臺灣化學教育

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
*[email protected]

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(三)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， 1686－1736)在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 Celsius，1701－1744）於1742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℃為單位如圖1。攝氏溫度與華氏溫度的關係為攝氏溫度(℃)＝5／9*(華氏溫度(℉)-32)。

   圖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（GuillaumeAmontons﹐1663～1705）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 Charles﹐1746 ～1823）與給呂薩克（Joseph-Louis Gay-Lussac﹐1778～1850）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與給呂薩克接續研究，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，如圖2。

圖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，如圖3。

圖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1nanokelvin，10^-9K）以下。現在的紀錄是450pK（1picokelvin為10^-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(1564～1642)在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。
                                    

           圖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。靜置透明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；再將透明容器放入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值(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。

 

圖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