伽利略溫度計

伽利略溫度計

伽利略溫度計,指的是義大利科學家伽利略基於物質熱脹冷縮原理研製的用於測量溫度的工具,經過數次改進成為測溫裝置。另有基於物體密度隨溫度變化的原理而設計的彩色玻璃球溫度計,亦稱伽利略溫度計,用於室內環境裝飾或作為禮品、收藏之用。

基本信息

發明溫度計

為測體溫搞發明

伽利略溫度計伽利略溫度計
溫度計的發明者義大利科學家伽利略於1564年2月15日出生在義大利的比薩城。他從小就表現出強烈的求知慾望。大自然中的一草一木,天空中的星星、太陽,都能引起他極大的好奇。他在17歲那年,按照父親的意願,考上了比薩大學醫科專業。

伽利略在學習醫學的過程中,認識到人的生病與體溫變化有很大的關係,也就是說,通過了解人的體溫有助於確定其身體狀態。可在當時,醫生只能用手觸摸病人,憑感覺來推測人體的大致溫度。這種方法顯然容易產生誤差,並不精確。

伽利略想:能不能發明一種可以精確地測出病人體溫的儀器呢?

於是,伽利略開始構思這種新儀器的使用原理。他想了許多辦法,可一個個都被他自己否認了。

熱脹冷縮測溫度

一天,他在沉思之中,看到一位小孩正在玩一種玩具。這種玩具據說是古希臘人發明的。它的結構很簡單:在U形的玻璃管里裝一半水,將彎管的一端用鉛球密封,另一端用玻璃球密封,使管中的空氣跑不出來。玩的時候,在鉛球下加熱,U形管中的水就會向回退縮;移開鉛球下的火源,鉛球冷卻,水就會升到原來的位置。

伽利略觀察著,產生了一個新的想法:“為什麼不根據熱脹冷縮的現象來製作呢?”

於是,伽利略便對熱脹冷縮現象進行進一步的研究,並在此基礎上設計了許多方案。然而,科學發明不可能一蹴而就,他的方案又一次次的失敗了。

寒來暑往,10餘年的時間過去了。1593年,伽利略發明了第一支空氣溫度計。這種氣體溫度計是用一根細長的玻璃管制成的。它的一端製成空心圓球形;另一端開口,事先在管內裝進一些帶顏色的水,並將這一端倒插入盛有水的容器中。在玻璃管上等距離地標上刻度。這樣,當外界溫度升高時,玻璃球內氣體膨脹,使玻璃管中水位降低;反之,溫度較低時,玻璃球內氣體收縮,玻璃管中的水位就會上升。

空氣溫度計的發明,推進了體溫計的問世。

伽利略的一位朋友、帕多瓦大學醫學教授桑克托留斯,一直在關注著伽利略研製溫度計的進展。當他看到世界上第一支空氣溫度計後,按照自己的構想和診病需要,對氣體溫度計進行了改進,在1600年製成了世界上第一支體溫計。

各路材料助改進

第一支空氣溫度計雖能測定溫度,但人們發現它的測定結果並不精確,因為氣體溫度計下端是與大氣相通的,玻璃管中的水位高度不僅受到空心球中空氣溫度的影響,而且還受到大氣壓強的影響。也就是說,即使溫度不變,玻璃管內的水的高度也會有所差異。

此時,伽利略手頭的其他研究工作十分繁忙,他沒有精力對空氣溫度計進行改進。他的學生斐迪南在老師的指導下,決定用液體代替空氣溫度計中的空氣。

1654年,斐迪南經過對各種液體的試驗之後,研製出了世界上第一支酒精溫度計。它是往玻璃球里注適量酒精,再加熱玻璃球,用酒精蒸氣趕跑玻璃管中的空氣,然後迅速把玻璃管口封死。這樣,它就可以避免大氣壓強的影響。

可是,經過一段時間的使用,人們發現,酒精溫度計也存在不足之處,即當用它測開水的溫度時,溫度計內一片模糊。原來,水的沸點是100℃,酒精的沸點是78℃,因此將酒精溫度計置於開水之中時,酒精早已變成氣體了。顯然,只有用高沸點的液體代替酒精,才能解決這一問題。1659年,法國天文學家布里奧,利用水銀沸點較高的特性,首度製成水銀溫度計。這種溫度計可測得357℃的高溫,也可測得-39℃的低溫。

後來荷蘭人華倫海特在1709年利用酒精,在1714年又利用水銀作為測量物質,製造了更精確的溫度計。他觀察了水的沸騰溫度、水和冰混合時的溫度、鹽水和冰混合時的溫度;經過反覆實驗與核准,最後把一定濃度的鹽水凝固時的溫度定為0℉,把純水凝固時的溫度定為32℉,把標準大氣壓下水沸騰的溫度定為212℉,用℉代表華氏溫度,這就是華氏溫度計。

在華氏溫度計出現的同時,法國人列繆爾(1683~1757)也設計製造了一種溫度計。他認為水銀的膨脹係數太小,不宜做測溫物質。他專心研究用酒精作為測溫物質的優點。他反覆實踐發現,含有1/5水的酒精,在水的結冰溫度和沸騰溫度之間,其體積的膨脹是從1000個體積單位增大到1080個體積單位。因此他把冰點和沸點之間分成80份,定為自己溫度計的溫度分度,這就是列氏溫度計。

1632年,法國物理學家雷伊(J.Ray)第一個改進了伽利略的溫度計。他將伽利略的裝置倒轉過來,將水注入玻璃泡內,而將空氣留在玻璃管中,仍然用玻璃管內水柱的高低來表示溫度的高低。由於這項改進使水成了測溫物質,實際上這成了第一隻液體溫度計。它的缺點在於,向上的管口沒有封閉,由於水會不斷蒸發,會影響到測量的準確性。科學家就在玻璃泡和玻璃管的相對大小上進行研究,以減少這種蒸發,使液體能在一年的過程中在整個玻璃管的長度內升降。儘管從今天的角度看來這種努力的方向不大對頭,但從溫度計發展完善的全過程來看,這種努力是有價值的,也是必然會出現的。沒有當初在各個方面想方設法的改進,就不會有今天的完善。

1657年,佛羅倫斯西曼托(Cimento)科學院的成員們提出了密封管子的思想,並建議用酒精取代水作為測溫物質,從而使最早的溫度計進入了較為實用的階段。

到了18世紀,法國的勒奧默有鑒於水銀的膨脹係數小,曾強烈反對使用水銀作測溫物質。他致力於製造一個既方便又能達到精度要求的酒精溫度計。但由於他的溫度計結果不好,並且不同的溫度計也不一致,日內瓦的德呂斯(1727—1817)又恢復使用水銀,並以一個物理學家的身份熱情地呼喊:“自然界給我們這個礦物肯定是為了做溫度計”。

1747年,荷蘭的穆欣布洛克還發明一種特殊溫度計,它是利用金屬細桿的膨脹和收縮原理製成的。35年後韋奇伍德發明的高溫計利用的正是這一原理。

1815年,杜隆和珀替還比較了水銀溫度計和空氣溫度計。他曾假定各個水銀溫度計彼此都是一致的,但勒尼奧證明,事情並非如此。勒尼奧還證明,在0℃和100℃之間,空氣溫度計和普通軟玻璃水銀溫度計非常接近,但空氣溫度計的中間刻度落後於水銀溫度計約0.2℃左右。在250℃時,水銀溫度計的讀數比空氣溫度計高半度以上;在300℃時兩種溫度計的差別已達1℃;350℃時差別達30℃。奧爾舍夫斯基還比較了氫溫度計和水銀溫度計,發現在低溫情況下,氫溫度計還是十分可靠的,當-220℃時,它們的誤差不大於1℃。

隨著科學技術的發展,人們對測溫儀器的要求越來越高。到了19世紀末20世紀初,許多科學家運用各種物理原理,發明了多種形式的新型溫度計,如電阻式溫度計、輻射式高溫計、光測高溫計、溫度計等。

彩色玻璃球

漂亮彩球沉浮忙

據說,最早的溫度計即是這種彩色玻璃球溫度計,是在1593年由義大利科學家伽利略(1564~1642)發明的。現在市場上也稱為伽利略溫度計,主要用於室內裝飾或作禮品收藏等用。

彩色玻璃球溫度計彩色玻璃球溫度計
這種溫度計外部為一根玻璃管,內裝有透明液體。透明液體中又有數枚盛有不同顏色液體的密封小玻璃泡。每個小玻璃泡的底端掛有一個吊牌,上面寫著一個溫度值,由此而不同密度的盛有彩色液體的密封玻璃球置於一個玻璃容器。有些型號的伽利略彩球溫度計在外部玻璃管周圍還裝有木架或塑膠佳等裝飾。

這種溫度計中的玻璃球有一個奇妙的特性,若當前室溫超過這個玻璃球下端吊牌所示的溫度後,則該玻璃球會下沉,反之會上浮。因此,溫度越低時浮起的小球越多,溫度越高時下沉的小球越多。

伽利略彩球溫度計的讀數雖然沒有一些專業溫度計精確,但確實具有趣味性。仔細觀察會發現,玻璃管中的小玻璃球上下排列是有規律的,吊牌溫度最高的小球在最上方,最低的在最下方,並且不管小球或沉或浮,都由上到下按照吊牌溫度的降序排列。當所有小球都在玻璃管中靜止,不再上下運動時,所有上浮小球中最下方一個小球的吊牌溫度即為當前所測得的溫度。

有時玻璃管中部會有一個靜止的懸浮玻璃球,則它的吊牌溫度最接近室溫。不過大多數時候中部的懸浮球是一個假象,其實是因為環境溫度有變化,致使那個懸浮的玻璃球正在緩慢的浮起或沉下,因為速度過慢會使人誤以為靜止。

彩球沉浮有秘密

與平常使用的溫度計不同,這種溫度計利用的則是密度差原理。簡單的說,在某一溫度下,小玻璃球的總體密度大於玻璃管中的透明液體密度,則它受到的透明液體的浮力小於它的重力,小球下沉;反之,若小玻璃球的總體密度小於玻璃管中的透明液體密度,則它受到的透明液體的浮力大於它的重力,小球上浮。

當玻璃管中的透明液體的溫度改變,它的密度會隨之改變。於是不同小球上浮或者下沉到一個與周圍的液體密度相等的位置。如果控制各個小球的總體密度,使得總體密度最低的小球排於上方,最高的排在底部,這樣便形成可以溫度標度,用於指示溫度了。

溫度一般是讀取自一個被刻記的在各玻璃小球上的金屬圓盤。也有製造廠商說,玻璃球下方那個看似金屬質感的吊牌其實是塑膠,因為常用的金屬材料太重會使得玻璃球總體密度過大而無法浮起。並且,其實玻璃小球之間幾乎沒有區別,是精準控制的吊牌重量在起著調節玻璃小球總體密度的作用。

是否有毒無需憂

彩色玻璃球溫度計彩色玻璃球溫度計
伽利略溫度計中玻璃小球色彩相當艷麗,即便是大玻璃管里沒有顏色的透明液體也顯得相當神秘。那么,假如不小心打碎伽利略溫度計,裡面流出的液體有沒有毒呢?

按照網路上和商家的說法,裡面的液體主要是酒精,水或者其他類似的液體,一般情況下無害。小球中出現的艷麗色彩一般是因為勾兌了色素的緣故,有些甚至是食用色素。因此,即便伽利略溫度計不小心打破,液體流出,也沒有必要憂心。

相關詞條

相關搜尋

熱門詞條