體溫計(jì)的發(fā)明
體溫計(jì)是在意大利科學(xué)家伽利略( Galileo Galilei, 1564~1642 )1592 年發(fā)明的溫度計(jì)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的。伽利略發(fā)明的第一支溫度計(jì)是一根有刻度的直形細(xì)長玻璃管,封閉的一端呈球形,未封閉的一端插在水里;當(dāng)周圍的氣溫發(fā)生變化時,管內(nèi)水柱的高低也隨之發(fā)生變化,由此得知?dú)鉁氐母叩?。但是,由于水是露在大氣里的,水柱的升降除受氣溫的影響外,還受到大氣壓的影響,因而僅憑水柱高低測量氣溫的變化往往不準(zhǔn)確。為了解決這一問題, 1654 年,伽利略的學(xué)生 斐迪南 ( Ferdinand ) 改用酒精代替水,制成了一種不受大氣壓影響的溫度計(jì)。但是,由于 酒精的沸點(diǎn)較低,只有 78 ℃ ,這樣就限制了對高溫的測量。 1659 年,法國天文學(xué)家布里奧 ( I. Boulliau ) 利用水銀沸點(diǎn)較高的特性,制成了水銀溫度計(jì),可測得 357 ℃ 的高溫,也可測得 - 39 ℃ 的低溫。 在 1867 年,英國倫敦的一位名叫奧爾巴特 ( Thomas Clifford Allbutt, 1836~1925 ) 的醫(yī)生根據(jù)測量人體體溫的特點(diǎn)和需要,研制出一種專門用于測量人或動物體溫的 水銀 溫度計(jì),這種體溫計(jì)就一直被沿用至今。 1984 年,芬蘭的一位醫(yī)療器械設(shè)計(jì)師又發(fā)明了更方便、準(zhǔn)確的電子體溫計(jì)。隨后不久,美國的一家醫(yī)療器械公司又發(fā)明研制出一種專用于嬰兒的奶嘴式體溫計(jì)。隨著高新科技的發(fā)展,今后還將會研制出更先進(jìn)、更科學(xué)、更準(zhǔn)確的新型體溫計(jì)。
伽利略 . 伽利萊 ( Galileo Galilei )
— 溫度計(jì)的發(fā)明者
伽利略 ( Galileo Galilei , 1564~1642 ) 出生在意大利的比薩城。他對 物理學(xué)、天文學(xué)和哲學(xué)做出了巨大的貢獻(xiàn) 。他 是近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的先驅(qū)者。最初的溫度計(jì)就是由 他 發(fā)明的。
一天,他看到一個小孩正在玩一種玩具 。 這種玩具是在 U 形的玻璃管里裝一半水,將彎管的一端用鉛球密封,另一端用玻璃球密封,使管中的空氣跑不出來。當(dāng)在鉛球下加熱時, U 形管中的水就會向回退縮,移開鉛球下的火源;當(dāng)鉛球冷卻時,水就會升到原來的位置??粗⒆觽冮_心地玩著,在一旁的伽利略受到啟示,腦海里產(chǎn)生了一個新的想法,即利用這種熱脹冷縮的現(xiàn)象來制作溫度計(jì)。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn), 1592 年伽利略終于發(fā)明了第一支空氣溫度計(jì)。這種氣體溫度計(jì)是用一根 45 厘米 長的細(xì)玻璃管制成的。它的一端制成空心圓球形;另一端開口,事先在管內(nèi)裝進(jìn)一些帶顏色的水,并將這一端倒插入盛有水的容器中。在玻璃管上等距離地標(biāo)上刻度。這樣,當(dāng)外界溫度升高時,玻璃球內(nèi)氣體膨脹,使玻璃管中水位降低;反之,溫度較低時,玻璃球內(nèi)氣體收縮,玻璃管中的水位就上升。此后,人們根據(jù)伽利略的這個發(fā)明,經(jīng)過不斷的改進(jìn),克服氣壓、液體沸點(diǎn)等影響,先后研制出酒精溫度計(jì)、水銀溫度計(jì)等。
詹姆斯 . 焦耳 ( James Prescott Joule )
— 對發(fā)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化和守恒定律的貢獻(xiàn)
詹姆斯 . 焦耳( James Prescott Joule, 1818~1889 )出生在英國的曼徹斯特,他 是第一個用較精確的試驗(yàn)測定熱功當(dāng)量的科學(xué)家,對后來能量守恒定律和熱力學(xué)第一、二定律的發(fā)現(xiàn)過程起了重大作用,并成為這些定律發(fā)現(xiàn)的主要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),因而得到科學(xué)界的高度評價。然而,焦耳 的 科學(xué)研究道路并不是一帆風(fēng)順的。
焦耳的父親是一個釀酒廠廠主,他自幼跟隨父親參加釀酒勞動, 因而 沒有受過正規(guī)的教育。青年時期,焦耳有幸認(rèn)識了著名的化學(xué)家道爾頓 ( John Dalton, 1766~1844 ) ,道爾頓給予了焦耳熱情的教導(dǎo), 使焦耳對自然科學(xué),特別是 對 實(shí)驗(yàn)科學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣, 在他的鼓勵下 , 焦耳 才 開始 走上 從事科學(xué)研究工作 的道路 。
焦耳的主要貢獻(xiàn)是他研究了熱和機(jī)械功之間的當(dāng)量關(guān)系。 焦耳最初的研究方向是電磁機(jī),他想將父親的釀酒廠中應(yīng)用的蒸汽機(jī)替換成電磁機(jī)以提高工作效率。 1837 年,焦耳制成了用電池驅(qū)動的電磁機(jī),但由于支持電磁機(jī)工作的電流來自鋅電池,而鋅的價格昂貴,用電磁機(jī)反而比用蒸汽機(jī)成本高。焦耳雖然沒有達(dá)到最初的目的,但他從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了電流可以做功的現(xiàn)象。
為進(jìn)一步探索 電流熱效應(yīng) 的 規(guī)律 , 焦耳把環(huán)形線圈放入裝水的試管內(nèi),測量不同電流強(qiáng)度和電阻時的水溫。通過這一實(shí)驗(yàn),他發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體在一定時間內(nèi)放出的熱量與導(dǎo)體的電阻及電流強(qiáng)度的平方之積成正比。此后不久,俄國物理學(xué)家楞次公布了他的大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)一步驗(yàn)證了焦耳關(guān)于電流熱效應(yīng)結(jié)論的正確性。因此,該定律被稱為焦耳 - 楞次定律。
在完成電流熱效應(yīng)的研究之后,焦耳又進(jìn)行了功與熱量的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。焦耳認(rèn)為,自然界的能量是不能消滅的,消耗了機(jī)械能,總能得到相應(yīng)的熱能。因此,做功和傳遞熱量之間一定存在著確定的數(shù)量關(guān)系,即熱功當(dāng)量。 1843 年,焦耳又設(shè)計(jì)了一個新實(shí)驗(yàn) 想找到這一關(guān)系 。他將一個小線圈繞在鐵芯上,用電流計(jì)測量感生電流,把線圈放在裝水的容器中,測量水溫以計(jì)算熱量。這樣在沒有外界電源供電的情況下,水溫的升高只是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能、電能又轉(zhuǎn)化為熱的結(jié)果。這個實(shí)驗(yàn)使焦耳想到了機(jī)械功與熱的聯(lián)系,經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)、測量,焦耳測出了熱功當(dāng)量 ,即 1 千卡的熱量相當(dāng)于 460 千克 米的功。然而,此結(jié)果并不精確,焦耳又進(jìn)行了更精確的實(shí)驗(yàn)。 1847 年,焦耳設(shè)計(jì)了更巧妙的實(shí)驗(yàn),他在量熱器里裝了水,中間安上帶有葉片的轉(zhuǎn)軸,然后讓下降重物帶動葉片旋轉(zhuǎn),由于葉片和水的磨擦,水和量熱器都變熱了。根據(jù)重物下落的高度,可以算出轉(zhuǎn)化的機(jī)械功;根據(jù)量熱器內(nèi)水升高的溫度,就可以計(jì)算水的內(nèi)能的升高值。把兩數(shù)進(jìn)行比較就可以求出熱功當(dāng)量的準(zhǔn)確值來。隨后,焦耳還用鯨魚油或水銀代替水來做實(shí)驗(yàn),他用各種方法進(jìn)行了四百多次實(shí)驗(yàn),經(jīng)過更精確地測量,得到的熱功當(dāng)量值為 1 卡= 4.15 焦耳,非常接近目前采用的值 1 卡= 4.184 焦耳。在當(dāng)時的條件下,能做出這樣精確的實(shí)驗(yàn)來,是非常不容易的。 焦耳準(zhǔn)確地測定了熱功當(dāng)量,進(jìn)一步證明了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律是客觀真理。這一定律的確定,宣告了制造“永動機(jī)”的幻想徹底破滅。
1850 年,焦耳被選為英國皇家學(xué)會會員,人們?yōu)榱思o(jì)念他對科學(xué)發(fā)展的功績,將功的單位命名為“焦耳”,這個單位在國際單位制中沿用至今。
(曹宇 供稿)