計溫學與量熱學
1.計溫學（測溫學）

冷和熱這兩個詞習慣上指兩種完全相反的感覺，也經(jīng)常表示對這兩種感覺物理原因的推測，如果一個物體能對我們產(chǎn)生冷和熱的作用，就推測它是冷的或是熱的，或認為它包含冷或熱。在亞里士多德的哲學體系中，冷和熱都屬于基本的性質(zhì)，它們和干與濕一起構成四元素。

在近代，對熱現(xiàn)象的實驗研究是從測量"熱度"開始的，在科學地定義溫度概念之前，人們往往把溫度的變化與物體所含熱量的多少混為一談，用"熱度"來表示。如要定量地測定熱度，許多科學家致力于測溫計的研制。

1593年，伽利略制造了一個空氣測溫計，它是利用空氣受熱膨脹的道理來反映溫度變化的?？墒怯捎谒脑O計不好，影響氣體膨脹的因素太多，所以這一儀器不能準確地表示溫度的變化，后來它就很快地為液體測溫計所代替。

1641-1645年間，意大利西門圖學院的科學家制造了一種用帶色的酒精作材料的液體溫度計，并在該儀器上標出刻度。以后，科學家們一方面尋找更理想的材料，另一方面改進標記刻度的方法。經(jīng)過半個多世紀的努力，終于形成了三種較為適用的溫標，這就是世界上仍在通行的華氏、攝氏和勒氏溫標。

由于生產(chǎn)技術的發(fā)展，要求對熱現(xiàn)象進行定量的研究，溫度計的制作和改進最初是和進行氣象觀測的實際需要相聯(lián)系的，直到十八世紀末，液體溫度計才制得校為完善，"溫標"的概念也已逐步形成。

1714年，德國人華侖海特(1686-1736年）制造出一種充填水銀的溫度計。雖然他不是水銀溫度計的發(fā)明者，但是由于他發(fā)明了凈化水銀的辦法而使這一液體得以在溫度計中普遍采用。1724年，他被選到倫敦皇家學會，同一年，他投寄給《哲學會報》五篇用拉丁文寫的短文，第一次揭示了他制作溫度計的過程。

華侖海特作了兩種溫度計：一種裝上酒精；另一種裝上水銀。從他的第一篇論文看來，他那時所用的溫度計選用了兩個固定點：結冰的鹽水混合物的溫度和人體血液的溫度，并把它們之間的間隔分成96度。從他的第二篇論文看來，他還使用了冰和水混合的溫度32度決定了第三個固定點。他敘述說："那些溫度計的刻度僅僅是使用在始于零度和止于96度的氣象觀察而已。這個刻度取決于三個固定點的測定，它們是用如下方法得到的：首先，最低點……是以冰、水和氨化銨或海鹽的混合物來確定的，如果把溫度計浸在這種混合物中，則液體降落到記為零的點。這個試驗在冬天比在夏天更成功。第二點是這樣得到的，如果混合物是由水和冰混合而成，但沒有剛才所說的鹽，如把溫度計浸在這種混合物中，則溫度將固定為32度。第三點是96度，如果溫度計是放入健康人的口中與腋下，酒精就膨脹到這一點。"以后他又增加了水的沸點212度作為第四個固定點，這是在測量標準大氣壓下水的沸點時確定的。他發(fā)現(xiàn)，同一種液體的沸點將隨氣壓的降低而減小。利用這一關系，他把溫度計與氣壓計聯(lián)合起來，制造了一種溫度氣壓計。華侖海特的溫度標記方法稱為華氏溫標，用°F來表示。他的溫度計和溫標在英美國家中最為流行。

1730年，法國人勒奧默(1683-1757年）制造了一種酒精溫度計。他反對使用水銀這種膨脹系數(shù)較小的材料而選用酒精。他采用的溫標是以水的冰點為零度，水的沸點為第二固定點，把其間分為80等份。這是因為他通過實驗發(fā)現(xiàn)，酒精的體積如果在水的冰點時為1000份，當它達到水的沸點時體積變?yōu)?080份，所以他定點水的沸點為80度。這樣，酒精的體積在每一勒氏度之間就膨脹了原體積的1/1000，勒氏溫標較多地為德國人采用。

1742年，瑞典人攝爾修斯(1701-1744年）確立了另一種溫標。他把水銀溫度計插入正在溶解的雪中，定出冰點，然后把這溫度計插入沸騰的水中，定為沸點。并把冰點和沸點之間的間隔等分為100格，為了免得測量低溫時出現(xiàn)負數(shù)，他把水的沸點定為零度，而冰點定為100度。這樣一來溫度越高，度數(shù)越低，使用起來不太方便。八年之后，由攝爾修斯的同事施勒默爾建議，把這標度倒轉過來，以冰點為0℃沸點為100℃這樣使用起來更為方便，這種改進溫標就是后來的百分溫標。1948年，第九屆國際計量大會根據(jù)"名從主人"的慣例，把百分溫標重新命名為"攝氏溫標"，單位是攝氏度，用℃表示。它曾在法國占據(jù)優(yōu)勢，并長期為科學界所采用。

溫度計的發(fā)明和改進為測量溫度的變化提供了便利，對熱學的發(fā)展有著積極作用，一方面，為了定出溫標，需要確定一些"定點"，這導致關于冰和其他物質(zhì)在一定條件下熔點恒定不變的事實的發(fā)現(xiàn)；另一方面，為了找出合適的測溫質(zhì)，促進了對一些熱膨脹規(guī)律的研究，首先是氣體，其次是酒精、水銀等物質(zhì)。

2.量熱學

由于溫度計的發(fā)明和改進，有了科學的熱量概念和精密的量熱儀表，熱學才真正地走上了獨立發(fā)展的道路。

從17世紀起，意大利的科學家們通過實驗發(fā)現(xiàn)，在同一溫度下具有相同重量的不同液體分別與冰混合時，冰被融化的數(shù)量各不相同，這表明不同物質(zhì)的放熱能力不同(即相同重量的不同物質(zhì)在下降相同的溫度時放出的熱量不同）。起初，有人認為，物質(zhì)的這種能力可能與它們的密度有關，密度越大，物質(zhì)吸收或放熱的能力越大?？墒侨A侖海特通過實驗發(fā)現(xiàn)，水銀的吸或放熱能力僅僅是同體積水的三分之二，這就打破了上述猜想。

由于化學中對燃燒現(xiàn)象的研究，化學開始向熱學滲透，熱化學即隨之誕生，正是在熱化學的研究中，大約在1760年，英國化學家布萊克進一步研究了這一問題，他做了如下的實驗：把溫度為150℃的金子與同重量的50℃的水相混合，它們達到的平衡溫度為55℃。這時金子的溫度下降了95℃，而水的溫度只升高5℃，可見相同重量的金子每下降或上升一度時它們的放熱與吸熱能力之比為1∶19。這個實驗說明物質(zhì)的吸熱與放熱能力與它們的密度并不是成比例地變化的。布萊克通過實驗比較了各種物質(zhì)與同重量但不同溫度的水混合達到熱平衡后的溫度變化，從而推算出這些物質(zhì)每升高或降低一度時它們吸收或放出熱量與同重量的水吸收或放出熱的比值。他把這個比值叫做物質(zhì)的熱容量，其實它就是物質(zhì)的比熱。由于測出了各種物質(zhì)的比熱，這樣，就從測溫學中逐漸發(fā)展出了量熱術。這就是我們今天在物理學中用△Q＝Cm△t(C為比熱，△t為溫度差，m為質(zhì)量，△Q為熱量）的公式來求出物體吸收或放出熱量的方法。

布萊克在熱學方面的另一項重要工作就是他研究了物態(tài)變化中的熱現(xiàn)象。大約從1756年起，他就考慮了為什么在冰融化為水和水變?yōu)槠麜r，物質(zhì)吸收了大量的熱而溫度卻不升高。他認為這可能是由于熱潛藏起來的緣故。他把這種不表現(xiàn)溫度升高的熱叫做潛熱，并用冰＋潛熱＝水，水＋潛熱＝汽的公式說明了上述現(xiàn)象。1762年，他測出冰變?yōu)樗畷r所吸收的潛能是同重量的水升高一度時吸收熱量的78倍；水汽化時吸收的潛熱是同重量的水升高一度時吸收熱量的450倍。潛熱和熱容量的發(fā)現(xiàn)為人們研究不同材料的吸或放熱現(xiàn)象及熱傳導能力提供了理論指導。瓦特在研制蒸汽機時就曾借助于布萊克的理論改進了汽缸的絕熱性能，并增加了一個與汽缸分離的冷凝器以減少汽缸中蒸汽損失的熱量，從而提高了熱機的效率。

布萊克的工作由拉瓦錫和拉普拉斯等人加以發(fā)展，他們把一磅水升高或降低1℃時所需要的熱作為熱量的單位，稱作卡。1780年，麥根侖首先使用了比熱這一術語，并把它定義為物質(zhì)在一給定溫度下單位物質(zhì)質(zhì)量中所含的全部熱量。隨后，拉瓦錫等人通過液體與同重量但不同溫度的水相混合的辦法測定了各種液體的比熱，同時還給出了求比熱的一般公式。他們發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)的比熱并不是不變的，在不同溫度下略有差別，不過在通常溫度下可以認為幾乎沒有變化罷了。

由于布萊克等人把"溫度"和"熱量"這樣兩個不同的熱學概念區(qū)別開來，并提出了"比熱"和"潛熱"這些新的熱學概念，從而開創(chuàng)了量熱學這門新的學科。