热与功/热与温度/测温初尝

1.2 把冷热关进玻璃管（上）：伽利略的测温仪

我们已经说了，我们的皮肤是个极其会骗人的“热流计”。既然我们的感官靠不住，那就需要一位冷酷无情、绝对客观的“裁判”来接管测量温度。但问题是，温度看不见又摸不着，也没有重量，我们当然就不能像抓一把沙子那样把它放在秤上称一称。那要如何捕捉一个幽灵般的存在呢？

时间倒回到400年前。

1592年，在意大利帕多瓦大学实验室里，30岁出头的伽利略（就是那个扔铁球、看星星的伽利略）正盯着一盆水发呆。当时的医生朋友向他抱怨，判断病人有没有发烧，只能用手去摸病人的额头，手感实在太不准了。相信一定也有人体验过：小时候发烧时，父母长辈用手掌或额头抚摸我们的额头给我们测体温。

伽利略接下了这个挑战。他不仅要把看不见的热量“抓”住，还要把它关进玻璃管里，让所有人都清清楚楚地“看”到它。

伽利略的解题思路堪称工程学上极具美感的“降维打击”——既然热量不可见，那就把它转化成可见可测量的位移。他找来玻璃工匠，吹制了一个带有一根细长玻璃管的空心玻璃泡，大小跟鸡蛋差不多。

伽利略的方法分为三步：

--加热：他先用双手紧紧捂住玻璃泡（或者用火微微烤一下），让里面的空气受热膨胀，赶出一部分气体；

--倒扣：接着，他迅速把玻璃管倒转过来，将细管那头垂直插入装有带色液体（通常是加了染料的水或葡萄酒）的容器里；

--吸水：当玻璃泡在空气中慢慢冷却时，里面的气体开始收缩，压力变小。在外界的作用下，容器里的有色水被“吸”进了细管里，并在管内升起一段水柱，停在某个高度。

世界上第一台测温仪就此诞生了。

那怎么用它来测温呢？测温的方法非常直观。如果天气变热了，或者用发烧的手去握住那个玻璃泡，泡里面的空气就会受热膨胀。空气一膨胀，无处可去，只能往下挤压，细管里的水柱就会下降。反之，如果一阵寒风吹过，玻璃泡变冷，里面的空气收缩，水柱就会上升。

热量，这个无形无相的物理量，就这样被伽利略变成了一根随着冷热上下跳动的红色水柱。人类历史上第一次，温度不再是“有点冷”或“非常烫”这种模糊的形容词，而变成了客观的、可测量的视觉信号。

伽利略的测温仪一问世，立刻在欧洲的贵族和学术圈引起了轰动。但没过多久，大家就发现这个发明快把人逼疯了。因为它存在极其致命的物理缺陷——它是向外界敞开的。

想象一下：我们把它放在桌子上，明明感觉房间里的温度没有任何变化，也没有人去碰它，但细管里的水柱却像中邪了一样，一会儿升高，一会儿降低。如果把它从一楼搬到山顶，水柱甚至会发生剧烈的偏移。

为什么会这样？

因为在伽利略发明这个仪器的年代，人类还不知道一个常识：空气是有重量的。（直到半个世纪后，伽利略的学生托里拆利才证明了大气压的存在）。

伽利略的玻璃管底部是敞开插在水盆里的，这就意味着，决定水柱高度的，不仅是玻璃泡里气体的温度，还有当时外界的大气压力！

• 晴天转阴雨天，大气压变了，水柱跟着跑。
• 从平原走到高山，大气压变了，水柱又跟着跑。

这名义上是个“温度计”，实际上却是个“温度计 + 气压计”的混合体。

除了气压的干扰，这台仪器还有几个让人头疼的毛病，比如：

（1）它里面装的是水，水是会蒸发的。放久了，盆里的水就干了；

（2）到了寒冷的冬天，水一结冰，体积膨胀，经常直接“咔嚓”一声，把昂贵的玻璃管撑个粉碎；

（3）没有刻度，无法水柱高度和温度一一对应。

如果从现代测量的标准来看，伽利略的测温仪毫无疑问是一个失败品。它连刻度都没有，只能表明“今天比昨天热”，却无法给出“热了多少度”。但正是这个漏气的、容易碎的玻璃管，对后来的科学研究和我们的现实生活产生了深远的影响。

它把人类从“主观哲学”拉进了“客观测量”的大门。它告诉我们，物质会对温度的变化做出可预测的、规律性的反应。这正是现代所有温度测量的底层逻辑——不管是现在实际生产过程中复杂仪表，还是我们家用烤箱里的热敏电阻，本质上都是在做“能量到信号”的转化，即把不可见、不可测变为可见、可测。

伽利略利用了气体的热胀冷缩，其实他不经意间捕捉到了与我们日常生活和现代科学最紧密相关、最核心的三个变量，即压力（P）、体积（V）和温度（T）。伽利略推开了这扇门，让我们看到了热力学这么科学诞生的微光。

既然敞开的管子受大气压干扰，那问题该怎么解决？答案似乎很简单：把管子封死，不让外界空气接触不就行了！可是，一旦把管口封死，里面的液体又该用什么呢？水结冰会把管子撑破，这可难倒了后来的科学家们。直到后来，牛顿甚至把极其奇葩的“亚麻籽油”装进管子里，测温界迎来了一段极其混乱又有趣的“群魔乱舞”的测温时期。

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