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为什么水银会被用于温度计?

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为什么水银会被用于温度计?

发布日期:2019-09-27 作者: 点击:

原则上,特性明显随温度变化的任何物质都可以用来测量温度。我们也可以用一种颜色随温度变化的物质,在物质发出蓝色光时,人们能识别出温度高,当它散发出红色光时,可识别出温度低。

类似地,当温度上升或下降时,细小玻璃管里的水会上升或下降。这是每一个密封的、装有液体的温度计的工作原理。然而,如果像水这样丰富且廉价的东西就能如此有效,为什么我们坚持用如水银这样极其稀有还昂贵的东西呢?

在一个温度计发明后的几个世纪,人类了解到了热力学温度。因此,当初温度计定义了温度。然而,首先一个温度计不是温度测量器或热量测量仪,而是测温范围器,仅仅表示温度是高还是低。这些设备没有校准到一个标准范围,它们只能做出粗略或模糊的评估。

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首先一个温度计的发明要归功于亚历山大港的希罗,他是一位求知欲强的工程师,被认为是古代较伟大的实验者。他设计的装置由一个充满空气的管子组成,它的末端淹没在一小碗水里。当测温器接触到热或冷表面时,空气会膨胀或收缩,导致空气-水界面波动。

甚至伽利略的发明也遵循同样的原理。然而,这些发明不仅没有任何刻度,而且对空气的压力也很敏感。为了设计出只对热量做出反应的装置,伽利略的学生Joseph Delmedigo发明一个密封的液体内置玻璃温度计。这是首个广西仪表,因为它被标上了刻度。然而,他所密封的液体不是水,而是酒精。

恒定压力下,物质在加热情况下膨胀,因为热量提升了原子的动能,导致它们剧烈运动,从而彼此分离。体积的增加在金属铁轨、橡胶轮胎等固体和水、酒精、水银和卤素等液体中表现明显。然而,温度每上升一度,每种物质的膨胀程度都是不同的。这个物质常数叫做膨胀系数。

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酒精比水更受青睐,原因很简单,因为它拥有更高的膨胀系数。即使是很小的温度变化,也会导致它在管内的体积发生剧烈的变化。然而,酒精太易受影响,以至于这些变化会导致管里的酒精表现几乎动荡不安。液体界面会随着温度的微小变化而不断变化。这种变幻莫测令人担忧,因为当温度计从一锅沸腾的水里取出时,读数就会立即变成新环境的温度,无法测量我们想要的开水温度。

为了避开这种不可靠性,荷兰发明家丹尼尔华伦海特以水银取代了酒精。水银的膨胀系数高于水,这意味着其体积随温度的变化更明显。不过,它的变化值比酒精几乎少六倍。也就是说,温度每上升一度,酒精体积上升比水银体积要大6倍。

这意味着,在密封的玻璃管中,水银的上升速度将比酒精慢得多,但广西仪器仪表也表示,当温度计从装满沸水的锅中取出时,水银的下降速度会同样缓慢。它的读数将有效地不受干扰,使温度计非常可靠。


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