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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
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。
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
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。
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。
在日常生活中,我們通常用相對溼度(relative humidity),即空氣實際水含量與飽和溼度之比。有時為了方便,我們就把相對溼度就叫做溼度。
人對溫度與溼度有個舒適區間。太熱、太冷、太溼、太乾都不舒服。所以,新式的空調機引入了舒適控制的功能。十多年前,我曾經研究過空調機的舒適控制,控制的變數包括溫度、溼度、風速(包括不同的送風模式)、以及使用者的行為(如讀書或做家務)。今天這個控制方法已經開始廣泛應用。
想了解更多科學知識?這個寒假來廣東科學中心!
撰文:杜如虛
排版:慕橙