摄尔修斯与摄氏温标

曹丽欣

（首都师范大学物理系 北京 100048）

摄尔修斯与摄氏温标

曹丽欣

（首都师范大学物理系 北京 100048）

安德斯·摄尔修斯主要从事天文学研究，但他最著名的成就是确立了摄氏温标，他通过实验确立了水的沸点与大气压的关系．本文介绍摄氏温标的建立历程，在研究过程中，摄尔修斯不断求证实验结果的严谨精神值得学习．

摄尔修斯 摄氏温标 验温器

1 摄尔修斯生平

安德斯·摄尔修斯（Anders Celeius，1701年～1744年，图1）是一位瑞典天文学家，他的科学工作主要是对月食的观察、300余颗恒星亮度的测定及北极光的系统观察，然而他最著名的工作是创立了摄氏温标．

图1 安德斯·摄尔修斯

摄尔修斯，1701年11月27日生于瑞典乌普萨拉，1744年4月25日，因患有肺结核病逝于乌普萨拉．摄尔修斯的父亲是乌普萨拉大学的天文学教授，祖父是一名数学学家，外祖父是一名天文学家．摄尔修斯很小的时候就表现出一定的数学天赋，长大后跟随他的父亲在乌普萨拉大学学习天文学［1］．1728年，由于一位数学教授外出游学，摄尔修斯代替他在大学任教，1730年4月摄尔修斯正式成为一名乌普萨拉大学的天文学教授［2］．

1732～1736年，摄尔修斯到欧洲一些国家旅行，扩展自己的知识，他参观了柏林等地的天文台，并和那里的天文学家建立起良好的学术关系．1733年，他在纽伦堡发表了一篇与其他学者合作的文章，这篇文章的主要内容是1716～1732年间对316宗极光观测的成果．1736年，摄尔修斯跟随莫佩尔蒂（Maupertuis，1689～1759）率领的一支法国远征队到瑞典北部对子午线的弧长进行测量，以便解决关于地球形状的争论．1741年他回到乌普萨拉，在乌普萨拉大学的资金帮助下，于乌普萨拉的中心创办一所天文台［2］．1742年在一篇给瑞典皇家科学院的论文中，他提出了摄氏温标．

2 摄尔修斯研究温标的背景［3］

16世纪末出现了最早的测量冷热程度的装置，现在普遍认为，温度计的发明者是伽利略，他的学生维维安尼说伽利略于1593年在帕多瓦大学任教时制成了一个指示热度的仪器（当时还没有温度的概念）．取一个麦秆粗细的长玻璃管，其一端连接一个鸡蛋大小的玻璃泡，另一端倒插入一个盛有着色水的容器里，让玻璃管中形成一段水柱，当玻璃泡与待测物体接触之后，由于玻璃泡中的空气热胀冷缩，水柱就会降低或是升高．图2是意大利佛罗伦萨科学史博物馆收藏的伽利略验温器的复制件［5］．法国的医生让·雷伊（Jean Rey，1582～1630）为了方便使用，将伽利略的温度计倒转，在玻璃泡中注入水，制成第一只液体验温器．随后人们不断尝试各种测温物质，包括亚麻籽油、水银、酒精．早期温度计的使用范围只是简单的应用于气象学．

图2 伽利略验温器（复制）

初期温标的确定带有随意性，有人把地下室的温度设为固定点，也有人把水的凝固点设为温度的固定点，也有将马德堡地区初冬的冷度和盛夏的热度作为标准点．在寻找恒温点的研究工作中，不少科学家都认识到水在凝固和沸腾时的温度是不变的，1665年，荷兰物理学家惠更斯已经推荐以这两个温度作为标准点，但由于当时通用的是酒精温度计，选用水的沸点作为标准是不切实际的，所以这一建议直到下一个世纪才被采用．到18世纪30年代，先后出现了约30多种温度标度，多种温标同时使用，难于互相参照，造成混乱．

3 摄尔修斯对两个固定温度的研究

18世纪30年代，华伦海特和列奥米尔都确定以水的凝固点为温度计的固定点，但是日内瓦的克雷斯特却选择巴黎天文台84英尺深的地下室所测的大地的温度作为一个固定点．在他之前，波义耳等人已经知道很深的地下室是恒温的，克雷斯特把这个温度与水的沸点之间分为100等份，这可能是百分刻度法的起始［3］．

乌普萨拉大学天文台从1722年开始记录气温的变化，瑞典皇家科学研究院（成立于1739年）每年发布气温变化报告，包括每个月的最高气温和最低气温．1740年，摄尔修斯发表评论认为，使用豪克斯比（Francis Hauksbee，1660～1713）的温度计，“0°”这个温度点对应的是伦敦的最高气温45°，水的沸点为65°．1741年，摄尔修斯比较了使用不同的温度计记录的1740年1月25日早上的温度，不同温度计读出的温度各不相同，非常混乱，因此建立一个固定的温度标准是很有必要的［4］．

1742年，摄尔修斯用瑞典语发表题为《温度计两确定度数的观测》（Observations of two well defined Degrees on a Ther mometer）一文中，报告了他对水的凝固点与纬度和大气压无关的实验研究结果，同时确定了水的沸点与大气压的关系（跟现代数据非常吻合），并给出一条气压与标准气压不同时，沸点变化的定律，他在温度计上的两个固定点之间采用100个刻度划分．

对水的凝固点的温度进行测量时，摄尔修斯发现一定要将温度计放入冰水混合物中至少半个小时才能测得稳定的温度．他在两年冬季数月中，在不同情况下测量冰水混合物的温度，研究大气压的变化对水的凝固点变化的影响，最终他发现大气压的变化对水的凝固点没有任何影响．在对水凝固点的研究过程中，他还做了另外两个实验，一是将雪放入他自己的口腔中，直到雪慢慢融化，并将温度计的液泡湿润，另一个是将温度计液泡放入盛有积雪的桶中，并将桶在火上加热，这两个实验最终得出来的温度是一样的，由此摄尔修斯得出结论，当把温度计的液泡放入冰水混合物中，它们的温度是一样的．18世纪，人们对于冰雪融化的温度变化是否依赖于纬度的变化还不是很明确，1736～1737年，摄尔修斯参加了由莫佩尔蒂率领的一支法国远征队，到瑞典北部测量经度一度的长度，在此期间，他注意到在巴黎、托尔尼奥（Tornio，现属于芬兰）、乌普萨拉等地不同纬度的水的凝固点是不变的［4］．由此摄尔修斯得出结论，水的凝固点不随大气压和纬度的变化而变化，因此非常适合做温度计的一个确定点．

在研究水的沸点的实验中，摄尔修斯专门选取了雪水、河水、井水，加热使其沸腾，发现温度是不变的，因此他得出结论任何水质的沸点都可作为温度计上的固定点．摄尔修斯相信华伦海特在阿姆斯特丹所指出的水的沸点温度与气压有一定关系．在实验用的长玻璃管上，水的凝固点和沸点高度差有792 G（Gran，长度单位，1 G＝0．3 mm），他将它分为100个刻度，作出一种温度计．使用这个温度计，摄尔修斯做了31组实验（图中只有23个点），记录实验过程中水沸腾后，当气压计汞柱高度发生变化时温度计汞柱发生的变化．通过画图的方法，摄尔修斯得出在水沸腾时，水银气压计汞柱下降1 inch（英寸，1 inch＝29．69 mm），则温度计里的汞柱就下降7．92 G（大约是8 G）（如图3）［4］．摄尔修斯最终定义在适合的压强下（一个大气压下）水的沸点（100°）可以作为温度计上的一个确定点．

图3 安德斯·摄尔修斯对水的沸点随大气压强变化的记录图像

在1742年发表的论文中，摄尔修斯选择水的凝固点和沸点作为温度计的两个固定点，沸点为0°，凝固点为100°，把中间刻度划分为100°，创立了摄氏温标．摄尔修斯对摄氏温标两个固定温度的研究，始终都是以实验为依据，不断重复实验，确定单一变量，最终得出水的凝固点和沸点在气压不变的情况下是不变的，他还研究不同水质对水的凝固点和沸点的影响．这些都表现出摄尔修斯在研究工作中的认真严谨．

4 摄氏温标的确立和使用

起初，学者对摄尔修斯在摄氏温标以及温标上两个定点的研究工作缺少重视．1758年，卡尔·林奈（Carlvon Linné，1707～1778）在一封信中说明，他在斯德哥尔摩制作的使用摄氏温标的温度计是可以在温室中使用的，由于林奈的学术声望，摄氏温标得到学界更多关注，但也使一些学者误认为林奈是摄氏温标的建立者．

1750年，摄尔修斯的同事斯托玛把摄尔修斯提出的两个定点的标值颠倒，即定义水沸腾为100°，结冰点为0°，但仍称摄氏温标［4］．

摄氏温标的建立使计温学日趋完善，促进了实验热学研究的进展，此后虽然又陆续发现一些新的测温手段，但经验温标已经定型．

1927年，国际计量大会选择了以电阻温度计和温差电偶温度计为基础的新的国际实用温标，规定金的熔点（1 063℃）以上用绝对温标，在金的熔点以下用摄氏温标．1967年，在法国巴黎召开的第十三届国际计量大会正式确认，在日常温度读数使用摄氏温标，而理论论证使用开氏温标，并确定摄氏温标与开氏温标的换算方法，即t＝T-273．15［3］．1990年新的国际温标确立水的沸点在一个大气压下更加准确的数值是100℃～99．75℃，但这一点变动不会影响到平均值，摄氏温标仍为一个大气压下水的沸点为100℃，凝固点为0℃［4］．

5 结语

摄尔修斯的一生虽然非常短暂，但是他在科学研究工作中，利用实验不断验证实验结论的严谨精神是值得学习的．他通过各种实验，对水的凝固点与沸点进行观测，研究不同水质以及气压对水沸点的影响，不同纬度对水的凝固点的影响，不断进行验证，最终确定水的凝固点和水的沸点为温度计的两个固定点，创立摄氏温标，并得到广泛的应用．

1 C．C．Gillispie．Dictionary of Scientific Biography．New York：Charles Scribner′s Sons，1970～1980，Vol．III：173～174

2 H．C．Stempels．Anders Celsius′contributions to meridian arc measurements and the establishment of an astronomical observatory in Uppsala．Baltic Astronomy，2011，vol．20，pp．179～185

3 申先甲．探索热的本质．北京：北京出版社，1985．16～40

4 Beck man O．Anders Celsius and the fixed points of the Celsius scale．European Journal of Physics，1997，vol．18，no．3，pp．169～175

5 意大利佛罗伦萨科学史博物馆官网：http：//catalogue．museogalileo．it/object/Thermoscope．html0

2014- 06- 16）