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丹尼尔·加布里埃尔·华伦海特

华伦海特

丹尼尔·加布里埃尔·华伦海特(Daniel Gabriel Fahrenheit,1686~1736)德国——荷兰物理学家。1686年5月24日生于但泽(现为波兰的格但斯克)。少年时其父母意外死亡,迫使华伦海特开始学习商业。经过在阿姆斯特丹的多年训练后,他定居海牙,从事玻璃制品的吹制和贸易,并制作气压计、高度计和温度计出售,先后研制成功酒精和水银温度计。

华伦海特曾在德国、英国、丹麦和瑞典旅行学习,拜访过许多科学家和仪器制造者,获得仪器制造者的职业。1717年移居荷兰阿姆斯特丹,在这里被核准为仪器制造专家。他建立了一个机械车间,制造温度计、气压计、液体比重计和其他物理学和天文学仪器,并潜心于气象学、物理学方面的研究。1736年9月16日卒于荷兰海牙。

 

生平简介

 

丹尼尔·加布里埃尔·华伦海特(Daniel Gabriel Fahrenheit, 1686年5月14日-1736年9月16日),德国物理学家、工程师(虽然他基本定居在荷兰),华氏温标的创立者。

华伦海特出生于但泽(今波兰格但斯克),少年时其父母意外死亡,他的保护人送他到阿姆斯特丹接受商业教育,迫使华伦海特开始学习商业。华伦海特在那里学习科学仪器的制作,对物理学很有兴趣。1707年他先后前往柏林、莱比锡、德累斯顿、哈勒等地,通过参观别的学者以及工匠的操作,学到了不少技术。1708年在哥本哈根遇到了丹麦天文学家罗默(1644—1710年),建立了友谊。1715年华伦海特和数学家莱布尼茨合作制成测定大海经度的时钟。经过在阿姆斯特丹的多年训练后,他定居海牙,从事玻璃制品的吹制和贸易,并制作气压计、高度计和温度计出售,先后研制成功酒精和水银温度计。1718年后,他在阿姆斯特丹教授物理学,1724年,他成为英国皇家学会院士。华伦海特在物理学历史上首次确认了每一种液体的沸点都大体一致,但会随着气压的改变而改变,气压越大,沸点越高,并以此原理发明了沸点高度计。

在制作温度计的过程中,华伦海特必须寻找一种对温度进行精确标记的方法,于是他采用了三种在当时技术条件下十分重要的温度作为标记刻度的依据。首先,他将水、冰和氯化铵混合,达到了当时所能记录到的最低温度,将其定为0度。然后他又将水的冰点定为32度,最后将人的体温定为96度。

不久,在采用能承受更高温度的水银温度计后,华伦海特改将水的沸点作为温度计的上限,定为212度,这样,他可以将水的冰点和沸点之间划分为180度,同时又使得人体体温接近100这个整数。在摄氏温标被广泛接受之前,华氏温标是最被人接受的温度量度。时至今日,美国人仍然在日常生活中使用华氏温标,在英国等地已逐渐弃用。

Fahrenheit's birthplace in Gdańsk

 

科学成就

 

1.华伦海特在物理学中的贡献是建立了华氏温标。他把水的沸点定作212°,冰点记作32°。在书写华氏温度的时候,在数值后面加上°F,读作“华氏度”。这种温标的一个优点在于,对于常用的温度,很少需要负的度数。 2.此外,华伦海特发明了净化水银的方法,并且第一次提出了在温度计中普遍使用水银的主张,他自己就制作过水银和酒精两种温度计。华伦海特还发现了水的沸随大气压变化的规律,应用这一规律研制成功沸点测高计。

华氏温标与摄氏温标对照

1701年罗默制作了一种酒精温度计,他用水的沸点作为上固定点,定作60°;融化的冰的温度为下固定点,定作7.5°;冰和盐水混合物的温度定作0°1708年华伦海特拜访了罗默,参观了罗默制作的温度计。回来后,华伦海特对罗默的刻度方法作了多次改进。把冰水混合的温度作为低点,定作30°,人体温度作为高点,定作60°。这就是第一个华氏温标。

1724年,华伦海特发现原来的标定刻度给实际使用带来不便,就把高点改成96°,低点改成32°。后来,华伦海特写成一篇关于不同液体的沸点的论文,把水的沸点定作212°。华伦海特去世以后,人们把水的沸点作为高点,定作212°F,这样人体的温度应该是98.6°F,而不是华伦海特原来定的96°F

3. 华伦海特(DanielGabrielFahrenheit,1686~1736)物理学家。1686年5月14日生于但泽(现格但斯克,波兰)。曾在德国、英国、丹麦和瑞典旅行学习,拜访过许多科学家和仪器制造者,获得仪器制造者的职业。1717年移居荷兰阿姆斯特丹,在这里被核准为仪器制造专家。他建立了一个机械车间,制造温度计、气压计、液体比重计和其他物理学和天文学仪器,并潜心于气象学、物理学方面的研究。

华伦海特1709年发明了第一只实用酒精温度计。1714年又改用水银作测温物质制成水银温度计,定出了历史上第一个经验温标──华氏温标,使温度测量第一次有了统一的标准。从而使热学走上了实验科学的道路。最初华伦海特选用两个固定点:把水、冰和氯化氨或盐的混合物的温度作为一个固定点,定为零度,把健康人的体温作为另一个固定点,定为96度。后又把冰水的混合物作为第三个固定点,定为32度。后来华伦海特又扩展了他的温标,把水在标准大气压下的沸点作为一个固定点,定为212度。1724年正式确立了以他名字命名的温标,同年华伦海特被选为英国皇家学会会员。华氏温标规定冰点(标准大气压下冰与被空气饱和的水之间的平衡温度)为32度,水的沸点(标准大气压下水和水蒸气之间的平衡温度)为212度。历史上以华氏温标所定义的温度叫华氏温度。随着科学技术的进步,人们早就不再用华氏温标。现在一些国家(美国和加拿大等)在许多情况下仍继续使用华氏温度,但这已不是原来的华氏温标所定义的温度,而是按下列数学公式所定义的温度:tF=32+(9/5)t。tF是华氏温度的值,t是摄氏温度的值。华氏温度的单位为华氏度,常用符号是°F。1华氏度的大小恰好等于5/9摄氏度。

Raumthermometer_Fahrenheit+Celsius

华伦海特还进行过一系列的实验研究。他发现了每一种液体都像水一样有一个固定的沸点,液体的沸点随气压的不同而变化,这一发现对精密的计温学是个很大的贡献。他研究了液体的沸点与压强和溶于其中的盐的含量关系,设计成功带气压表的温度计。1721年他发现了水在冰点以下仍保持液态即水的过冷现象。他设计成功新型比重计,编制了物体的比重表。这些为物质热学性质的进一步研究奠定了基础。

伽利略

 

温度计的老祖宗

 

最早发明温度计的,是意大利的大科学家伽利略。伽利略生活在16世纪中叶。他是第一个用望远镜观察天体的人,那架望远镜还是他自己制造的。他首先发现月球的表面是凹凸不平的,发现环绕太阳运行的木星尚有四个卫星在绕着它转圈子,发现太阳的光球层上有黑色的斑点,称它为黑子。伽利略对于神秘的自然现象,从来不肯轻易放过。他发现了许多有名的物理定律,创造了不少科学仪器,温度计只是其中的一种。伽利略在做实验的时候,发现空气受了热要膨胀,遇到冷要收缩。他就利用空气热胀冷缩的性质,制造了一个空气温度计。这具温度计的老祖宗——空气温度计是怎么做的呢?

用一个像鸡蛋一样大小的空心玻璃球,连着一根细细的开口的玻璃管。先用手把玻璃球焐热,玻璃球里的空气就膨胀了,一部分从玻璃管溜了出来。这时候,把玻璃管倒插入一只装有水的瓶子里。当手离开玻璃球以后,玻璃球里的空气就冷却了,瓶里的水就上升到细玻璃管里来了。

一具温度计就这么做成了。天气热的时候,玻璃球里的空气就要膨胀,玻璃管里的水就会下降;天气冷的时候,玻璃球里的空气就要收缩,玻璃管里的水就会升高。只要用尺子量一下玻璃管里水的高度,就可以知道天气的冷和热的程度了。

德国物理学家华伦海特画像

 

裴迪南的改进

 

伽利略的温度计有个缺点,它要受大气压力的影响。

为什么呢?因为下面装水的瓶子不是密封的,大气压力老是压在瓶子里的水面上。即使天气的冷热没有发生变化,大气压力增大了,玻璃管里的水也会上升;大气压力减小了,玻璃管里的水也会下降。所以,这种温度计测的温度是不准确的。

伽利略有个学生,叫裴迪南,他设法改进了老师所创造的温度计。为了使温度计不受大气压力的影响,必须的把盛水的瓶子密封起来。但是在这样密封的瓶里,空气的膨胀和收缩就不大明显了,于是他想是否可以用液体来代替空气,把液体装在连着玻璃管的空心球内,把玻璃管的一端密封起来,然后把它倒过来,这就成为现在温度表的形状了。

裴迪南试验了许多种液体,发现酒精在受热或变冷的时候,体积变化很大。他就用酒精来代替空气,装在玻璃球里。再把玻璃球加热,让一部分酒精成为蒸汽。等到酒精蒸汽把玻璃管里的空气全赶跑了,就把玻璃管的口子第一个不受大气压力影响的真正的温度计,就是这样诞生的。人们只要用尺量一下玻璃管里酒精的高度,就知道温度的高低了。

后来,人们给温度计里的酒精染成了红色,观察起来就更加清晰了。现在通常用来测量气温的温度计,里面装的就是染红的酒精。

19世纪第一批温度计的制造情况

 

各有所长

 

但是酒精温度计有个缺点,酒精在78摄氏度就要沸腾,到了这时候,玻璃管里模糊不清了。用酒精温度计,连水的沸点(沸腾的温度)也没法测出来。到了1695年,才有人用水银来代替酒精。水银要到357摄氏度才沸腾,水银温度计可以测的温度,就比酒精温度计高得多。水银是一种亮闪闪的银色的液态金属,观察起来也很清晰。现在我们用的测体温的温度计,里面装的就是水银。可是水银也有个缺点,它在-39摄氏度就要凝结成不能流动的固体。所以到了一39摄氏度以下,用水银温度计测温度,就得不到正确的结果。

到南极和北极去考察的科学家,就没法用水银温度计来测那儿的气温。那怎么办呢?不要紧,可以让酒精温度计来担任这个职务。酒精要在-117摄氏度才凝结成固体。在地球上面的任何地方,都没有这样低的气温。

酒精温度计和水银温度计各有所长。它们互相补充,就可以量出-117摄氏度到357摄氏度之间的温度。

但是科学技术的发展是没有止境的,人们还需要量更低和更高的温度。现在,人们已经创造了压力温度计,可以量-60摄氏度到550摄氏度的温度;创造了电阻温度计,可以量-260摄氏度到600摄氏度的温度,还创造了可以量摄氏几千度、甚至上万度的辐射温度计和光学温度计。

加布里埃尔·华伦海特之墓碑

 

量冷热的尺子

 

温度计上都有刻度,这是量冷热的尺子。最早的时候,各人制造的温度计上的刻度不相同,使用起来很不方便。

德国人叫华伦海特,想出了一个把温度计上的刻度统一起来的办法。他把温度计放在冰雪和盐的混合物里,看玻璃管里的水银降到哪儿,就在玻璃管上刻一条线,这时的温度计作为零度(当年所了解的最低温度)。再把温度计放在自己嘴里,看水银升到哪儿,又刻一条线。把这两条线之间平分成24格,一格作为一度。后来,他觉得这样的格子太大,又把每一格平分成4格,一共成了96格,从0度到96度。再用同样大小的格子,刻出零度以下和96度以上的度数。其他的液体(如酒精)也可以用同样方法来定刻度。许多人采用了这种刻度温度计。因为它是华伦海特创造的,所以叫华氏温度计,量出来的度数就是华氏多少度,用“F”来表示。例如水的冰点是华氏32度,就写成“32F”;水的沸点是华氏212度,就写成“212F”。

后来,瑞典人摄尔休斯又想出了一个办法。他把水结冰的温度作为0度。把水沸腾的温度作为100度。把0度与100度之间平分成100个格子。再用同样大小的格子,刻出0度以下和100度以上的度数。

摄尔休斯创造的刻度办法,比华伦特的简便得多,所以更受到人们的欢迎。用这个办法刻度的温度计,叫做摄氏温度计,量出来的温度就是摄氏多少度,用“C”来表示。

不过应该说明一点,在工业生产和科学实验中,现在都采用1968年国际实用温标,摄氏温标现在已经废弃不用。现在所用的摄氏度是国际实用摄氏度而言的。这是随着生产和科学技术的发展,经过多次修改的结果。这方面的知识,你们将来在物理学课程中会学到它,就不在这里介绍了。

温度计

 

两种温度计

 

华伦海特做了两种温度计——一种装上酒精,另一种装上水银。从他在1724年发表的第一篇论文来看,他那时所用的温度计选用了两个固定点:结冰的盐水混合物的温度和人体的血液的温度,并把它们之间的间隔分为96度。从他1724年发表的第二篇论文来看,他还使用了以冰水混合物决定的第三个固定点。我们从这篇论文中引述如下:“那些温度计的刻度仅仅是使用在始于0度和止于96度的气象观察而已。这个刻度取决于三个固定点的测定,它们是用如下方法得到的:首先,最低点……是以冰、水和氯化铵或海盐的混合物来确定的,如果把温度计浸在这混合物中,则[温度计内]液体降落到记为零的点。这个试验在冬天比在夏天更成功。第二点是这样得到的,如果混合物是由水和冰混合而成,但没有刚才所说的盐;如果把温度计浸在这种混合物中,则温度将固定在32度……第三点是在第96度,如果温度计是放入健康人的口中或腋下,酒精就膨胀到这一点。”

在他的第五篇论文中,他说:“在解释关于一些液体的沸点的实验中,曾讲过那时发现水的沸点是212度;后来通过种种观察和实验,认识到这一点对于同一种水和在相同的大气重量下是固定的,但在不同的大气重量下它可能很不相同。”由此可见,在1724年的212度的数字是没有预先安排的;沸水纯粹是碰巧使水银柱升高到那一点。如果我们对华伦海特1724年的论文的解释是正确的,那正是同样偶然的原因才促使他把32度记为水的冰点,并把180度固定为水的冰点和沸点之间的度数。我们可以预料,在华伦海特后来的实践中,他的实验结果使他放弃了在他的第一篇论文中叙述到的两个固定点,并选择了水的冰点和沸点的温度作为更加方便的固定点。但是,我们没有直接的和可靠的信息来证明或者是他或者是他的阿姆斯特丹的合作者实际上走了这一步。在他赠送给C.沃尔夫的两个温度计的1714年的《博闻录》中的说明书表明,从结冰的盐水混合物到血液温度之间首先划分为24份,然后把这24份的每一份再更细地分为4份,全部就是96等份。

当华伦海特的温度计被荷兰人和英国人采用时,其他国家却迟迟看不到它的价值。在法国,勒奥默设计了温度计。勒奥默(R6aumur)因他在动物学、植物学和物理学上的研究而闻名,但他不熟悉华伦海特的成就。由于不满意阿蒙顿的空气温度计(但勒奥默仍然认为它是唯一适用的温度计),又由于水银的膨胀系数小,勒奥默强烈地反对使用水银,他致力于制造一种既方便又能达到精确度要求的酒精温度计。他的实验偶然地使他很好地观察到液体体积的收缩,这可能是由于几种液体混合的结果。他发现酒精(和1/5份的水混合)在水的结冰温度和沸腾温度之间的膨胀是从1000个单位体积到1080个单位体积;因此他把玻璃管的结冰和沸腾点之间的距离分为80份。但是,勒奥默的温度计结果不好。各种各样的难以置信的读数都显示出来了,并且不同的温度计也不一致。日内瓦的德吕斯恢复使用水银,并以如此有力的论据强调了它的优越性,一个物理学家热情地呼喊道:“自然界给我们这个矿物肯定是为了做温度计。”

温度计

 

换算公式

 

华氏温标(Fahrenheit,符号为°F)是由德国物理学家丹尼尔•家百列•华伦海特(DanielGabrielFahrenheit,1686-1736)得名。华氏温标的规定是:在标准大气压下,冰的熔点为32度,水的沸点为212度。他将冰与盐混和后,所能达到的最低温度定为0°F,而将人体温度定为100°F,两者间等分成100个刻度。

摄氏温标(Celsius,符号为°C)是由瑞典天文学家安德斯•摄西阿斯(AndersCelsius,1701-1744)得名。摄氏温标的规定是:在标准大气压下,冰的熔点为0度,水的沸点为100度,中间划分100等分,每等分为1°C。

 

华氏温标换算

 

其他常用的温度测量单位还有华氏温标和热力学温标。

 

华氏温度

 

摄氏温标和华氏温度(degreeFahrenheit,℉)两种温标的转换公式为: °C=5/9(°F-32)

°F=9/5°C+32

 

热力学温标

 

摄氏温标和热力学温标(Kelvin,K)两种温标的转换公式为: K=°C+273.15

°C=K-273.15
用换算公式的例子

 

68华氏度是多少摄氏度?

将68代替《F》,算出《C》:

C=(68-32)*5/9,

C=36*5/9,

C=20

20°C=68°F 在什么温度下两个单位的值是一样?

在上述的一个公式,将《T》代替两个温标,然后算出《T》:

T=T*9/5+32,

-32+T=T*9/5,

-32=T*4/5,

-40=T

-40°C=-40°F

温度计

 

对热学的研究

 

热学是研究物质处于热状态时的有关性质和规律的物理学分支,它起源于人类对冷热现象的探索。人类生存在季节交替、气候变幻的自然界中,冷热现象是他们最早观察和认识的自然现象之一。

对中国山西芮城西侯度旧石器时代遗址的考古研究,说明大约180万年前人类已开始使用火;约在公元前二千年中国已有气温反常的记载;在公元前,东西方都出现了热学领域的早期学说。中国战国时代的邹衍创立了五行学说,他把水、火、木、金、土称为五行,认为这是万事万物的根本。古希腊时期,赫拉克利特提出:火、水、土、气是自然界的四种独立元素。这些都是人们对自然界的早期认识。

1714年,华伦海特改良水银温度计,定出华氏温标,建立了温度测量的一个共同的标准,使热学走上了实验科学的道路。经过许多科学家两百年的努力,到1912年,能斯脱提出热力学第三定律后,人们对热的本质才有了正确的认识,并逐步建立起热学的科学理论。

历史上对热的认识,出现过两种对立的观点。18世纪出现过热质说,把热看成是一种不生不灭的流质,一个物体含有的热质多,就具有较高的温度。与此相对立的是把热看成物质的一种运动的形式的观点,俄国科学家罗蒙诺索夫指出热是分子运动的表现。

针对热质说不能解释摩擦生热的困难,许多科学家进行了各种摩擦生热的实验,特别是朗福德的实验,他用钝钻头钻炮筒,因钻头与炮筒内壁摩擦,在几乎没产生碎屑的情况下使水沸腾;1840年以后,焦耳做了一系列的实验,证明热是同大量分子的无规则运动相联系的。

焦耳的实验以精确的数据证实了迈尔热功当量概念的正确性,使人们摈弃了热质说,并为能量守恒定律奠定了实验基础。与此同时,热学的两类实验技术——测温术和量热术也得到了发展。

热学理论有两个方面,一是宏观理论,即热力学;一是微观理论,即统计物理学。这两个方面相辅相成,构成了热学的理论基础。

 

主要贡献

 

华伦海特(DanielGabrielFahrenheit,1686~1736)物理学家。1686年5月24日生于但泽(现格但斯克,波兰)。曾在德国、英国、丹麦和瑞典旅行学习,拜访过许多科学家和仪器制造者,获得仪器制造者的职业。1717年移居荷兰阿姆斯特丹,在这里被核准为仪器制造专家。他建立了一个机械车间,制造温度计、气压计、液体比重计和其他物理学和天文学仪器,并潜心于气象学、物理学方面的研究。

华伦海特1709年发明了第一只实用酒精温度计。1714年又改用水银作测温物质制成水银温度计,定出了历史上第一个经验温标——华氏温标,使温度测量第一次有了统一的标准。从而使热学走上了实验科学的道路。最初华伦海特选用两个固定点:把水、冰和氯化氨或盐的混合物的温度作为一个固定点,定为零度,把健康人的体温作为另一个固定点,定为96度。后又把冰水的混合物作为第三个固定点,定为32度。后来华伦海特又扩展了他的温标,把水在标准大气压下的沸点作为一个固定点,定为212度。1724年正式确立了以他名字命名的温标,同年华伦海特被选为英国皇家学会会员。华氏温标规定冰点(标准大气压下冰与被空气饱和的水之间的平衡温度)为32度,水的沸点(标准大气压下水和水蒸气之间的平衡温度)为212度。历史上以华氏温标所定义的温度叫华氏温度。随着科学技术的进步,人们早就不再用华氏温标。现在一些国家(美国和加拿大等)在许多情况下仍继续使用华氏温度,但这已不是原来的华氏温标所定义的温度,而是按下列数学公式所定义的温度:tF=32+(9/5)t。tF是华氏温度的值,t是摄氏温度的值。华氏温度的单位为华氏度,常用符号是°F。1华氏度的大小恰好等于5/9摄氏度。

华伦海特还进行过一系列的实验研究。他发现了每一种液体都像水一样有一个固定的沸点,液体的沸点随气压的不同而变化,这一发现对精密的计温学是个很大的贡献。他研究了液体的沸点与压强和溶于其中的盐的含量关系,设计成功带气压表的温度计。1721年他发现了水在冰点以下仍保持液态即水的过冷现象。他设计成功新型比重计,编制了物体的比重表。这些为物质热学性质的进一步研究奠定了基础。

 

温标计量

 

由于各种温度计的不断发明和发展,测量温度的标尺——温标也不断出现,它是为了量度物体测试高低而对温度零点和分度方法所作的一种规定,是量度温度的单位制。不同的温标规定温度的标准点和分度的间隔不同。18世纪使用较多的主要有华伦海特温标和摄尔西乌斯温标两种,它们分别以其发明者的名字命名。

华伦海特在荷兰是一个吹玻璃的工人,他从1709年开始制造读数一致的酒精温度计。1714年他知道了阿蒙顿在水银热膨胀方面的研究后,开始制造水银温度计,并发明了净化水银的方法,还第一次倡导在温度计中普遍使用水银,并成功地制成了能在标尺的全量程内给出相同指示的温度计。华伦海特温标条用3个固定点:0°F、32°F和水的沸点212°F。不过,他开始时只选择两个固定点。一个固定点的温度相当于他妻子的体温,定为100°F(以现在的精确测量可知,人的体温约99°F);另一固定点0°F,相当于水银柱在北爱尔兰某个冬日所降低到的最低点。他将这两点之间的距离分成100个等份,每一分称1度。他觉察到这样规定仍是不确定的,后来的华氏温标是把冷的混合物(冰、水、氯化铵和盐)的溶点作为0°F,冰的溶点为32°F,到1724年发表成果时,他画上了水的沸点为212°F,并把水的冰点和沸点之间的180°F,均匀固定了间隔。华氏温标至今还为某些国家所采用。华伦海特在了解到阿蒙顿关于“水只在确定的热度时沸腾”的发现后,利用华氏温标的温度计成功地确定了下述事实:不同的液体是不同的,但是“确定的热度”时沸腾。除水的沸点为212°F外,他测定的物质还有:热度是48°F、比重为0.826的酒精的沸点是176°F;热度是48°F、比重为1.878的浓硫酸的沸点是546°F……1742年瑞典天文学家摄尔西乌斯引入了百分刻度制。起初他把水的沸点定为0°C,而把冰的熔点作为100°C。把这两个固定点的标度值对换过来而以冰点为0°C,是8年后摄尔西乌斯的同事施勒默尔采用的,即现在的百分温标。不过,目前在工业生产和科学实验中采用的是1968年“国际实用温标”,摄氏温标已废弃不用。现在所用的摄氏度是指国际摄氏度而言。由于采用绝对零度,“百分”一词不再使用。

 

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