廣東科學中心「院士說」| 溫度與溼度

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寒假準備帶娃去哪裡玩？

天氣這麼冷

起床第一件事是不是看天氣預報

你知道溫度的這個“度”是從哪裡來的嗎？

那麼今天就和大家來聊聊

溫度與溼度

伽利略溫度計

最早測量溫度的是偉大的伽利略（Galileo Galilei，1564-1642，參見“伽利略的望遠鏡”一文）。他有一句名言“能測的要測出來，不能測要讓它能測（Measure what can be measured, and make measureable what cannot be measured.）”。

1593年，他做了一個溫度計，這個溫度計實際上是一個盛了水的密封玻璃管子，裡面有好幾個大小及重量不一的空心玻璃球，玻璃中灌上不同顏色的液體，底部還掛上溫度的標記。當溫度變化時，水的浮力會產生變化（這是為什麼？），有些玻璃球會浮起，有些玻璃球會下沉。最下面那個玻璃球的溫度標記則是當時的溫度。這個溫度計就叫做伽利略溫度計（Galileo Thermometer）。它不大準確，現在通常只用作裝飾。

華氏溫標

丹尼爾·華倫海特

最早提出溫度標尺的是丹尼爾·華倫海特（Daniel Gabriel Fahrenheit，1686－1736）。華倫海特出生於波蘭的格但斯克（波蘭語：Gdańsk）。1709年，他首先發明瞭酒精溫度計。

1714年，他又發明了水銀溫度計。他還定義了華氏溫標（記為°F）。那時候，人們認為能使鹽水結冰溫度是最冷的溫度。華倫海特用不同濃度的鹽水做實驗，最後找到一個最冷的溫度並把它定義為0°F。此外，他把人體的溫度定義為100°F，但實際上人體溫度是98.6°F。後來，華倫海特移居荷蘭，最後在荷蘭的海牙因水銀中毒病逝，終年50歲。今天，華氏溫標在美國和幾個中美洲國家仍在繼續使用。

列氏溫標

列奧繆爾

列氏溫標是由法國科學家列奧繆爾（Rene Antoine Ferchault de Reaumur，1685—1757）發明的。列奧繆爾自幼聰穎，24歲就入選為法國皇家科學院院士。他是一位百科全書式的學者，研究的內容囊括數學、物理學、化學、生物、冶金、考古等等。

他發現鋼與鐵的不同在於碳的含量，還發現製作陶瓷的關鍵是溫度。

他有一部六卷的鉅著《昆蟲的歷史》（History of Insects），其中描述了貝殼的生長、蜘蛛絲的強度、龍蝦與螃蟹的斷肢再生等等。

《昆蟲的歷史》

1740年他建立了列氏溫標（記為°R）。他顯然不知道華氏溫標。他將水的冰點定為0 °R；將酒精體積改變千分之一的溫度變化為1 °R。這據此水的沸點為79.9792 °R。今天，列氏溫標已經不再使用了，但列奧繆爾度對科學的貢獻永存。

攝氏溫標

安德斯·攝爾修斯

攝氏溫標是由瑞典科學家安德斯·攝爾修斯（瑞典語：Anders Celsius，1701—1744）於建立。

攝爾修斯畢業於瑞典名校烏普薩拉大學（Uppsala University）。這所大學建校於1477年，是北歐最古老的大學，也是世界上最早的大學之一。攝爾修斯在1730年開始任該校的天文學教授。他曾參與法國組織的地球測量工作，遠赴北極考察，最終證明地球的赤道直徑比南北極直徑要大，從而證明了牛頓的理論。

1742年他提出了攝氏溫標（記為°C）。最初，他將水的冰點定為100°C；水的沸點定為0 °C，並把冰點和沸點之間等分100度。後來他接受了一位同事的建議，把兩個溫度點的數值對調了過來。1744年他因肺結核病逝，終年43歲。1960年的國際計量大會把攝氏溫標作為國際通用的標準。攝爾修斯的名字也因此不朽。

開氏溫標

開氏溫標是由蘇格蘭人開爾文勳爵（Lord Kelvin，又名威廉·湯姆遜William Thomson，1824—1907）於1848年建立。開爾文勳爵的事蹟在《焦耳》一文中已經提及，以後還將有專文介紹。開氏溫標（記為 K）的0度是個絕對值。0K約等於攝氏溫標的零下273.15 °C。物體的溫度取決於其內部原子、分子等粒子的動能。粒子平均動能越大，物質溫度就越高。粒子平均動能的最低點就是0，不能再低了，所以0K是個絕對零度。由於這個絕對零度，開氏溫標又稱為絕對溫標。

在現實世界中，粒子總會有些動能或勢能，絕對零度不可能達到，只能無限逼近。2015年，麻省理工學院的科學家們做出了K的溫度。這個溫度比太空要冷1百萬倍，但還不是絕對零度。

華氏溫標、攝氏溫標與開氏溫標的換算

麻省理工學院的超級冷凍裝置可產生5×0.0000001 K的低溫

還要一提的是在開氏溫標中，1K原來定義為水的三相（氣、液、固）點的1/273.16。

2019年5月20日，國際標準化組織透過決議，溫度依據波爾斯曼常數（Boltzmann’s constant）

、重量（千克，kg）、長度（米，m）和時間（秒，s）來定義。溼度是空氣中水分含量的標記。在大氣中，水分的含量只在0到百分之4之間。但是沒了水分就不會有雨雪，不會有彩虹、不會有雷電。

我們都知道溼度與溫度之間的關係。攝爾修斯在測量溫度時曾經研究過溼度對溫度的影響。今天我們知道空氣中的水的含量有個最大值，超過了最大值，空氣中的水就會凝結下沉，溼度也就不會再增加。這個最大值於與溫度有關。例如，在20 °C的時候，每公斤空氣最多可以含有0.02公斤水。在40 °C的時候，每公斤空氣最多可以含有0.045公斤水。這些最大值就叫做空氣的飽和溼度。

空氣中水分的飽和度