热与功/热与温度/摄氏温标
1.5 冰水与沸水的拉锯战（下）：摄氏度与“相变点”的胜利
玻璃匠人华伦海特用水银和冰盐水拯救了混乱不堪的测温界。华氏度虽然对人体的感知极其友好，0到100℉完美覆盖了人类生存的气温极限，但对于要做数学计算的科学家来说，它简直就是恶梦（那时没有计算器和计算机）。
难道就没有人能发明一个简单、纯粹、为十进制而生的温标吗？
于是，1742年，一位名叫安德斯·摄尔修斯（瑞典语：Anders Celsius；生卒：1701－1744）的瑞典天文学家站了出来。他决定抛弃华伦海特那套“体温与冰盐水”的复杂基准，把目光投向了地球上最丰富、最纯粹的物质——水。
摄尔修斯的想法很直接：既然我们要十进制，那就把水的冰点和沸点作为基准，中间硬生生切成100等分！这就叫“百分温标”（Centigrade）。
听起来很顺理成章吧？但如果我们穿越回1742年的瑞典，拿起摄尔修斯亲手制作的第一支温度计，会怀疑自己的眼睛：
在这支温度计上，水烧开的沸点是0度，而水结冰的冰点反而是100度！
你没看错，这是一支“倒着走”的温度计。当你把温度计从冰水里拿出来，放在火上烘一下时，上面的数字会从100慢慢降低直至到0。
摄尔修斯疯了吗？并没有，这也是出于一种极端的实用主义。
要知道，瑞典地处北欧，漫长的冬天里气温几乎全在冰点以下。如果把冰点设为0度，那气象学家在记录大半年的气温时，前面都得加一个负号（-15度、-20度）。在那个纯靠手写记录的年代，漏抄或者看错一个负号，整页的数据可能就全废了。
为了让瑞典的冬天全变成“正数”，他干脆把冰点定为100。天气越冷，数字越大。
不过，这个设计把瑞典著名的植物学家林奈（瑞典语：Carl von Linné；生卒：1707-1778）给逼疯了。林奈当时正在温室里培育热带植物，他实在无法忍受“温室里的数字比外面冰天雪地里的数字还要小”这种反常识的设定。
于是，在摄尔修斯去世后不久，林奈（也有史学家认为是仪器制造商埃克斯特罗姆或天文学家斯特勒默）思前想后，把刻度整个颠倒了过来。
冰点变成了0，沸点变成了100。
至此，统治了今天全球 90% 以上国家、并成为所有现代科学计算基石的“摄氏度”（℃）终于成形了。
然而，为什么偏偏是“冰水混合物”和“沸腾的水”？凭什么它们能成为统一全球温度的绝对基准？
在日常生活中，我们可能会觉得烧开水是一件再普通不过的事。但如果我们带上“热力学”透视眼镜，会看到大自然在这里施展了一场堪称神迹的魔法——“相平衡”对温度的“锁死”效应。
想象一下，把一锅20℃的水放在煤气灶上，开大火加热。随着吸收热量，水温一路飙升：30℃、50℃、80℃……
当水面开始“咕噜咕噜”冒泡，第一滴水开始变成蒸汽的那一瞬间，神奇的事情发生了：不管你把煤气灶的火开得多大或者烧多久，只要还有液体水，也即液体水和水蒸汽同在（汽液相平衡），水的温度都会死死地钉在100℃，连0.1度都不会再增加！当然，对这里的100℃，我们还要限定一个压力值（1个标准大气压），因为压力会影响这个沸腾的温度。
那么，那些源源不断涌入的热量去哪儿了？
它们没有用来升高液体的温度，而是化身为无形的天使，用力扯断水分子之间紧密作用力，把水分子从液态的束缚中解救出来，抛向自由的气态，热量就这样随气态分子如影随形的纠缠在了一起。
冰水混合物（固液相平衡）也是同理。 只要冰没有全部融化，无论外界多温暖，混合物的温度都绝对稳定在0℃。
这就是相平衡的伟大之处。它不需要你拥有多么精密的校准仪器，也不需要你去求助什么大神。大自然把标定温度的密码，写在了每一种纯物质的“相平衡”状态里。任何一个普通人，只要有一块冰、一锅水，就能完美复刻出宇宙间极其精准的0℃和100℃。
处于相平衡的相变点，成了科学界最坚如磐石的测温“锚点”。
然而，作为一个极其严谨的科学家，摄尔修斯在无数次重复烧开水的实验中，发现了一个让人脊背发凉的漏洞。
他发现，沸水的温度并不总是绝对的100℃。
如果哪天恰逢暴风雨来临前的低气压，水可能99℃就烧开了；如果把这锅水端到青藏高原上，它甚至可能在80℃就会疯狂沸腾了。在这过程中，压力施了魔法！
沸点，是压力的奴隶！
当外界大气压降低时，液面上的空气分子对水分子的“镇压”减弱了，水分子更容易逃逸成蒸汽，所以沸点就降低了。反之，压力大，水分子难以离开液面，沸点就能升高。
所以，摄氏度的定义极其苛刻：它必须是在“标准大气压（1 atm）”下的纯水沸点，才是真正的100℃。
这就带来了一个巨大的隐患。
不管是华氏度还是摄氏度，本质上它们都是“经验温标”。它们严重依赖于某种具体物质（水或水银）的物理性质。但真实世界里的物质总是不完美的：水银在极寒下会冻结，水的沸点受气压干扰，而且哪怕是极其微小的杂质，都会导致“沸点升高”或“冰点降低”。
只要我们还在利用物质的表面现象去测温，我们就永远无法触及热量与温度的本质。
物理学家们陷入了沉思：我们能不能抛开水、抛开水银、抛开一切物质的偏见，去寻找一种真正绝对的、即使到了宇宙边缘也依然成立的“上帝标尺”？
为了找到这个答案，科学界还需要补上最基础、却迟到了整整一百年的那块热力学拼图。
