(1)华氏温标:由德国物理学家华伦海特在1714年创立 。他把冰水混合物(也就是水的冰点)的温度定为32度,大气压下水的沸点定为212度,这之间的温度等分,记为℉ 。
(2)摄氏温标:由瑞典物理学家摄尔修斯在1742年创立 。他一开始把水的冰点定为100度,沸点定为0度,这之间的温度等分 。后来在同事的建议下倒了过来,就成为今天最常用的一种温标了,记为℃ 。这里需要说明的是,所谓在0度和100度之间等分,是指使用水银温度计,把水银柱的高度等分100分,规定每份为1度 。
到此为止人们似乎是找到了很好的自定义的规则去衡量一个物体的冷热程度,但离热的本质还差得很远,甚至就连温度到底是什么也并不清楚 。
譬如,我们的温标总是要依赖一种物质属性作为标准,比如华氏温标和摄氏温标,就要以水的冰点和沸点为固定点,用水银柱的高度进行等分;有的温标当然也可以以酒精的热胀冷缩作为标准,或者使用电阻在不同温度下的电阻值不同——那么问题来了,如果我们把酒精在摄氏温标下0℃时的体积记为V0,在摄氏温标下60℃时的体积记为V60,然后这之间的温度等分,那么我们就应该规定,当酒精的体积是1/2(V0+V60)时,在酒精温标上应该对应着30度,但此时摄氏温标却要高于30℃!这其实也很好理解,因为酒精的膨胀系数在摄氏温标下看来并不是线性的,随着“摄氏温标下的温度”的升高酒精会膨胀地越来越快!
我们只是习惯采用水银的膨胀这一物理性质作为温度衡量的标准,但严格来说我们未对“温度”这一术语下科学的定义 。是否能找到一种不依赖于物理属性(比如膨胀、电阻等等)的理想温标作为各种温标的基准呢?
为了照顾科学史上的认知顺序,我们得暂时放下这个关于“温度”本质的问题,花开两朵各表一枝,来同步看一下人们对于“热量”的认识 。
诚如爱因斯坦所说,“温度”和“热量”的区别是人们长期未搞清楚的问题,在摄尔修斯(摄氏温标创立人)的年代,化学家最关心“火”(即热)对化学反应快慢的影响 。荷兰化学家布尔哈夫在1732年出版的《化学原理》中对温度已经选用了水的冰点和沸点作为两个固定点,他用冷水和热水混合的办法以获得设定的温度;但在他的概念里,温度计测量的不是热的程度,而是热的数量——等量的水混合后“热量”是它们的算术平均值 。
但不同的物质混合后会怎样?何谓“等量”的不同物质?理解为“等重量”所做的实验是失败的,因此布尔哈夫确信是“等体积”,即认为同体积的任何物质,在相同的温度变化下都吸收或放出同样数量的热 。他令等体积的100°F水和150°F水银混合(注意当时1732年还只有华氏温标没有摄氏温标),所得的温度是120°F而不是预期的125°F.这是布尔哈夫所不能解释的,故人称“布尔哈夫疑难” 。
约瑟夫·布莱克(1728-1799),提出了“潜热”、“比热”概念
在接下来的50年时间里,人们搞清了这个疑难的症结在于把热的强度(温度)和热的数量(热量)混为一谈 。英国物理学家布莱克做了大量的实验后断言,同质量的不同物质在发生相同温度变化时,所吸收或放出的热的数量是不一样的 。他还把32℉的冰和等质量172℉水混合,得到的最终温度也不是102℉而仍然是32℉,其效果是全部的冰融化为水 。布莱克提出了“潜热”的概念,即物体状态变化时,一部分“活动的热”变成“潜藏的热”而不表现为温度升高 。潜热的发现巩固了原已存在的“热量守恒”的概念,到了1780年前后,量热学的基本概念——温度、热量、热容量、比热、潜热等都已确立 。(从这里我们也可以看到,虽然对热的本质和温度的本质还不清楚,但是温标的建立对于实验和理论的发展是多么有用 。)
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