸点 。相比水银356.7 ℃的沸点,简直低的可怜 。
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