我們的生活取決于溫度：每天早上穿衣時需要檢查溫度，加熱食物時需要設定溫度溫度的測量，洗熱水澡前需要調節溫度。 這兩年，新型冠狀病毒Covid-19流行，到處都要測量體溫。 剛剛結束的全球氣候大會也與氣溫有關。
人類的早期歷史也是以溫度來劃分的。
在原始石器時代，人類學會了用火進行自衛、狩獵、御寒、烹飪，還掌握了制陶藝術。 接下來是青銅時代。 青銅是銅與錫或鉛的合金，熔點約為700~800°C。 接下來是鐵器時代。 鐵在自然界中通常以紅色氧化鐵的形式存在。 要制造鐵，必須先除去氧氣，這只需要700℃左右。 然后是去除其他雜質，需要1500℃以上的溫度。 燒制瓷器需要1000℃以上的高溫。 我們的祖先在陶瓷燒制技術上領先世界一千多年，其中關鍵之一就是溫度控制。 但古人不知道如何測量溫度，也沒有溫度標準。
溫度是如何測量的？ 溫度標準是如何制定的？
要測量溫度，您需要溫度計。 第一個制造溫度計的人是偉大的伽利略·伽利雷（1564-1642）。 我們廣東科學中心“院士說”| 伽利略的望遠鏡發現了有關月球的哪些秘密？ 他曾在一篇文章中被介紹過。 1594年，伽利略讀到了古希臘學者希羅的（又名海倫，10-70）的著作，其中談到了氣體受熱時的膨脹。 基于此，他設計了一種溫度計（圖1）。 這種溫度計是一個裝滿水的密封玻璃容器，里面放置了幾個充氣的小球。 隨著溫度升高，球內的氣體膨脹并克服重力浮到表面。 今天我們仍然可以在禮品店看到這種溫度計。
圖 1. 伽利略的溫度計
伽利略的朋友桑托里奧·桑托里奧（ ，1561-1636）設計了一種更實用的溫度計（圖2）。 這種溫度計使用酒精作為液體，上面有刻度。 人們可以通過向體溫吹氣來測量體溫。 他對自己進行了實驗，每天仔細測量自己的體溫、心跳和呼吸頻率。 他還在進食、飲水、睡眠和運動后稱重自己（圖2），記錄攝入量和排泄量，并將兩者之間的差異歸因于“無法察覺的汗水”。 他的記錄是世界上最早的人體醫學指標記錄。
圖2，和他的溫度計和稱重實驗
值得一提的是，伽利略去世后，他的學生和朋友成立了實驗科學院（del）。 學院秉承伽利略的思想，不斷探索，為溫度和壓力的測量做出了重大貢獻。 可惜十年后科學院被梵蒂岡取締，意大利的科學研究從此枯萎。
羅伯特·博伊爾（1627-1691）將伽利略的思想帶回英國（見廣東科學中心《院士說》文章|解密醫學影像技術（一））。 他的學生胡克（1635-1703）（見文章《照實說》|與牛頓發生爭執的人）制作了幾支溫度計。 1701年，偉大的牛頓（艾薩克，1643-1727）也制成了溫度計。 他用亞麻籽油作為溫度計的液體，并在模仿時鐘后引入了從0到12的刻度。
同一時期，丹麥天文學家奧勒·羅默（Ole Romer，1644-1710，圖3）也制作了自己的溫度計。 羅默注意到溫度對天文望遠鏡精度的影響溫度的測量，測量結果需要根據溫度進行調整。 羅默最著名的工作是根據木星月食估算光速，并因此當選為法國科學院外籍院士。 晚年，羅默建立了丹麥航海學校，并擔任哥本哈根警察局長，為丹麥的繁榮做出了巨大貢獻。
圖3、丹麥天文學家Ole Romer
1708年，荷蘭人加布里埃爾·瓦倫海特（ ，1686-1736）拜訪了羅默。 兩人交流了制作溫度計的經驗。 1714 年， Hite 創建了華氏溫標。 華氏溫標將鹽水結冰的溫度定為0度（這被認為是當時最冷的溫度），而正常人體溫度定為96度。 后來為了使用方便，將純水的沸點定為212度。 瓦倫海特將華氏溫標視為他一生中最偉大的成就，并將其刻在自己的墓碑上（圖4）。 今天美國和中美洲的幾個小國家仍然使用華氏溫標。
圖4、沃倫黑德的墓碑
華氏溫標上的兩個關鍵點：鹽水的冰點溫度和人體的正常體溫，都很難測量。 1742年，瑞典科學家安德斯·攝氏（攝氏度，1701-1744）創建了攝氏溫標。 攝氏溫標將 1 個大氣壓（海平面氣壓）下的水的冰點溫度設為 0 度，沸騰溫度設為 100 度。 分為100等份，每等份為1度。 1889 年，國際度量衡委員會將這一溫標確立為國際標準。
攝氏溫標與華氏溫標之間的換算公式為：
在科學實驗中，科學家們也使用絕對溫標。 絕對溫標也稱為開爾文溫標（或開爾文溫標）。 它以開爾文勛爵（有時譯為開爾文）的名字命名。 凱文勛爵的名字是威廉·湯姆森 (1824-1907)（圖 5）。 1892年，他被授予“拉格斯男爵”稱號。 所以人們稱他為凱文勛爵。
圖5，凱文勛爵
凱文勛爵的父親是格拉斯哥大學的教授。 他很小的時候就學習了法語和拉丁語。 他10歲開始在格拉斯哥大學聽課，14歲獲得學校金獎。16歲進入劍橋大學，很快發表了第一篇文章。 畢業后，他前往法國進修一年，期間研究了傅里葉（1768-1830）的熱傳導和卡諾的卡諾循環（薩迪，1796-1832）。 1846年，凱文回到格拉斯哥大學任教，當時他年僅24歲。 他在格拉斯哥大學工作了51年，直到75歲退休。為了不讓自己閑著，他再次注冊為學生。 所以他曾經是格拉斯哥大學最年輕和最年長的學生。
1848年，凱文提出了絕對溫標。 他注意到，隨著壓力 (P) 降低，氣體溫度（T，以攝氏度為單位）也會降低。 順著這個趨勢，無論是哪種氣體，當溫度為-273.15度時，壓力都會為零（圖6），即氣體變成固體。 在此基礎上，他提出了凱氏溫標。 該溫標的增量與攝氏溫標的增量相同。 但它的 0 度在攝氏度上是 -273.15 度。 因此，凱氏溫標和攝氏溫標之間有一個簡單的換算公式：
圖6、絕對溫標圖
凱文勛爵是一位兼具文學和軍事才能的人。 在學術上，他是熱力學、電磁學、地球物理學等學科的奠基人。 在工程方面，他發明了多種儀器，為跨大西洋電纜工程和導航做出了巨大貢獻。 此外，他是第一個使用“能量”這個詞的人。 他有一句名言：“哪里有困難，哪里就有發現。（當你面對面面對a時，你就起來了a）”
歷史上，還有所謂的中尉溫標（°Ré）和朗格溫標（°R）。 中尉溫標以法國博物學家雷內（1683-1757）的名字命名； 朗格溫標以蘇格蘭科學家 WJM（1820-1872）的名字命名。 兩種溫標均已不再使用。
2019年國際度量衡委員會使用的玻爾茲曼常數（ ）：
絕對溫標增量的一度已被重新定義。 這個定義與物質的熱性質無關，只與熱能有關。 熱能的計量單位是焦耳 (J)。 1 焦耳等于 1 牛頓 (N) 乘以 1 米 (m)（即 J = N×m）。
我們在《Speak Like It Is》一文中介紹了能量單位“焦耳”和英國科學家詹姆斯·焦耳（1818-1889）| 焦耳。 焦耳是凱文勛爵的好朋友。
撰文：杜如旭（加拿大工程院院士）
排版與編輯| 莫什
