華氏、攝氏、克氏溫標與自製簡易溫度計 / 李啟讓、洪振方

星期一 , 4, 三月 2019 Leave a comment

華氏、攝氏、克氏溫標與自製簡易溫度計

李啟讓1, *、洪振方2

國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
*li483739@yahoo.com.tw

l  前言

  在國中自然與生活科技課程的溫度與熱曾教過華氏溫標、攝氏溫標,學生會問老師為何水結冰的華氏溫度是32
且在普通高中基礎化學()
氣體定律學習克氏溫標,學生也常問老師絕對零度是怎麼訂出來的?因此本文簡單介紹華氏溫標、攝氏溫標、克氏溫標與溫度計的科學史,並從物質受溫度影響規律性的變化量,動手自製簡易溫度計用來量測自己體溫。

l  華氏溫標

    德國物理學家華倫海特Daniel Gabriel Fahrenheit 16861736)1709年觀察了水的沸騰溫度、水和冰混合時的溫度、鹽水和冰混合時的溫度;經過反覆實驗與核准,最後把一定濃度的鹽水凝固時的溫度定為0℉,把純水凝固時的溫度定為32℉,把一大氣壓下水沸騰的溫度定為212℉,用為華氏溫度的單位,這就是華氏溫標。目前全世界只剩巴哈馬貝里斯開曼群島帛琉美國及其屬地還在使用華倫海特的華氏溫標。華氏溫度與攝氏溫度的關係為華氏溫度(℉)9/5*攝氏溫度(℃)+32

l  攝氏溫標

  在華氏溫標製定的30多年後,瑞典天文學家攝爾修斯Anders Celsius170117441742年改進了華倫海特溫度溫標的刻度,他把純水的沸點與凝固點劃分為100個刻度,攝爾修斯創新的刻度,比華倫特的簡便得多,所以更受到人們的歡迎,就成了現在的百分制溫度,即攝氏溫標,用為單位如1。攝氏溫度與華氏溫度的關係為攝氏溫度(℃)59*(華氏溫度(℉)-32)

clip_image002

   1溫度計,外圈為華氏溫標,內圈則為攝氏溫標(取自https://zh.wikipedia.org/zh-tw/華氏溫標

l  克氏溫標

    在十七世紀末,法國科學家阿蒙頓GuillaumeAmontons16631705)開始探討氣體的壓力與溫度關係,後來的兩位法國科學家查爾斯Jacques Charles1746 1823給呂薩克Joseph-Louis Gay-Lussac17781850)接續研究,發現密度甚低的定量氣體,在其體積保持不變的情況下,其壓力的變化和溫度呈線性的關係。後來的兩位法國科學家查爾斯給呂薩克接續研究,發現密度甚低的定量氣體,在其體積保持不變的情況下,其壓力和溫度呈線性的關係。若以壓力對攝氏溫度作圖,可以看出壓力和攝氏溫度的關係為不通過原點的斜直線。不同量氣體的直線,其斜率也不相同,但與溫度軸相交於同一點;此值由各種實驗發現為-273.15°C。這是最低的溫度極限,稱為絕對零度,在這個溫度下,氣體壓力為0,如2

clip_image004

2定容、定量的低密度氣體,其壓力與溫度之關係(姚珩等,2018)

西元1802年,給呂薩克參考查爾斯的研究後發現,定量的氣體在定壓下,當溫度升高時,則體積也會增加,且體積的增加量與溫度的增加量成正比。不同氣體的體積與溫度均有直線關係。若將各條直線向左下方延長﹐它們相交於一點﹐且此交點會落在溫度軸上,均可發現交點所在之值為-273.15
°C
,如3
clip_image006

3 定壓﹑定量的低密度氣體﹐其體積與溫度之關係(源自姚珩等,2018)

 因此,在西元1848年,英國科學家克耳文爵士建議採用絕對溫標,規定每度之間的大小與攝氏溫標相同,但取273.15°C為溫標的零度。此絕對溫標也稱為克氏溫標,其單位為克耳文,記為K;因此,絕對零度為0K,而0°C則為273.15K。絕對溫度和攝氏溫度之間的換算關係為絕對溫度(K )=攝氏溫度(℃)+273.15

l  如何讓溫度接近絕對零度並加以測量?

溫度在科學上的意義是物質裡含有能量多寡的一種度量。空氣分子熱的時候移動得快,有較高的動能。分子越冷,速度就越低,能量也越少。溫度冷卻的過程需要從一個物體取出能量,然後將它排放到其他的地方。藉著結合雷射冷卻與蒸發冷卻,科學家已經可以讓一團氣體原子的溫度,降到1nK(即1nanokelvin10-9K)以下。現在的紀錄是450pK1picokelvin10-12K)。如何來測量這些原子的極低溫度?一個方法是直接觀看原子雲的大小。原子雲越大,原子內的能量一定越高,因為它們可以抵抗磁力而跑得更遠。另一種方法是測量原子的動能,將磁阱關掉,沒有磁力時原子會飛開,使得原子雲不受阻礙而膨脹。原子雲隨時間變大,這是一種觀測原子速度的直接方式,因此可以得到溫度。在一定的膨脹時間後,如果看到的原子雲較小,則意味著達到較低的溫度(凱特利,
2004)

l  伽利略溫度計

    伽利略溫度計是義大利科學家伽利略(15641642)1593年發明的,伽利略溫度計是一種由玻璃圓筒、透明液體及不同密度的重物所構成的溫度計。容器中的透明液體為乙醚或有機化合物等,對「溫度」非常敏感,當溫度改變時,液體的密度會隨之改變。根據阿基米德的浮力原理,液體密度越大(溫度越低),所提供的浮力越大,玻璃圓筒底下的球也能浮起。判讀溫度的方法是,由上方液面往下數最後那顆重物的溫度近似於待測的溫度,如圖4箭頭所指的溫度。
    華倫海特在1709年利用酒精,在1714年又利用水銀作為測量物質,製成華氏溫度計。經過30多年,瑞典天文學家攝爾修斯於1742年改進了華倫海特溫度計的刻度製造了現行通用的攝氏溫度計。目前溫度計的種類很多,根據所用測溫物質的不同和測溫範圍的不同,有煤油溫度計、酒精溫度計、水銀溫度計、氣體溫度計、電阻溫度計、溫差電偶溫度計、輻射溫度計和光測溫度計等。
                                    

clip_image008

           4伽利略溫度計(取自https://zh.wikipedia.org/zh/伽利略溫度計)

l  自製簡易溫度計

    利用物質受溫度的影響加以量化其規律性變化量,便可以製成一個溫度計。酒精的凝固點是-114 ,沸點是78 水的凝固點是0 ,沸點是100 ;因為酒精體積改變較水顯著,因此,用較多量的酒精與較少量的水作為測量物質。以下我們利用熱漲冷縮的原理製成一個簡易溫度計(黃福坤2011)。注意,酒精為易燃物質應盡量遠離火源。

一、器材如下:

自來水、優質酒精(95%)、透明容器、藍色食用色素、吸管(最好是管壁比較厚的不會彎折的吸管)、用於記錄溫度的紙和筆、直尺、有孔橡皮塞或手工陶土、透明膠帶。

二、實驗步骤第一步:因為酒精體積隨溫度改變優於水,管柱上升和下降改變會較顯著,可使觀察更方便。所以用優質酒精與自來水體積比約8:2配成混合溶液(測量物質)在混合溶液加入藍色食用色素。

第二步:混合溶液加滿透明容器組合橡皮塞與吸管並封住瓶口,並使溶液高出橡皮塞。然後用手工陶土將吸管與容器頂部之間的縫隙封起來。注意,只要有縫隙或氣泡,溫度計就會不準,且吸管最好用透明且細長,較能看清液柱體積改變量。

第三步:標刻度。用透明膠帶將吸管固定直尺,如圖5。靜置透容器一段時間液柱停穩處就是室溫(27
℃)
,直尺的液面刻度讀數為2.4cm;再將容器放入43℃的溫水中,直尺的液面刻度讀數為10.5
cm
。此時,
你已自創一個自己獨特的溫度單位的簡易溫度計。注意,管柱上升較慢要有耐心觀察,紀錄最高刻度。

第四步:測量溫度。先用市售溫度計測量自己雙手溫度(35℃),然後用雙手捂住自製溫度計約10分鐘測量自己雙手溫度?測得直尺的液面刻度讀數為5.4cm應用比例關係的長度比例=溫度比例,(5.4-2.4)(10.5-2.4)=(x-27)(43-27),計算後得到x(實驗值)=32.9℃。自製簡易溫度計的測量百分誤差= (35-32.9)/35 = 0.06 = 6 %。實驗時調配的酒精與水的比例不同數據也不同,以上實驗數據僅供參考。

clip_image010 

5自製簡易溫度計

l  參考文獻

1.        https://zh.wikipedia.org/zh-tw/華氏溫標

2.         姚珩、張嘉弘、施華強、李重賢、鍾彩霞與陳東閔(2018)普通高級中學選修物理(上)教師備課用書30-32頁。台南市:翰林出版。

3.         凱特利(2004) 。如何讓溫度接近絕對零度並加以測量。科學人雜誌,第28期,第134頁。

4.         https://zh.wikipedia.org/zh/伽利略溫度計

5.黃福坤(2011)用尺做簡易溫度計。http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/html.php?html=Notes/ruler/index

1784 Total Views 6 Views Today
Print Friendly, PDF & Email

Please give us your valuable comment

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *