伽利略溫度計

據(jù)說，最早的溫度計即是這種彩色玻璃球溫度計，是在1593年由意大利科學(xué)家伽利略(1564~1642)發(fā)明的?，F(xiàn)在市場上也稱為伽利略溫度計，主要用于室內(nèi)裝飾或作禮品收藏等用。

這種溫度計外部為一根玻璃管，內(nèi)裝有透明液體。透明液體中又有數(shù)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，本詞條題圖。由此而不同密度的盛有彩色液體的密封玻璃球置于一個玻璃容器。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料佳等裝飾(右圖)。

這種溫度計中的玻璃球有一個奇妙的特性，若當(dāng)前室溫超過這個玻璃球下端吊牌所示的溫度后，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(shù)雖然沒有一些專業(yè)溫度計精確，但確實(shí)具有趣味性。仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn)，玻璃管中的小玻璃球上下排列是有規(guī)律的，吊牌溫度最高的小球在最上方，最低的在最下方，并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(dāng)所有小球都在玻璃管中靜止，不再上下運(yùn)動時，所有上浮小球中最下方一個小球的吊牌溫度即為當(dāng)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(shù)時候中部的懸浮球是一個假象，其實(shí)是因為環(huán)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。

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于玻璃管中的透明液體密度，則它受到的透明液體的浮力小于它的重力，小球下沉;反之，若小玻璃球的總體密度小于玻璃管中的透明液體密度，則它受到的透明液體的浮力大于它的重力，小球上浮。

當(dāng)玻璃管中的透明液體的溫度改變，它的密度會隨之改變。于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于上方，最高的排在底部，這樣便形成可以溫度標(biāo)度，用于指示溫度了。

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。也有制造廠商說，玻璃球下方那個看似金屬質(zhì)感的吊牌其實(shí)是塑料，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。并且，其實(shí)玻璃小球之間幾乎沒有區(qū)別，是精準(zhǔn)控制的吊牌重量在起著調(diào)節(jié)玻璃小球總體密度的作用。

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

按照網(wǎng)絡(luò)上和商家的說法，里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(xiàn)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。

溫度計的發(fā)明者意大利科學(xué)家伽利略于1564年2月15日出生在意大利的比薩城。他從小就表現(xiàn)出強(qiáng)烈的求知欲望。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，按照父親的意愿，考上了比薩大學(xué)醫(yī)科專業(yè)。

伽利略在學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)的過程中，認(rèn)識到人的生病與體溫變化有很大的關(guān)系，也就是說，通過了解人的體溫有助于確定其身體狀態(tài)?？稍诋?dāng)時，醫(yī)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(chǎn)生誤差，并不精確。

伽利略想:能不能發(fā)明一種可以精確地測出病人體溫的儀器呢?

于是，伽利略開始構(gòu)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(rèn)了。

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(jù)說是古希臘人發(fā)明的。它的結(jié)構(gòu)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(chǎn)生了一個新的想法:"為什么不根據(jù)熱脹冷縮的現(xiàn)象來制作呢?"

于是，伽利略便對熱脹冷縮現(xiàn)象進(jìn)行進(jìn)一步的研究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了許多方案。然而，科學(xué)發(fā)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余年的時間過去了。1593年，伽利略發(fā)明了第一支空氣溫度計。這種氣體溫度計是用一根細(xì)長的玻璃管制成的。它的一端制成空心圓球形;另一端開口，事先在管內(nèi)裝進(jìn)一些帶顏色的水，并將這一端倒插入盛有水的容器中。在玻璃管上等距離地標(biāo)上刻度。這樣，當(dāng)外界溫度升高時，玻璃球內(nèi)氣體膨脹，使玻璃管中水位降低;反之，溫度較低時，玻璃球內(nèi)氣體收縮，玻璃管中的水位就會上升。

空氣溫度計的發(fā)明，導(dǎo)致了體溫計的問世。

伽利略的一位朋友、帕多瓦大學(xué)醫(yī)學(xué)教授?？送辛羲梗恢痹陉P(guān)注著伽利略研制溫度計的進(jìn)展。當(dāng)他看到世界上第一支空氣溫度計后，按照自己的設(shè)想和診病需要，對氣體溫度計進(jìn)行了改進(jìn)，在1600年制成了世界上第一支體溫計。

第一支空氣溫度計雖能測定溫度，但人們發(fā)現(xiàn)它的測定結(jié)果并不精確，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(qiáng)的影響。也就是說，即使溫度不變，玻璃管內(nèi)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(jìn)行改進(jìn)。他的學(xué)生斐迪南在老師的指導(dǎo)下，決定用液體代替空氣溫度計中的空氣。

1654年，斐迪南經(jīng)過對各種液體的試驗之后，研制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，然后迅速把玻璃管口封死。這樣，它就可以避免大氣壓強(qiáng)的影響。

可是，經(jīng)過一段時間的使用，人們發(fā)現(xiàn)，酒精溫度計也存在不足之處，即當(dāng)用它測開水的溫度時，溫度計內(nèi)一片模糊。原來，水的沸點(diǎn)是100℃，酒精的沸點(diǎn)是78℃，因此將酒精溫度計置于開水之中時，酒精早已變成氣體了。顯然，只有用高沸點(diǎn)的液體代替酒精，才能解決這一問題。1659年，法國天文學(xué)家布里奧，利用水銀沸點(diǎn)較高的特性，首度制成水銀溫度計。這種溫度計可測得357℃的高溫，也可測得-39℃的低溫。

后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(zhì)，制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(jīng)過反復(fù)實(shí)驗與核準(zhǔn)，最后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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)的同時，法國人列繆爾(1683~1757)也設(shè)計制造了一種溫度計。他認(rèn)為水銀的膨脹系數(shù)太小，不宜做測溫物質(zhì)。他專心研究用酒精作為測溫物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。他反復(fù)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，含有1/5水的酒精，在水的結(jié)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(diǎn)和沸點(diǎn)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(xué)家雷伊(J.Ray)第一個改進(jìn)了伽利略的溫度計。他將伽利略的裝置倒轉(zhuǎn)過來，將水注入玻璃泡內(nèi)，而將空氣留在玻璃管中，仍然用玻璃管內(nèi)水柱的高低來表示溫度的高低。由于這項改進(jìn)使水成了測溫物質(zhì)，實(shí)際上這成了第一只液體溫度計。它的缺點(diǎn)在于，向上的管口沒有封閉，由于水會不斷蒸發(fā)，會影響到測量的準(zhǔn)確性?？茖W(xué)家就在玻璃泡和玻璃管的相對大小上進(jìn)行研究，以減少這種蒸發(fā)，使液體能在一年的過程中在整個玻璃管的長度內(nèi)升降。盡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(fā)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(xiàn)的。沒有當(dāng)初在各個方面想方設(shè)法的改進(jìn)，就不會有今天的完善。

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

到了18世紀(jì)，法國的勒奧默有鑒于水銀的膨脹系數(shù)小，曾強(qiáng)烈反對使用水銀作測溫物質(zhì)。他致力于制造一個既方便又能達(dá)到精度要求的酒精溫度計。但由于他的溫度計結(jié)果不好，并且不同的溫度計也不一致，日內(nèi)瓦的德呂斯(1727-1817)又恢復(fù)使用水銀，并以一個物理學(xué)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(fā)明一種特殊溫度計，它是利用金屬細(xì)桿的膨脹和收縮原理制成的。35年后韋奇伍德發(fā)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，事情并非如此。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后于水銀溫度計約0.2℃左右。在250℃時，水銀溫度計的讀數(shù)比空氣溫度計高半度以上;在300℃時兩種溫度計的差別已達(dá)1℃;350℃時差別達(dá)30℃。奧爾舍夫斯基還比較了氫溫度計和水銀溫度計，發(fā)現(xiàn)在低溫情況下，氫溫度計還是十分可靠的，當(dāng)-220℃時，它們的誤差不大于1℃。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對測溫儀器的要求越來越高。到了19世紀(jì)末20世紀(jì)初，許多科學(xué)家運(yùn)用各種物理原理，發(fā)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、氫溫度計等。