一、玻璃液體溫度計的發(fā)明
第一臺測量溫度的科學(xué)儀器是伽利略于1593年發(fā)明的，該測溫儀器是一個頸部極細的玻璃長頸瓶，瓶中裝有一半帶顏色的水，把它倒過來放在碗里，碗里也盛有同樣顏 色的水。隨著溫度的變化，瓶中所包含的空氣便收縮或膨脹，頸中的水柱就會上升或下降。這臺測溫儀器可以說是現(xiàn)代玻璃溫度計的雛形，如圖1所示。
圖1 伽利略測溫器簡圖
1631年，法國化學(xué)家詹·雷伊(J.Rey)對伽利略發(fā)明的測溫器進行改進，他將測溫器的長頸瓶倒過來，用長頸瓶中水的膨脹來表示冷熱程度。但長頸瓶未封口，由于水的蒸發(fā)會產(chǎn)生較大的誤差。在雷伊之后約25年，意大利佛羅倫薩的院士們在玻璃管里裝上酒精，用蠟封住了玻璃管口，并把刻度附在玻璃管上，這樣的結(jié)構(gòu)已接近后來的溫度計。1659年，巴黎天文學(xué)家博里奧(I.Boullian)制造了第一支用水銀作測溫質(zhì)的溫度計。
以后，溫度計的制作和改進主要從兩方面進行:第一，為了定出溫標(biāo)，需要確定“定點”，因此人們開始對冰和其他物質(zhì)的熔解和凝固溫度進行研究，通過研究發(fā)現(xiàn)在一定條件下，這些溫度是比較固定的。第二，需找出合適的測溫質(zhì)，從而促進了對物體熱膨脹的研究。
德國格里凱選擇馬德堡初冬和盛夏的溫度為定點溫度，佛羅倫薩院士們選擇嚴寒時下雨或結(jié)冰的氣溫與?；蚵沟捏w溫為定點溫度，他們還發(fā)現(xiàn)冰的熔點是不變的。1688年，道倫斯(Dolence)提出將冰凍時的溫度和黃油熔解的溫度作為定點溫度。
1702年，阿蒙頓(G.Amontons)改進了伽利略測溫器。他將一個球連接到一個U形管上，管中裝有水銀，并保持球內(nèi)空氣的容積不變，用U形管兩臂水銀面的高度差來測量球內(nèi)空氣的溫度，他用水的沸點和冰的熔點作為定點溫度，如圖2所示。
圖2 阿蒙頓測溫器簡圖
第一支實用溫度計是遷居荷蘭的吹制玻璃的工匠華倫海特(G.D.Fahrenheit，1686～1736年)制成的。華倫海特于1709年開始制作酒精溫度計，在1714年得知阿蒙頓在水銀熱膨脹方面的研究后，轉(zhuǎn)向制作水銀溫度計，并發(fā)明了凈化水銀的方法，使水銀能在溫度計中普遍使用。華倫海特把冰、水、氨水和鹽的混合平衡溫度定為0°F，冰的熔點定為32°F，而人體的溫度定為96°F。1724年后他又把水的沸點定為212°F。他發(fā)現(xiàn)每種液體都有一個固定的沸點，且隨大氣壓變化而變化。這一發(fā)現(xiàn)對溫度測量是個很大的貢獻。華倫海特把0°F和212°F作為基本點的刻度法至今還在美洲等地使用，被稱為“華氏溫標(biāo)”。
法國勒奧默(R.A.E.Reaumur)長期致力于酒精溫度計的研究。他發(fā)現(xiàn)酒精(純酒精和1/5的水混合)的體積若在水的冰點時為1000單位，則到達水的沸點時將變?yōu)?080單位。他于1730年制作的酒精溫度計取水的冰點為零度(0°R)、水的沸點為80°R，在這兩個定點中間分成80等分。勒氏溫標(biāo)曾在德國采用。
1742年瑞典天文學(xué)家攝爾修斯(A.Celsius，1701～1744年)用水銀作測溫質(zhì)，采用百分刻度法，以水的沸點為0“度”，冰的熔點為100“度”。后來，他的同學(xué)斯托瑪考慮到平常的習(xí)慣，把它顛倒過來了，即將冰的熔點改為0“度”，水的沸點改為100“度”，就這樣確立了攝氏溫標(biāo)。這種攝氏溫標(biāo)屬于經(jīng)驗溫標(biāo)。目前定義的攝氏溫標(biāo)是以熱力學(xué)第二定律來定義的，屬于國際溫標(biāo)，與攝爾修斯的定義完全不同，只是在某些范圍內(nèi)有相似的取值。
二、玻璃液體溫度計的原理
玻璃液體溫度計主要由貯存感溫液體(或稱“測溫質(zhì)”)的感溫泡(也稱“貯囊”)、毛細管及標(biāo)尺等組成，某些玻璃液體溫度計還有中間泡和安全泡。感溫泡是一內(nèi)徑較大的，呈圓柱形或球形的玻璃管，它是由玻璃毛細管經(jīng)熱加工制成的(稱“拉泡”)或由一段薄壁玻璃管與毛細管熔接制成(稱“接泡”)。安全泡是在距測溫上限刻線以上一定距離的毛細管頂端燒制一個形狀呈倒置梨形的擴大部分，其作用是為防止溫度計的偶然過熱而炸裂和提高測溫上限，以儲存超過上限溫度時感溫液體積的膨脹量。為提高溫度計的靈敏度和縮短溫度計尺寸，以便于使用，對于測溫下限高于室溫的溫度計，在感溫泡與下限刻線間的毛細管適當(dāng)部位，將其燒制成中間大兩頭尖的擴大部分，稱為中間泡，以容納由室溫升至下限溫度時膨脹的感溫液體積。通過燒制不同大小的中間泡，可使溫度計的測溫下限從任意溫度起始，又可預(yù)防測溫下限較高的溫度計在室溫下感溫液冷縮至感溫泡內(nèi)形成氣泡。有的玻璃液體溫度計用內(nèi)徑較大的毛細管代替中間泡。
感溫液封裝充滿感溫泡和毛細管的一部分。在感溫液柱上端面以上的毛細管空間，根據(jù)玻璃液體溫度計測量上限的高低，充以不同壓力的干燥惰性氣體或抽至真空。溫度數(shù)字及刻度線蝕刻(或印制)在毛細管玻璃表面上或刻印在緊靠毛細管玻璃后面呈乳白色的玻璃瓷板上。
玻璃液體溫度計的工作原理是基于液體在透明玻璃外殼中的熱脹冷縮作用而制造。
當(dāng)溫度變化時，感溫液、感溫泡和毛細管的體積隨之改變，致使液柱沿毛細管升高或降低。當(dāng)玻璃液體溫度計與測溫介質(zhì)達到熱平衡時，通過讀取感溫液柱上端面的中心位置便可得到被測介質(zhì)的溫度。
物質(zhì)的體膨脹系數(shù)可定量地描述其膨脹特性。物質(zhì)的體膨脹系數(shù)定義為:溫度升高1℃所引起的物質(zhì)體積的增大與其在0℃時的體積之比。體膨脹系數(shù)也簡稱體脹系數(shù)。在較大的溫度范圍內(nèi)，體脹系數(shù)都不是線性的。通常在使用范圍內(nèi)取其平均值，稱為平均體脹系數(shù)。
玻璃液體溫度計受熱時，感溫液體積膨脹，促使液柱上端面沿毛細管上升；而感溫泡和毛細管受熱膨脹，導(dǎo)致感溫液柱上端面沿毛細管下降。實際上是兩種作用的疊加，由于感溫液的體脹系數(shù)要比玻璃的體脹系數(shù)大許多倍，所以能從毛細管中觀察到液柱上端面隨溫度升高而上升，隨溫度降低而下降。因此，玻璃液體溫度計感溫液柱隨溫度變化的位置改變量，實質(zhì)上是感溫液體積與玻璃容積的改變之差。
在玻璃液體溫度計的設(shè)計過程中，要考慮提高溫度計的靈敏度以及準(zhǔn)確度。玻璃液體溫度計的靈敏度與感溫泡的體積成正比，與毛細管的粗細成反比。但是，增大感溫泡和減小毛細管直徑都有一定的限度，感溫泡過大不只會增加熱惰性，還容易產(chǎn)生變形，影響讀數(shù)準(zhǔn)確度；而毛細管過細則因毛細管力的作用，將使液柱上升不均勻。(未完待續(xù))