伽利略温度计

1、伽利略温度计伽利略温度计(英文：Galileo thermometer)是一个包含着透明液体的玻璃圆筒温度计。液体里悬浮着一定数量的重物。那些重物一般是包含有色液体的玻璃容器。当液体的温度改变，它们的密度会随之改变，并且那些悬浮的重物也会上升或下降到一个与周围的液体密度相等的位置。如果重物有非常少的不同，还有被排列为最低密度的在上面，最高密度在底部，这样他们便形成温度标度。温度一般是读取自一个被刻记的在各重物上的金属圆盘。顶面重物的最低重物是表示四周的温度。达到这要求要制造容量少于 1/1000 克的重物。伽利略温度计的运作是基于浮力原则。浮力一般是指物体浸泡在液体或气体 中产生的托力，它也是

2、钢制的小船能 漂浮的原因(当然，一支钢制的固体棒自己是会下沉的)。唯一因素去确定一个大物体是否漂浮或下沉在特殊液体，是与物体的质量和物体下沉时取代了液体的质量有关的1。如果物体的质量大于液体被取代的质量，物体将会下沉。相反，如果物体的质量比液体被取代的质量少，对象将会漂浮。图一如果有两个物体，每个都是 10 厘米10 厘米10 厘米的正方体。那么被这个大小物体取代的水的质量就是 1 公斤。左面的咖啡色物体漂浮是因为水被取代的质量(0.5 公斤，一半的物体沉于水，一半在水上面)相等于物体的质量。右面的绿色物体下沉是因为水被取代的质量(1 公斤)少于物体的质量(2 公斤)。图二不是所有用上面绿色物

3、料做的物体都会下沉。在图二，绿色物体的里面被挖空。现在物体的总质量是 0.5 公斤，但他的容量仍然一样，所以它像(图一)咖啡色物体一样半浮于水。在上面的例子，物体漂浮的液体被假设为水。水的密度为1kg/L，这代表被上述任何物体取代的水的容量是 1 公斤。伽利略发现液体的密度会随温度稍微改变。当温度增高，液体 密度减少。这就是伽利略温度计运作的主要关键。图三图三显示一个绿色物料做的 1 公斤中空物体。在左手面的容器，液体的密度为1.001 kg/L。由于物体的质量少于水被取代的质量，它浮了。在右手面的容器， 液体的质量是 0.999 kg/L。由于物体的质量比水被取代的质量大，它下沉了。这显示密

4、度的非常小改变也轻易引至几乎漂浮的物体下沉。在伽利略温度计，小玻璃球装了不同(颜色)的液体。每个装了些微不同的数量， 它以最轻的在最上，最重的在最下面来排列。玻璃球沉浸的清彻液体并非水，而是一些不活跃的碳化氢(选取它是因为当温度改变，它的密度转变比水的较多)。图四图四显示伽利略温度计在两个不同温度的图表说明 (标志在这个例子的温度是华氏).编辑 注释伽利略于 1564 年 2 月 15 日出生在意大利的 比萨城。他从小就表现出强烈的求知欲望。大自然中的一草一木，天空中的星星、太阳，都能引起他极大的好奇。他在17 岁那年，按照父亲的意愿，考上了 比萨大学医科专业。伽利略在学习医学的过程中，认识到

5、人的生病与体温变化有很大的关系，也就是说， 通过了解人的体温有助于确定其身体状态。可在当时，医生只能用手触摸病人，凭感觉来推测人体的大致温度。这种方法显然容易产生误差，并不精确。伽利略想：能不能发明一种可以精确地测出病人体温的仪器呢?于是，伽利略开始构思这种新仪器的使用原理。他想了许多办法，可一个个都被他自己否认了。一天，他在沉思之中，看到一位小孩正在玩一种玩具。这种玩具据说是古希腊人发明的。它的结构很简单：在 U 形的玻璃管里装一半水，将弯管的一端用铅球密封， 另一端用玻璃球密封，使管中的空气跑不出来。玩的时候，在铅球下加热，U 形管中的水就会向回退缩；移开铅球下的火源，铅球冷却，水就会升到

6、原来的位置。伽利略观察着，产生了一个新的想法： “为什么不根据 热胀冷缩的现象来制作呢 ?”于是，伽利略便对热胀冷缩现象进行进一步的研究，并在此基础上设计了许多方案。然而，科学发明不可能 一蹴而就，他的方案又一次次的失败了。寒来暑往， 10 余年的时间过去了。 1593 年，伽利略发明了第一支空气温度计。这种气体温度计是用一根细长的玻璃管制成的。它的一端制成空心圆球形；另一端开口， 事先在管内装进一些带颜色的水，并将这一端倒插入盛有水的容器中。在玻璃管上等距 离地标上刻度。这样，当外界温度升高时，玻璃球内气体膨胀，使玻璃管中水位降低； 反之，温度较低时，玻璃球内气体收缩，玻璃管中的水位就会上升

7、。空气温度计的发明，导致了体温计的问世。伽利略的一位朋友、 帕多瓦大学医学教授桑克托留斯，一直在关注着伽利略研制温度计的进展。当他看到世界上第一支空气温度计后，按照自己的设想和诊病需要，对气体温度计进行了改进，在 1600 年制成了世界上第一支体温计。第一支空气温度计虽能测定温度，但人们发现它的测定结果并不精确，因为气体温度计下端是与大气相通的，玻璃管中的水位高度不仅受到 空心球中空气温度的影响， 而且还受到大气压强的影响。也就是说，即使温度不变，玻璃管内的水的高度也会有所差异。此时，伽利略手头的其他研究工作十分繁忙，他没有精力对空气温度计进行改进。他的学生斐迪南在老师的指导下，决定用液体代替

8、空气温度计中的空气。1654 年，斐迪南经过对各种液体的试验之后，研制出了世界上第一支酒精温度计。它是往玻璃球里注适量酒精，再加热玻璃球，用酒精蒸气赶跑玻璃管中的空气，然后迅速把玻璃管口封死。这样，它就可以避免大气压强的影响。可是，经过一段时间的使用，人们发现，酒精温度计也存在不足之处，即当用它测开水的温度时，温度计内一片模糊。原来，水的沸点是 100，酒精的沸点是 78， 因此将酒精温度计置于开水之中时，酒精早已变成气体了。显然，只有用高沸点的液体代替酒精，才能解决这一问题。 1659 年， 法国天文学家布里奥，利用水银沸点较高的特性，制成水银温度计。这种温度计可测得 357的高温，也可测得

9、 -39的低温。随着科学技术的发展，人们对测温仪器的要求越来越高。到了 19 世纪末 20 世纪初，许多科学家运用各种物理原理，发明了多种形式的新型温度计，如电阻式温度计、辐射式高温计、光测高温计、氢温度计等。这种温度计的缺点是管中液柱的升降变化还要受到大气压变化的影响，因此误差比较大最早的温度计是在 1593 年由意大利科学家伽利略 (15641642)发明的。原理： 利用同温度下 , 不同比重的液体分开置於小球中 , 比重小球内包含有色液体，至於玻璃容器。当液体的温度改变，它们的密度会随之改变，并且那些悬浮的小球也会上升或下降到一个与周围的液体密度相等的位置。如果重物有差异少，排列为最低密

10、度的在上面，最高密度在底部，这样便形成温度标度。温度一般是读取自一个被刻记的在各重物上的金属圆盘。顶面重物的最低重物是表示四周的温度。 他的第一只温度计是一根一端敞口的玻璃管，另一端带有核桃大的玻璃泡。使用时先给玻璃泡加热，然后把玻璃管插入水中。随着温度的变化，玻璃管中的水面就会上下移动，根据移动的多少就可以判定温度的变化和温度的高低。这种温度计，受外界大气压强等环境因素的影响较大，所以测量误差大。后来伽利略的学生和其他科学家，在这个基础上反复改进，如把玻璃管倒过来，把液体放在管内，把玻璃管封闭等。比较突出的是法国人布利奥在1659 年制造的温度计，他把玻璃泡的体积缩小，并把测温物质改为水银，

11、这样的温度计已具备了现在温度计的雏形。以后 荷兰人华伦海特在 1709 年利用酒精，在 1714 年又利用水银作为测量物质，制造了更精确的温度计。他观察了水的沸腾温度、水和冰混合时的温度、盐水和冰混合时的温度；经过反复实验与核准，最后把一定浓度的盐水凝固时的温度定为0，把纯水凝固时的温度定为 32，把标准大气压下水沸腾的温度定为 212，用代表华氏温度，这就是华氏温度计。在华氏温度计出现的同时，法国人列缪尔 (16831757)也设计制造了一种温度计。他认为水银的膨胀系数太小，不宜做测温物质。他专心研究用酒精作为测温物质的优点。他反复实践发现，含有 1/5 水的酒精，在水的结冰温度和沸腾温度之

12、间，其体积的膨胀是从 1000 个体积单位增大到 1080 个体积单位。因此他把冰点和沸点之间分成80份，定为自己温度计的温度分度，这就是列氏温度计。1632 年，法国物理学家雷伊（JRay）第一个改进了伽利略的温度计。他将伽利略的装置倒转过来，将水注入玻璃泡内，而将空气留在玻璃管中，仍然用玻璃管内水柱的高低来表示温度的高低。由于这项改进使水成了测温物质，实际上这成了第一只液体温度计。它的缺点在于，向上的管口没有封闭，由于水会不断蒸发，会影响到测量的准确性。科学家就在玻璃泡和玻璃管的相对大小上进行研究，以减少这种蒸发，使液体能在一年的过程中在整个玻璃管的长度内升降。尽管从今天的角度看来这种努力

13、的方向不 大对头，但从温度计发展完善的全过程来看，这种努力是有价值的，也是必然会出现的。没有当初在各个方面想方设法的改进，就不会有今天的完善。1657 年， 佛罗伦萨西曼托（ Cimento）科学院的成员们提出了密封管子的思想， 并建议用酒精取代水作为测温物质，从而使最早的温度计进入了较为实用的阶段。温度计的进一步完善温度计的进一步完善和发展是沿着两个方向进行的，一是测温物质的选择；二是刻度标准的确定。测温物质的研究和确定除上述用酒精取代水作测温物质的尝试外， 1659 年法国天文学家布里奥（ IBoulliau）制造一个温度计，第一次使用水银作测温物质。他本人从 1658 年 5 月起至 1

14、660 年 9 月，连续进行了两年多的温度观察记录，仅次于开始于 1655 年的佛罗伦萨的温度观察记录，成为现存最古老的温度记录之一。但到了 18 世纪，法国的勒奥默有鉴于水银的膨胀系数小，曾强烈反对使用水银作测温物质。他致力于制造一个既方便又能达到精度要求的酒精温度计。但由于他的温度计结果不好，并且不同的温度计也不一致， 日内瓦的德吕斯（ 17271817）又恢复使用水银，并以一个物理学家的身份热情地呼喊： “自然界给我们这个矿物肯定是为了做温度计 ”。1747 年，荷兰的穆欣布洛克还发明一种特殊温度计，它是利用金属细杆的膨胀和收缩原理制成的。 35 年后韦奇伍德发明的高温计利用的正是这一原

15、理。1815 年， 杜隆和珀替还比较了水银温度计和空气温度计。他曾假定各个水银温度 计彼此都是一致的，但勒尼奥证明，事情并非如此。勒尼奥还证明，在0 和 100 之间，空气温度计和普通软玻璃水银温度计非常接近，但空气温度计的中间刻度落后于水银温度计约 02左右。在 250时，水银温度计的读数比空气温度计高半度以上； 在 300时两种温度计的差别已达 1；350时差别达 30。奥尔舍夫斯基还比较了氢温度计和水银温度计，发现在低温情况下，氢温度计还是十分可靠的，当-220 时，它们的误差不大于 1。究竟什么物质作测温物质好，在一个时期内，物理学家的认识是相当混乱的。那时他们用“均匀膨胀与否 ”作为判断理想测温物质的标准，如那时常听人说 “水银温度计的优点是水银会均匀地膨胀 ”，“空气温度计的优点是空气会均匀地膨胀或近似均匀地膨胀”。然而被用来确立这种均匀性的参考标准就很难给出，因为原则上我们可以取任何一种物质作为标准，然后就把那种物质的相等增量定义为温度的相等增量。但问题在于， 若选定一种物质（比如水银）作为标准物质后，若断言该物质会“均匀”膨胀，这就武 断了。况且当两种测温物质比较时，如果水银是任定的标准，则空气就不是完全均匀地 膨胀，反之亦然。这种差别直到 1848 年才由开尔文勋爵第一个揭示出来。他建立了温度的“绝对热力学温标 ”