伽利略溫度計(jì)彩色玻璃球

據(jù)說(shuō)，最早的溫度計(jì)即是這種彩色玻璃球溫度計(jì)，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(chǎng)上也稱為伽利略溫度計(jì)，主要用于室內(nèi)裝飾或作禮品收藏等用。

這種溫度計(jì)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(gè)小玻璃泡的底端掛有一個(gè)吊牌，上面寫著一個(gè)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(gè)玻璃容器。有些型號(hào)的伽利略彩球溫度計(jì)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(jì)中的玻璃球有一個(gè)奇妙的特性，若當(dāng)前室溫超過(guò)這個(gè)玻璃球下端吊牌所示的溫度后，則該玻璃球會(huì)下沉，反之會(huì)上浮。因此，溫度越低時(shí)浮起的小球越多，溫度越高時(shí)下沉的小球越多。

伽利略彩球溫度計(jì)的讀數(shù)雖然沒(méi)有一些專業(yè)溫度計(jì)精確，但確實(shí)具有趣味性。仔細(xì)觀察會(huì)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(dòng)時(shí)，所有上浮小球中最下方一個(gè)小球的吊牌溫度即為當(dāng)前所測(cè)得的溫度。

有時(shí)玻璃管中部會(huì)有一個(gè)靜止的懸浮玻璃球，則它的吊牌溫度最接近室溫。不過(guò)大多數(shù)時(shí)候中部的懸浮球是一個(gè)假象，其實(shí)是因?yàn)榄h(huán)境溫度有變化，致使那個(gè)懸浮的玻璃球正在緩慢的浮起或沉下，因?yàn)樗俣冗^(guò)慢會(huì)使人誤以為靜止。

與平常使用的溫度計(jì)不同，這種溫度計(jì)利用的則是密度差原理。簡(jiǎn)單的說(shuō)，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(huì)隨之改變。于是不同小球上浮或者下沉到一個(gè)與周圍的液體密度相等的位置。 如果控制各個(gè)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(gè)被刻記的在各玻璃小球上的金屬圓盤。也有制造廠商說(shuō)，玻璃球下方那個(gè)看似金屬質(zhì)感的吊牌其實(shí)是塑料，因?yàn)槌Ｓ玫慕饘俨牧咸貢?huì)使得玻璃球總體密度過(guò)大而無(wú)法浮起。并且，其實(shí)玻璃小球之間幾乎沒(méi)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(jì)中玻璃小球色彩相當(dāng)艷麗，即便是大玻璃管里沒(méi)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(jì)，里面流出的液體有沒(méi)有毒呢?

按照網(wǎng)絡(luò)上和商家的說(shuō)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(wú)害。小球中出現(xiàn)的艷麗色彩一般是因?yàn)楣磧读松氐木壒?，有些甚至是食用色素。因此，即便伽利略溫度?jì)不小心打破，液體流出，也沒(méi)有必要憂心。

溫度計(jì)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(yáng)，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(guò)程中，認(rèn)識(shí)到人的生病與體溫變化有很大的關(guān)系，也就是說(shuō)，通過(guò)了解人的體溫有助于確定其身體狀態(tài)?？稍诋?dāng)時(shí)，醫(yī)生只能用手觸摸病人，憑感覺(jué)來(lái)推測(cè)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(cè)出病人體溫的儀器呢?

于是，伽利略開(kāi)始構(gòu)思這種新儀器的使用原理。他想了許多辦法，可一個(gè)個(gè)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(shuō)是古希臘人發(fā)明的。它的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)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(lái)。玩的時(shí)候，在鉛球下加熱，U形管中的水就會(huì)向回退縮;移開(kāi)鉛球下的火源，鉛球冷卻，水就會(huì)升到原來(lái)的位置。 伽利略觀察著，產(chǎn)生了一個(gè)新的想法:"為什么不根據(jù)熱脹冷縮的現(xiàn)象來(lái)制作呢?"

于是，伽利略便對(duì)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(jì)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(lái)暑往，10余年的時(shí)間過(guò)去了。1593年，伽利略發(fā)明了第一支空氣溫度計(jì)。這種氣體溫度計(jì)是用一根細(xì)長(zhǎng)的玻璃管制成的。它的一端制成空心圓球形;另一端開(kāi)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(shí)，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(shí)，玻璃球內(nèi)氣體收縮，玻璃管中的水位就會(huì)上升。

空氣溫度計(jì)的發(fā)明，導(dǎo)致了體溫計(jì)的問(wèn)世。

伽利略的一位朋友、帕多瓦大學(xué)醫(yī)學(xué)教授桑克托留斯，一直在關(guān)注著伽利略研制溫度計(jì)的進(jìn)展。當(dāng)他看到世界上第一支空氣溫度計(jì)后，按照自己的設(shè)想和診病需要，對(duì)氣體溫度計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，在1600年制成了世界上第一支體溫計(jì)。

第一支空氣溫度計(jì)雖能測(cè)定溫度，但人們發(fā)現(xiàn)它的測(cè)定結(jié)果并不精確，因?yàn)闅怏w溫度計(jì)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(shuō)，即使溫度不變，玻璃管內(nèi)的水的高度也會(huì)有所差異。

此時(shí)，伽利略手頭的其他研究工作十分繁忙，他沒(méi)有精力對(duì)空氣溫度計(jì)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(jì)中的空氣。

1654年，斐迪南經(jīng)過(guò)對(duì)各種液體的試驗(yàn)之后，研制出了世界上第一支酒精溫度計(jì)。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(guò)一段時(shí)間的使用，人們發(fā)現(xiàn)，酒精溫度計(jì)也存在不足之處，即當(dāng)用它測(cè)開(kāi)水的溫度時(shí)，溫度計(jì)內(nèi)一片模糊。原來(lái)，水的沸點(diǎn)是100℃，酒精的沸點(diǎn)是78℃，因此將酒精溫度計(jì)置于開(kāi)水之中時(shí)，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(wèn)題。1659年，法國(guó)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(jì)。這種溫度計(jì)可測(cè)得357℃的高溫，也可測(cè)得-39℃的低溫。

后來(lái)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(cè)量物質(zhì)，制造了更精確的溫度計(jì)。他觀察了水的沸騰溫度、水和冰混合時(shí)的溫度、鹽水和冰混合時(shí)的溫度;經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)與核準(zhǔn)，最后把一定濃度的鹽水凝固時(shí)的溫度定為0℉，把純水凝固時(shí)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(jì)。

在華氏溫度計(jì)出現(xiàn)的同時(shí)，法國(guó)人列繆爾(1683~1757)也設(shè)計(jì)制造了一種溫度計(jì)。他認(rèn)為水銀的膨脹系數(shù)太小，不宜做測(cè)溫物質(zhì)。他專心研究用酒精作為測(cè)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(gè)體積單位增大到1080個(gè)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(jì)的溫度分度，這就是列氏溫度計(jì)。

1632年，法國(guó)物理學(xué)家雷伊(J.Ray)第一個(gè)改進(jìn)了伽利略的溫度計(jì)。他將伽利略的裝置倒轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，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(lái)表示溫度的高低。由于這項(xiàng)改進(jìn)使水成了測(cè)溫物質(zhì)，實(shí)際上這成了第一只液體溫度計(jì)。它的缺點(diǎn)在于，向上的管口沒(méi)有封閉，由于水會(huì)不斷蒸發(fā)，會(huì)影響到測(cè)量的準(zhǔn)確性。科學(xué)家就在玻璃泡和玻璃管的相對(duì)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(guò)程中在整個(gè)玻璃管的長(zhǎng)度內(nèi)升降。盡管從今天的角度看來(lái)這種努力的方向不大對(duì)頭，但從溫度計(jì)發(fā)展完善的全過(guò)程來(lái)看，這種努力是有價(jià)值的，也是必然會(huì)出現(xiàn)的。沒(méi)有當(dāng)初在各個(gè)方面想方設(shè)法的改進(jìn)，就不會(huì)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(cè)溫物質(zhì)，從而使最早的溫度計(jì)進(jìn)入了較為實(shí)用的階段。

到了18世紀(jì)，法國(guó)的勒奧默有鑒于水銀的膨脹系數(shù)小，曾強(qiáng)烈反對(duì)使用水銀作測(cè)溫物質(zhì)。他致力于制造一個(gè)既方便又能達(dá)到精度要求的酒精溫度計(jì)。但由于他的溫度計(jì)結(jié)果不好，并且不同的溫度計(jì)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(gè)物理學(xué)家的身份熱情地呼喊:"自然界給我們這個(gè)礦物肯定是為了做溫度計(jì)"。

1747年，荷蘭的穆欣布洛克還發(fā)明一種特殊溫度計(jì)，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(jì)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(jì)和空氣溫度計(jì)。他曾假定各個(gè)水銀溫度計(jì)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(jì)和普通軟玻璃水銀溫度計(jì)非常接近，但空氣溫度計(jì)的中間刻度落后于水銀溫度計(jì)約0.2℃左右。在250℃時(shí)，水銀溫度計(jì)的讀數(shù)比空氣溫度計(jì)高半度以上;在300℃時(shí)兩種溫度計(jì)的差別已達(dá)1℃;350℃時(shí)差別達(dá)30℃。奧爾舍夫斯基還比較了氫溫度計(jì)和水銀溫度計(jì)，發(fā)現(xiàn)在低溫情況下，氫溫度計(jì)還是十分可靠的，當(dāng)-220℃時(shí)，它們的誤差不大于1℃。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)測(cè)溫儀器的要求越來(lái)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(jì)，如電阻式溫度計(jì)、輻射式高溫計(jì)、光測(cè)高溫計(jì)、氫溫度計(jì)等。