華氏、攝氏、克氏溫標與自製簡易溫度計 / 李啟讓、洪振方
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
(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。
l 攝氏溫標
(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)
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(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。
(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;因此,絕對零度為,而則為。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,)以下。現在的紀錄是450pK(1picokelvin為)。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:
手工陶土、透明膠帶。
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
https://zh.wikipedia.org/zh-tw/華氏溫標
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。
https://zh.wikipedia.org/zh/伽利略溫度計
http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/html.php?html=Notes/ruler/index