一、温度计

温度计发展为一种标准科学仪器的过程，是十七世纪初从伽利略发端的，而实际完成则是在十八世纪。最早类型的这种仪器是验温器。它主要是个倒浸在水中的长颈瓶。瓶内束缚的空气收缩或者膨胀，引起瓶颈中的水位上升或下降。它仅借助这种升降来表明周围温度的变化。然而，后来发现，这空气的体积明显地受气压变化影响，于是开始改为利用液体（例如水或酒精）的热膨胀。这验温器随后便制成给出定量指示，如此便转变成为温度计，即给它附着一个温标，从上面可读出代表热或冷的“度数”的液柱高度。这些度数起初在值上纯粹是任意的，它们从一个任意的零开始计算。但是，为了比较不同温度计在不同环境下的指示，最好采用一种普适的温标。有人提议，为了做到这一点，可从一个“定点”出发来计算一切温度计上的温度，这定点对应于某个一定的温度，例如水的凝固温度，而这在需要时可以很容易地产生。但是，甚至当这种定点选定之后，度的大小即温标的单位仍悬而未决。然而，这个问题在十七世纪末就已原则上解决了，即建议应用两个定点（例如水的凝固点和沸点），以及把这两个点的间隔分成约定数目的等份。似乎最初是华伦海特在十八世纪把这种方法系统地付诸实践；而且，也是他确立了把水银用作为温度计流体，以前只是偶尔在实验中这样应用它。

丹尼尔·加布里尔·华伦海特于1686年出生在但泽，是一个德国商人的儿子。他被送到荷兰学习商业，但他的科学兴趣占了上风。他最后成为阿姆斯特丹的一个科学仪器制造家，并于1736年在那里去世。华伦海特访问过英国，当选为皇家学会会员；他关于测温学的文章用拉丁文发表在《哲学学报》上。华伦海特最初似乎用酒精作为他的温度计流体；但至迟在1721年，他制成了他的第一个水银温度计；它主要用来证实阿蒙顿（和他之前的其他人）的观测：水在一恒定温度上沸腾。他还应用它来测定其他液体（例如酒精、硝酸、矾油等等）的沸点。他还给出了它们的比重，而这些比重是在他温标上的48°上取的。这温度（他解释说）处于水、冰和盐的混合物可以达到的最冷程度和健康人血液温度两者的中间（Phil.Trans. ，1724，p.1ff.）。从他对一些关于水过冷却的进一步实验作的说明中所提供的细节来看，华伦海特给他温度计标定零点的方法，是把它们浸在上述的冻结混合物中（他没有说明这些成分按什么比例混合）。关于华伦海特温标的由来，见本作者的《十六、十七世纪科学技术和哲学史》第2版第90页。在这个温标上，冰的溶点为32°，健康人的体温为96°（将温度插入口腔或腋窝量得）。当扩展此温标以便包括雨水的沸点时，这温度计记录的温度为212°；但华伦海特没有把这沸点用作为他温标的一个实验测定的“定点”。对于日常应用，华伦海特把他的温度计仅刻度到90°。进一步的实验使他确信，水的沸点随着大气压变化而略有变动。于是，他由此发明了沸点测定器。这仪器实质上是一个温度计；但它这样制作和刻度，以致当它浸入沸水时，它的酒精或水银柱的顶端直接借助一个邻接量标指示这水沸腾时的大气压。由于没有那种破坏他对其定点定义的模糊性，华伦海特温标在操英语国家里确立了其用于大多数实际目的的地位。

法国贵族博物学家勒内·安托万·德·列奥弥尔在不知道华伦海特的工作的情况下，沿着不同的路线探索温度计的改良。列奥弥尔于1683年生于拉罗歇尔。他以数学家、动物学家和工业技术与法国自然资源方面的权威而著称。1708年，他成为法兰西科学院院士。他死于1757年。列奥弥尔在《巴黎科学院历史和备忘录》（Hist.et Mém．de l’Acad．de Paris）的1730年卷（p.452ff.）和1731年卷（p.250ff.）上，提出了“制造分度可比较的温度计的规则”。列奥弥尔对他的温度计这样分度，使相继的度相应于温度计流体体积的等增量，每份增量代表这流体处于水的凝固点时的体积的一定部分（通常为千分之一），而这是他用来规定他的温标的唯一定点。（胡克在十八世纪中叶和牛顿在十八世纪初都已预言过这原理。）列奥弥尔拒绝用水银作为温度计流体，因为它的膨胀系数相当少；他宁可使用酒精。他把他的主要的温度计做得比他那时一般的要大。他用一个约4.5英寸大的玻璃泡，给它熔合一根直径约四分之一英寸的玻璃管，后者通入玻璃泡，上端最初开口（图132，图1）。为给这仪表分度，他用一根小的吸移管（图2），其容量作为他的任意容积单位，还用几根较大的吸移管（图3，4，5，10）和量瓶（图6，7），它们的容积数倍于此单位。反复给这吸移管充满水并倒空到温度计管，如此，他给管泡和管茎下部充上1000份水。然后，他围绕管茎缚一根线，标记水上升的高度；这用作为温标的零点。接着，玻泡和管茎牢牢地固定在一块板（图8）上。列奥弥尔在这板上继续按如下方式标定分度。他给单位吸移管充满水（或者最好充水银，它不会附着于玻璃），倒空到玻管，再用一条水平线和一个数字1标记水现在的上升高度。然后，他把另一根吸移管倒空到玻管，再用一条水平线和数字2标记这新的高度。这个过程一直继续到管茎上分度达到所需范围，而如上所述，每度相应于为把管茎和管泡充到零点所需液体体积的千分之一。为获得零点以下的度数，将玻管充到0°，然后借助一个量瓶把它里面的液体倒掉比如25份；所得高度标记为零下25°，然后像上述那样借助单位吸移管得出它到0°之间的中间分度。然后，把玻泡和管茎中的水和水银倒空，并把仪表的里面弄干燥。接着，把酒精灌入，其量适足以升到零点。其时，玻泡浸在一个盛有水的铁皮容器中，并受到放在一个外容器中的冻结混合物的作用。最后，把温度计管的开端密封，或者用蜡与松节油的混合物包封。列奥弥尔相当详细地讨论了在密封的温度计管中究竟应留多少空气的问题，以及由于空气残留而产生反常的问题。他的最后结论是，密封玻管应当包含适度稀薄的空气。按上述方式分度的温度计的指示取决于它包含的酒精的纯度，因为酒精越纯，就膨胀越大。因此，这种温度计所用酒精的标准化就十分重要。列奥弥尔提议，酒精样品的品质取这样的判据：它在其温度从水的凝固点上升到沸点时的膨胀比例。这种检定有个实用上的缺点，即酒精在一个甚低于水沸点的温度上已开始沸腾（列奥弥尔完全清楚这一点，他的批评者也很快就指出）。然而，列奥弥尔发现，在某种意义上，他能够以下述方式测定酒精样品在水沸点上的体积。他把酒精样品封装在一个长颈瓶（图132，Fig.12）中，把它再浸入沸水之中，当它开始沸腾时，把它移去，一当沸腾停止，便记下酒精的高度；他重复这个过程，观察到这高度递增到某一高度，此后再也不发生进一步的膨胀。他认为，酒精的这最大体积乃是相应于水沸点的体积。他并用下述酒精作为用以充填他的温度计的标准纯度酒精：当把酒精从水凝固点加热到它能从沸水（而它自己不沸腾）获得的最高温度时，酒精体积从1000份膨胀到1080份。所以，列奥弥尔利用水沸点不是给出他温标的上定点，而是使他的温度计液体标准化。然而，十八世纪下半期用于水银温度计、今天大陆上仍旧应用的所谓“列奥弥尔温标”中，冰的溶点取为0°，水在标准气压下的沸点取为80°。列奥弥尔的方法和思想受到德吕克的批评和修改，后者对温度计完善所作的重要贡献，上面已经考察过。

1742年，瑞典乌普萨拉的天文学家安德斯·摄尔絮斯（1701—44）描述了他制造水银温度计的方法（Vetensk.Akad.Handl. ，1742，trad.Kästner，Bd.Ⅳ，p.197ff.）。这仪表的温标有两个定点。其下定点这样获得：用湿雪围住玻泡约一小时半，标记水银下降的高度；而表示上定点的高度则这样得到：玻泡放入一茶壶中几分钟，里面盛满沸水，用炽热的煤和风箱使之保持强烈沸腾，测定时气压维持其平均值。管茎在这两个定点之间的部分分度成一百等份；但是，摄尔絮斯把他的零点放在水的沸点上，他的100°那个分度放在雪的溶点上，这样，沿温标向下时读数增加，并且避免了凝固点以下的温度取负的度数。具有这两个定点以及像今天流行的摄氏温标那样向上增加的百分分度的水银温度计，似乎是里昂的克里斯坦在1743年引入的，他还在当地的报章上加以介绍。

图134并列出这三种分别同华伦海特、摄尔絮斯和列奥弥尔三人名字相联结的温标（虽然今天它们不复完全像创始者所规定的那样），供作比较。

（华伦海特、列奥弥尔和摄尔絮斯三人论温度计的著作，连同注释一起译成德文发表，见奥斯特瓦尔德的Klassiker，No.57。亦参见H.C.Bolton：The Evolution of the Thermometer，1592—1743，1900。）

气象观测者常感兴趣的一个问题是，获知在某一时期（一般为二十四小时）内温度计所测得的最高和最低温度。十八世纪发明了一些仪表，它们能提供这种资料，而又无需不断察看温度计的指示；这些装置是最早的最高最低温度计，或称记录温度计。十八世纪下半期提出了许多种这类发明，其中有许多很复杂，而且不切实用。我们将只考查其中少数典型的仪器，它们大都基于这样的原理工作，这些原理今天在最高最低温度的机械记录中仍旧利用。查尔斯·卡文迪什勋爵发明过一种简单的早期类型，最高温度计和最低温度计在其中是两个独立的仪器（Phil.Trans. ，1757，p.300ff.），如图135所示。最高温度计的特点是，管茎的顶端拉制成毛细管形状，它的开口通入一玻璃容器C。温度计的圆筒形玻泡和管茎部分内容有水银，其高度以通常方式按左边的温标指示温度。水银上面是一个酒精柱；容器C也部分地充有这种流体。当温度升高因而水银膨胀时，就把管茎中的一些水银驱入这容器；如果温度然后下降，则管茎中酒精上方便出现一虚空空间，其长度同温度计从所达到的最高温度的降落成正比。“因此，借助适当的温标，酒精的顶端将表明它比观测时高出多少度；如把这加到现在的高度之上，则将给出它现在所处的最高温度。”在一次观测之后，将温度计倾斜，直到C中的酒精覆盖住毛细管的端末，这样，仪表便重又复原；然后，将玻泡加热，直至管中酒精开始进入C；当让玻泡冷却时，酒精被从容器吸回管茎，以致充满管茎的上部。容器C也有一些水银，以便在需要从管茎排出和必须代之以一种类似的空吸过程时，提供足够深的水银。卡文迪什的最低温度计（右图）犹如一根倒置的虹吸管。长肢顶端封闭，而短肢顶端进入球A，后者同一个大圆筒连通。圆筒和球起初内有酒精，而一条细细的水银从短肢顶端延伸到长肢向上的某一点处，在那里它的高度（或它上面短短酒精柱的高度）借助一个温标表明环境温度。当温度下降时，圆筒中酒精收缩，水银从短肢跑进玻球而被陷获。如果温度后来上升，则短肢上部充入一酒精柱，其长度同这温升成正比；相邻温标上短肢中水银高度的读数“将表明这温度计比它这时的温度低了多少；如果从这现在高度减去这差值，则将给出它所处的最低点。”为了使这仪表复原，把它倾斜，直到玻球中水银覆盖着开口n；然后，加热这圆筒，迫使水银从玻球中出来。卡文迪什还提出了这两种仪器的一些修改型，尤其是考虑到深海应用。

然而，卡文迪什型仪表在十八世纪末被废弃，代之以带有小的活动指标的温度计，这指标由温度计液体表面升降加以操纵，我们现在还可以看到它们的应用。所有这类仪表的原型是詹姆斯·西克斯的组合式最高最低温度计（Phil.Trans. ，1782，p.72ff.）；它的结构和工作方式用发明者自己的话来说明，可能最好（见图136）：“图1的ab是一根细玻璃管，长约16英寸，直径约 英寸；cdefgh是一根内径约 英寸的小管子，在上端b处联接于那大管子，并向下弯，先向左弯，然后再下降到ab以下2英寸后，向上复又朝右弯，cde和fgh两个方向彼此平行，它们同大管子相距1英寸。这管子在端末h处内径从h到i扩大到 英寸，h到i长为2英寸。除小管子从d到g的部分充水银外，这管子都充高度精馏的酒精，直到端末i留 英寸。……当大管子（作为该温度计的玻泡）中酒精受热膨胀时，左边小管子中水银将被压下，从而引起右边水银上升；相反，当酒精冷凝时，将发生相反的过程，左边水银将上升，右边的将下降。因此，（华伦海特的）温标从左边顶端的0开始，向下计度数，而右边的从底上的0开始，向上升。……在温度计的小管子中，一边水银表面上方放一个小指标，它浸在酒精中，装置得在必要时可上下移动。上升的水银表面把这指标一起往上带，但当这表面下降时，指标不随它回复。然而，当保持固定时，这指标鲜明而又精确地表明水银上升多高，从而也表明所发生的冷或热为多少度。”图2放大示出一个这种指标：“a是一根小玻璃管， 英寸长，每端都密封，并封入一根差不多长的钢丝；cd每端都固定一根短的黑玻璃管，其直径大小使之适合于在温度计的小玻璃管中自由上下移动。……从指标体的上端c抽拉出一根头发丝那样细的玻璃弦，长约 英寸，位置略微倾斜，轻轻压住管子内表面，防止指标在水银下降时跟着降落。”图3所示为安装在其座架上的这仪表。西克斯继续说：“向晚，我通常去察看我的温度计，从左边的指标看看昨夜的冷；从右边的指标看看白天的热。我把这些记录下来，然后把一块小磁铁作用于管子被指标贴住的部分，使指标向下移动到水银表面。这样，无需加热、冷却、分离或扰动水银，也无需移动仪表，便可以使这仪表一动也不动就已立即调整好，准备作另一次观测。”图4和图5表明这温度计由两个独立部分构成，分别用于指示最热和最冷。可以明白，在西克斯的温度计中，这温度计的流体实际上是酒精；水银的主要功能是移动指标。

爱丁堡大学医学和植物学教授、第一个分离出氮的丹尼尔·卢瑟福在1790年介绍了一种更为简单的仪器，工作原理相同，由两个独立部分构成（Trans.Roy.Soc.Edin. ，1794，Vol，Ⅲ，pp.247ff.）。然而，他把实际发明归功于一位医学博士约翰·卢瑟福。在这种仪表中，最低温度由一个普通酒精温度计AB记录。它的管茎中有一指标C，呈彩色玻璃或搪瓷小锥状，顶尖指向玻泡；这指标约半英寸长，其精细使之适可沿玻管上下自由滑移。一旦这指标完全浸入酒精，便不能轻易地突破其表面。这温度计倒置，以使指标滑到酒精柱顶端，然后将它安装于水平位置。如果温度下降，则酒精收缩，指标也被引向玻泡。如果温度后来上升，并且酒精膨胀，则指标保持标示所记录的最低读数。最高温度由一水银温度计DE记录；它的指标系一象牙锥F，其基底转向玻泡，最初停留在水银表面上。当水银随着温度上升而膨胀时，它推动其前面的指标；当水银收缩时，它使指标留在后面标示仪表从上次调定以来所达到的最高温度。这两个温度计水平地安装在同一支座上，两者的管径指向相反，因此，同一运动可用来使两者都复原。

乔治·威尔逊的《卡文迪什传》（Life of Cavendish）（1851年）记叙了亨利·卡文迪什制造并保藏在皇家研究院中（但现已有故障）的一个记录温度计。《尊敬的亨利·卡文迪什科学文选》（The Scientic Papers of the Hon.Henry Cavendish）（剑桥，1921年）复述了威尔逊的记叙（Vol.Ⅱ，pp.395ff.）。图138示出这仪表的正面和背面视图。它主要是一根内盛酒精的玻璃管，水平地沿仪表顶部通过，以便暴露于大气之下（但防雨），向下同一U形管连通。酒精随着温度变化而膨胀和收缩，由此驱动U形管中细长的水银。此管左边开口肢中水银的表面载一象牙浮子；浮子系有一根丝线，后者绕过一带槽的轮两次，向下悬，支承一小重物。轮轴上附着一轻指标，后者在右图所见的分度圆上移动。指标的一边有一摩擦针，类似于家用气压计的度盘；当指标开始沿一个方向移动时，它推动其前面的针，而后来当指标开始退行时，这针便保持停留在指标沿该方向所达到的极限位置。让摩擦针同指标保持接触，仪表便复原。整个装置放在一个盒中，盒高约18英寸，带玻璃面板和金属门。左图所见的凸脚可能用于放置致干燥物质，以保持内部干燥。

亚历山大·基思约在1795年发明了一种温度计（Trans.Roy.Soc.Edin. ，Vol.Ⅳ，1798，pp.203ff.），它不仅用来指示最高和最低温度，而且还可用来连续地以图形记录它自己在一给定时期中的指示。他的温度计示于图139图1。它主要是一根玻璃管AB，长约14英寸，直径 英寸，上端封闭，下端终止于细口径玻管BED，后者向上弯，在顶端开口。玻管从A到B充酒精，从B到E充水银。E处水银表面上放置一个小象牙或玻璃锥形浮子，浮子系一根金属丝，后者上升到H，在那里弯过一个直角，终端是一个短的水平十字件。当水银随着温度增减而从初始位置上升或下降时，这十字件升起或压下两个指标L、L中的一个；这两个指标是上油的丝条，它们在一根细金丝上滑移自如，金丝上下端用铜销固定在一分度标尺FG上，后者同玻管开端一起可用盖Ⅱ完全封罩起来。十字件H围住金丝，推动其前面的上指标或下指标，使之留在离初始位置最远的地方，以表明所记录的最高或最低读数。图2放大地示出玻管的端末，以及所附带的温标、金丝和指标。当这温度计用作自记仪表时，基思建议作下述修改：温度计放大制作，AB约40英寸长；H处的十字件代之以一短铅笔Q（图3），后者借助重物R轻轻压住一张围绕在一个旋转鼓MN上的纸。纸上用垂直线分格成一个月的各日，用水平线分度成华伦海特的度，鼓由时钟机构操纵，一个月完成一转。随着温度逐日升降，铅笔将在纸上留下一条正弦轨迹。连续十二个月里这样得到的图收集在一起，便形成观测地当年气温的完整记录。在随后一篇文章（同上，p.209ff.）中，基思介绍了，怎样可用类似方式改装一个虹吸气压计，使之表示大气压的最大值和最小值（见图4和图5）。