《人类科学技术史-238》计温学与量热学

计温学与量热学
1.计温学（测温学）

冷和热这两个词习惯上指两种完全相反的感觉，也经常表示对这两种感觉物理原因的推测，如果一个物体能对我们产生冷和热的作用，就推测它是冷的或是热的，或认为它包含冷或热。在亚里士多德的哲学体系中，冷和热都属于基本的性质，它们和干与湿一起构成四元素。

在近代，对热现象的实验研究是从测量"热度"开始的，在科学地定义温度概念之前，人们往往把温度的变化与物体所含热量的多少混为一谈，用"热度"来表示。如要定量地测定热度，许多科学家致力于测温计的研制。

1593年，伽利略制造了一个空气测温计，它是利用空气受热膨胀的道理来反映温度变化的。可是由于他的设计不好，影响气体膨胀的因素太多，所以这一仪器不能准确地表示温度的变化，后来它就很快地为液体测温计所代替。

1641-1645年间，意大利西门图学院的科学家制造了一种用带色的酒精作材料的液体温度计，并在该仪器上标出刻度。以后，科学家们一方面寻找更理想的材料，另一方面改进标记刻度的方法。经过半个多世纪的努力，终于形成了三种较为适用的温标，这就是世界上仍在通行的华氏、摄氏和勒氏温标。

由于生产技术的发展，要求对热现象进行定量的研究，温度计的制作和改进最初是和进行气象观测的实际需要相联系的，直到十八世纪末，液体温度计才制得校为完善，"温标"的概念也已逐步形成。

1714年，德国人华仑海特(1686-1736年）制造出一种充填水银的温度计。虽然他不是水银温度计的发明者，但是由于他发明了净化水银的办法而使这一液体得以在温度计中普遍采用。1724年，他被选到伦敦皇家学会，同一年，他投寄给《哲学会报》五篇用拉丁文写的短文，第一次揭示了他制作温度计的过程。

华仑海特作了两种温度计：一种装上酒精；另一种装上水银。从他的第一篇论文看来，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血液的温度，并把它们之间的间隔分成96度。从他的第二篇论文看来，他还使用了冰和水混合的温度32度决定了第三个固定点。他叙述说："那些温度计的刻度仅仅是使用在始于零度和止于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、水和氨化铵或海盐的混合物来确定的，如果把温度计浸在这种混合物中，则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，如把温度计浸在这种混合物中，则温度将固定为32度。第三点是96度，如果温度计是放入健康人的口中与腋下，酒精就膨胀到这一点。"以后他又增加了水的沸点212度作为第四个固定点，这是在测量标准大气压下水的沸点时确定的。他发现，同一种液体的沸点将随气压的降低而减小。利用这一关系，他把温度计与气压计联合起来，制造了一种温度气压计。华仑海特的温度标记方法称为华氏温标，用°F来表示。他的温度计和温标在英美国家中最为流行。

1730年，法国人勒奥默(1683-1757年）制造了一种酒精温度计。他反对使用水银这种膨胀系数较小的材料而选用酒精。他采用的温标是以水的冰点为零度，水的沸点为第二固定点，把其间分为80等份。这是因为他通过实验发现，酒精的体积如果在水的冰点时为1000份，当它达到水的沸点时体积变为1080份，所以他定点水的沸点为80度。这样，酒精的体积在每一勒氏度之间就膨胀了原体积的1/1000，勒氏温标较多地为德国人采用。

1742年，瑞典人摄尔修斯(1701-1744年）确立了另一种温标。他把水银温度计插入正在溶解的雪中，定出冰点，然后把这温度计插入沸腾的水中，定为沸点。并把冰点和沸点之间的间隔等分为100格，为了免得测量低温时出现负数，他把水的沸点定为零度，而冰点定为100度。这样一来温度越高，度数越低，使用起来不太方便。八年之后，由摄尔修斯的同事施勒默尔建议，把这标度倒转过来，以冰点为0℃沸点为100℃这样使用起来更为方便，这种改进温标就是后来的百分温标。1948年，第九届国际计量大会根据"名从主人"的惯例，把百分温标重新命名为"摄氏温标"，单位是摄氏度，用℃表示。它曾在法国占据优势，并长期为科学界所采用。

温度计的发明和改进为测量温度的变化提供了便利，对热学的发展有着积极作用，一方面，为了定出温标，需要确定一些"定点"，这导致关于冰和其他物质在一定条件下熔点恒定不变的事实的发现；另一方面，为了找出合适的测温质，促进了对一些热膨胀规律的研究，首先是气体，其次是酒精、水银等物质。

2.量热学

由于温度计的发明和改进，有了科学的热量概念和精密的量热仪表，热学才真正地走上了独立发展的道路。

从17世纪起，意大利的科学家们通过实验发现，在同一温度下具有相同重量的不同液体分别与冰混合时，冰被融化的数量各不相同，这表明不同物质的放热能力不同(即相同重量的不同物质在下降相同的温度时放出的热量不同）。起初，有人认为，物质的这种能力可能与它们的密度有关，密度越大，物质吸收或放热的能力越大。可是华仑海特通过实验发现，水银的吸或放热能力仅仅是同体积水的三分之二，这就打破了上述猜想。

由于化学中对燃烧现象的研究，化学开始向热学渗透，热化学即随之诞生，正是在热化学的研究中，大约在1760年，英国化学家布莱克进一步研究了这一问题，他做了如下的实验：把温度为150℃的金子与同重量的50℃的水相混合，它们达到的平衡温度为55℃。这时金子的温度下降了95℃，而水的温度只升高5℃，可见相同重量的金子每下降或上升一度时它们的放热与吸热能力之比为1∶19。这个实验说明物质的吸热与放热能力与它们的密度并不是成比例地变化的。布莱克通过实验比较了各种物质与同重量但不同温度的水混合达到热平衡后的温度变化，从而推算出这些物质每升高或降低一度时它们吸收或放出热量与同重量的水吸收或放出热的比值。他把这个比值叫做物质的热容量，其实它就是物质的比热。由于测出了各种物质的比热，这样，就从测温学中逐渐发展出了量热术。这就是我们今天在物理学中用△Q＝Cm△t(C为比热，△t为温度差，m为质量，△Q为热量）的公式来求出物体吸收或放出热量的方法。

布莱克在热学方面的另一项重要工作就是他研究了物态变化中的热现象。大约从1756年起，他就考虑了为什么在冰融化为水和水变为汽时，物质吸收了大量的热而温度却不升高。他认为这可能是由于热潜藏起来的缘故。他把这种不表现温度升高的热叫做潜热，并用冰＋潜热＝水，水＋潜热＝汽的公式说明了上述现象。1762年，他测出冰变为水时所吸收的潜能是同重量的水升高一度时吸收热量的78倍；水汽化时吸收的潜热是同重量的水升高一度时吸收热量的450倍。潜热和热容量的发现为人们研究不同材料的吸或放热现象及热传导能力提供了理论指导。瓦特在研制蒸汽机时就曾借助于布莱克的理论改进了汽缸的绝热性能，并增加了一个与汽缸分离的冷凝器以减少汽缸中蒸汽损失的热量，从而提高了热机的效率。

布莱克的工作由拉瓦锡和拉普拉斯等人加以发展，他们把一磅水升高或降低1℃时所需要的热作为热量的单位，称作卡。1780年，麦根仑首先使用了比热这一术语，并把它定义为物质在一给定温度下单位物质质量中所含的全部热量。随后，拉瓦锡等人通过液体与同重量但不同温度的水相混合的办法测定了各种液体的比热，同时还给出了求比热的一般公式。他们发现，物质的比热并不是不变的，在不同温度下略有差别，不过在通常温度下可以认为几乎没有变化罢了。

由于布莱克等人把"温度"和"热量"这样两个不同的热学概念区别开来，并提出了"比热"和"潜热"这些新的热学概念，从而开创了量热学这门新的学科。