华伦海特：华氏度的发明家
2019-4-28 青野云麓
华伦海特，波兰著名的物理学家。他从小就失去了父母，于是被迫由他的保护人送出去学习经商。他曾经在德国、英国、瑞典等国家边旅游边学习，也拜访过很多科学家和一些科学仪器的制造者。在1717年移居荷兰后，成为了仪器制作专家。他自己建立了一个机械的车间，制作出许许多多造福于人类的发明。温度计、气压计、液体比重计等。与此同时，他还专研气象学等方面的研究。
说到华伦海特简介，不得不提华氏温标。华伦海特在十八世纪初发明了第一支温度计，这支温度计本来是使用酒精作为测温的物质，后来改成了水银。这就是历史上第一支华氏温标。这也意味着从此温度测量有了一个统一的标准。刚开始，华伦海特选用了两个固定的点，把它定做零度，而另一个点就是正常人的体温，定做96度。之后加进来第三个固定的点，也就是冰水混合物，定为32度。
另外，华伦海特还进行过其他的一些实验。他在实验过程中发现每一种液体其实像水一样都有自己的一个沸点，这个沸点随着大气压的变化而变化。这个研究发现对于热学是一个很重要的发现。之后他又继续研究，最后设计出带有气压表的温度计。在1721年，他又发现水即使是在冰点以下仍然还是液体的状态，于是成功设计出比重计。虽然最早发明温度计的是意大利的伽利略，但是华伦海特在计温学上的贡献依然是非常卓著。
华伦海特哪国人
华伦海特哪国人?华伦海特出生于但泽，也就是现在的格但斯克，所以华伦海特是波兰人。华伦海特能够成为有名的物理学家，这和他小时候的经历有很大的关系。华伦海特在小的时候就遭遇了父母意外身亡的命运，这个残酷的事实迫使华伦海特不得不开始学习经商。在阿姆斯特丹学习了商业好多年，他在那里了解到了许多科学仪器的制作，于是产生了对物理学的喜爱。
十八世纪初，他先后取了好多个地方学习学者以及其他工匠的制作与操练，柏林、哈勒、莱比锡等地他都有去过，并且学到了不少技术。华伦海特在哥本哈根遇到了丹麦的天文学家罗莫，从此两个人结成了好朋友。几年过后，华伦海特和著名的数学家莱布尼茨一起合作完成了能够测量海上经度的时钟。
1714年，他把温标命名为自己的名字，很快又被英国伦敦皇家学会邀请成为会员。华氏温标规定冰点是32度，而水的沸点是212度。虽然随着科学的发展，很多地方已经不再使用华氏温标，但是一些情况下它还是能够发挥它的作用。抽水泵也是华伦海特发明的，他利用抽水泵解决了很多问题。由此可见，华伦海特是一位严谨好学，聪慧过人的科学家。1736年，也就是他发明了抽水泵的同一年，华伦海特便在荷兰海牙去世了，那时候他才50 岁。以上便是关于华伦海特哪国人的简介。
华伦海特的成就
著名物理学家华伦海特的成就卓著，在物理学方面的贡献便是在1714年发明了华氏温标。他把水的沸点定为212度，把冰点记为32度。规定在数值后面要加上°F，这个符号读作“华氏度”。华伦海特另外一个成就就是他发现了能够净化水银的方法，并且提出用水银代替酒精用来测量温度的指标。于是便有了酒精和水银两种物质的温度计。
但是酒精温度计有一个缺点，因为酒精的沸点比水还低，在78摄氏度的时候会沸腾，这个时候玻璃管中就会变得模糊不清。酒精温度计连水的沸点也测不出来，所以水银在测量温度上比酒精要实用得多。后来他惊奇地发现水的沸点是随着气压的变化而变化的，于是就有利用沸点的测高计。
温度计上是有刻度的，这是用来显示温度刻度的尺子，因为在很早的时候，每个人制造的温度计上面的刻度都不一样，这也使用起来也不方便。于是华伦海特就想了一个办法把温度计上面的刻度都统一起来。他把当时所能了解到的最低温记为零度，那时候的冰雪和盐的混合物温度最低。然后把温度计放进自己的嘴里，水银升到哪里就在哪里划一条刻度，然后把中间划成二十四格。后来将二十四格中的每一格又分了四格。其他的液体制成温度计也用这种刻度的方法。当华伦海特的温度计被荷兰人以及英国人采用的时候，其他国家的却远远没有看到温度计的用处，以上便是华伦海特的成就。
轶事典故
量冷热的尺子
温度计上都有刻度，这是量冷热的尺子。最早的时候，各人制造的温度计上的刻度不相同，使用起来很不方便。
华伦海特想出了一个把温度计上的刻度统一起来的办法。他把温度计放在冰雪和盐的混合物里，看玻璃管里的水银降到哪儿，就在玻璃管上刻一条线，这时的温度计作为零度（当年所了解的最低温度）。再把温度计放在自己嘴里，看水银升到哪儿，又刻一条线。把这两条线之间平分成24格，一格作为一度。后来，他觉得这样的格子太大，又把每一格平分成4格，一共成了96格，从0度到96度。再用同样大小的格子，刻出零度以下和96度以上的度数。其他的液体（如酒精）也可以用同样方法来定刻度。许多人采用了这种刻度温度计。因为它是华伦海特创造的，所以叫华氏温度计，量出来的度数就是华氏多少度，用“F”来表示。例如水的冰点是华氏32度，就写成“32℉”；水的沸点是华氏212度，就写成“212℉”。
后来，瑞典人摄尔修斯又想出了一个办法。他把水结冰的温度作为0度。把水沸腾的温度作为100度。把0度与100度之间平分成100个格子。再用同样大小的格子，刻出0度以下和100度以上的度数。
摄尔修斯创造的刻度办法，比华伦海特的简便得多，所以更受到人们的欢迎。用这个刻度办法制成的温度计，叫做摄氏温度计，量出来的温度就是摄氏多少度，用“℃”来表示。
不过应该说明一点，在工业生产和科学实验中，都采用1968年国际实用温标，摄氏温标已经废弃不用。所用的摄氏度是国际实用摄氏度而言的。这是随着生产和科学技术的发展，经过多次修改的结果。这方面的知识，你们将来在物理学课程中会学到它，就不在这里介绍了。
两种温度计
华伦海特做了两种温度计——一种装上酒精，另一种装上水银。从他在1724年发表的第一篇论文来看，他那时所用的温度计选用了两个固定点：结冰的盐水混合物的温度和人体的血液的温度，并把它们之间的间隔分为96度。从他1724年发表的第二篇论文来看，他还使用了以冰水混合物决定的第三个固定点。我们从这篇论文中引述如下：“那些温度计的刻度仅仅是使用在始于0度和止于96度的气象观察而已。这个刻度取决于三个固定点的测定，它们是用如下方法得到的：首先，最低点……是以冰、水和氯化铵或海盐的混合物来确定的，如果把温度计浸在这混合物中，则[温度计内]液体降落到记为零的点。这个试验在冬天比在夏天更成功。第二点是这样得到的，如果混合物是由水和冰混合而成，但没有刚才所说的盐；如果把温度计浸在这种混合物中，则温度将固定在32度……第三点是在第96度，如果温度计是放入健康人的口中或腋下，酒精就膨胀到这一点。”
在他的第五篇论文中，他说：“在解释关于一些液体的沸点的实验中，曾讲过那时发现水的沸点是212度；后来通过种种观察和实验，认识到这一点对于同一种水和在相同的大气重量下是固定的，但在不同的大气重量下它可能很不相同。”由此可见，在1724年的212度的数字是没有预先安排的；沸水纯粹是碰巧使水银柱升高到那一点。如果我们对华伦海特1724年的论文的解释是正确的，那正是同样偶然的原因才促使他把32度记为水的冰点，并把180度固定为水的冰点和沸点之间的度数。我们可以预料，在华伦海特后来的实践中，他的实验结果使他放弃了在他的第一篇论文中叙述到的两个固定点，并选择了水的冰点和沸点的温度作为更加方便的固定点。但是，我们没有直接的和可靠的信息来证明或者是他或者是他的阿姆斯特丹的合作者实际上走了这一步。在他赠送给C•沃尔夫的两个温度计的1714年的《博闻录》中的说明书表明，从结冰的盐水混合物到血液温度之间首先划分为24份，然后把这24份的每一份再更细地分为4份，全部就是96等份。
当华伦海特的温度计被荷兰人和英国人采用时，其他国家却迟迟看不到它的价值。在法国，勒奥默设计了温度计。勒奥默(R6aumur)因他在动物学、植物学和物理学上的研究而闻名，但他不熟悉华伦海特的成就。由于不满意阿蒙顿的空气温度计（但勒奥默仍然认为它是唯一适用的温度计），又由于水银的膨胀系数小，勒奥默强烈地反对使用水银，他致力于制造一种既方便又能达到精确度要求的酒精温度计。他的实验偶然地使他很好地观察到液体体积的收缩，这可能是由于几种液体混合的结果。他发现含有1/5水的酒精，在水的结冰温度和沸腾温度之间，其体积的膨胀是从1000个体积单位到1080个体积单位；因此他把玻璃管的结冰和沸腾点之间的距离分为80份。但是，勒奥默的温度计结果不好。各种各样的难以置信的读数都显示出来了，并且不同的温度计也不一致。日内瓦的德吕斯恢复使用水银，并以如此有力的论据强调了它的优越性，一个物理学家热情地呼喊道：“自然界给我们这个矿物肯定是为了做温度计。”
在摄氏温标被广泛接受之前，华氏温标是最被人接受的温度量度。时至今日，美国人仍然在日常生活中使用华氏温标，在英国等地已逐渐弃用。
物理学的足迹：1848年汤姆孙提出绝对温标
王一粟 本文来源：科学网
图1. 汤姆逊（开尔文勋爵）
在华伦海特和摄尔修斯等人相继提出华氏温标和摄氏温标之后，温度逐渐成为物理学研究中常用的一个参数，但是如何准确地度量温度却成为实验物理学家的一大头疼的问题。这是因为不同温标制定时的参考点和分度值都不一样，而采用不同形式的温度计则各有利弊，导致面对同一个客观温度而言，会有一系列不同的数字来表示它的温度值，这在科学研究上是极其不方便的。更糟糕的是，实验上采用的温度计实际上依赖于测温物质的属性，如水银、酒精和石油等液体温度计是根据液体体积和温度关系，气体温度计是根据气压和温度的关系，而金属温度计是根据电阻和温度的关系，电偶温度计是根据电势差和温度的关系等，没有一种温度计是完全不依赖于测温物质本身属性的。
图2. 摄氏温标、华氏温标、和热力学绝对温标的对比
为了解决这一混论的局面，1848年，英国物理学家威廉?汤姆孙根据热力学第二定律提出了绝对温度和绝对温标的概念。汤姆孙把卡诺循环中的热量作为测定温度的工具，即热量是温度的唯一量度，从而建立了不依赖于任何测温物质的温标——热力学温标（又称绝对温标）。在热力学温标中，定义水的三相（气、液、固）点为273.16 K，对应摄氏温标下一个大气压下水固液线为273.15 K（注意和前者有0.01度的区别），也即0°C，这样绝对零度0 K就是-273.15°C。热力学温标的建立，很好地描述了温度这个物理参数，1892年汤姆孙因为热力学的重要科学贡献而被授予开尔文勋爵称号，热力学温标的单位也取名为“开尔文”，简称“开”，符号为K。1 954年，国际计量大会确定了这一温标为标准温标。K成为国际单位制（SI）中7个基本单位之一。
图3. 玻色-爱因斯坦凝聚
在热力学温标中，0 K就是绝对零度，代表宇宙中最低的温度极限。绝对零度是一个只能无限逼近的极限值，人类在实验室中采用各种制冷技术不断创造了极低温的记录。目前能够达到的最低温度是十亿分之一K左右，可以说已经非常接近零。在逼近低温过程中，会有一系列新奇的量子现象，如超导、超流和玻色-爱因斯坦凝聚等，展现出自然的神奇魅力。我们的宇宙也并不是那么冷，最新的观测实验说明当今宇宙具有3 K温度的微波背景辐射，是150亿年前发生的“大爆炸”残留的余温，这种背景辐射分布是不均匀的，代表宇宙中物质的分布情况。即使在空旷的宇宙空间这么冷的地方，有一种叫做水熊虫的小生物还是能够生存几个小时，堪称生命的奇迹！