带大家了解隐藏在我们身边的怪盗 —— 体温计

中科院物理所
2022-12-08 15:28

原文标题：《隐藏在身边的怪盗，不知不觉中 "偷走" 了我们的“私密信息”？》

作案动机：温度计的起源

在体温计问世以前，人们早已知道发热与疾病之间存在着某种内在联系，但由于技术的限制，人们只能通过用手摸额头、脸颊等部位来感受体温的变化，小伙伴们发烧的时候应该都使用过这种古法体温测量吧~

1593 年意大利物理学家伽利略（Galileo Galilei）进行了一项研究：取一根一端开口、另一端呈空心玻璃泡的连通玻璃管，在管内注入一些水后倒转，使其开口向下放入同样盛有水的另外一个容器中。当玻璃球温度升高时，内部气体膨胀，液面的高度 h 下降；当玻璃球温度降低时，内部气体收缩，液面的高度 h 上升。如果在玻璃管上标注刻度，就能在一定程度上反映出温度的变化。由于盛水的容器与外界大气联通，所以对温度的测量会受到大气压等环境因素的影响，误差较大，并不够准确。

伽利略装置示意图与实物图

意大利医生桑克托瑞尔（Santorio Santorio）在诊病中发现，人体的排汗现象与病情有关，排汗又与温度相关，于是他改进伽利略的温度计并标上刻度。但模型很笨重，不够实用，而且需要相当多的时间才能准确地测出病人的体温。

1654 年，托斯卡纳的大公费迪南多二世（Ferdinand II）制造了世界第一支酒精温度计。他实验了多种液体，发现酒精在受热之后体积变化比较显著，于是向一端带有玻璃管的玻璃球内注入酒精，再加热玻璃球，使得酒精挥发排出管内的空气，最后密封玻璃管。他对温度计的改进排除了大气压的影响，但由于酒精沸点低，无法测量沸水的温度。

1714 年，德国物理学家加百列・丹尼尔・华伦海特（Gabriel Daniel Fahrenheit）开始研究液体热胀冷缩的性质，他发现水银的膨胀与收缩比酒精更加剧烈，于是将水银灌入温度计内，制成了第一支水银温度计。

到了 19 世纪中期，温度计的运输和使用仍然很麻烦，医用温度计仍然有一英尺长（30.28 厘米），并且需要长达 20 分钟才能测出准确的温度读数。1866 年至 1867 年间，托马斯-克利福德-奥尔布特爵士（Thomas Clifford Allbutt）设计了一种医学温度计，它更便于携带，只有 6 英寸长，只需 5 分钟就能记录病人的体温。

作案手段：温标的形成

从“作案”可行性的角度来分析，精确的度量标准，必定是“盗取”体温信息重要手段。

1724 年，加百列・丹尼尔・华伦海特将水、冰和氯化铵混合，达到了当时能够记录的最低温度，并将其定为 0 度，以此为标准确定冰水混合物的温度为 32 度；由于酒精沸点较低，无法承受沸水的温度，因此在水银温度计面世之后，又测定了水在大气压下的沸点为 212 度；他将温度计置于人的口中或者腋下，确定人的体温为 96 度。这是历史上第一个经过精确标定的温度计计量标准，他以自己的名字命名，即华氏温标 —— 单位：华氏度（℉）。

华氏温标示意图

1742 年，瑞典天文学家安德斯・摄尔西尔斯（Anders Celsius）发明了另外一种以百分度计的温标：将一个大气压下水的沸点规定为 0 度，冰水混合物规定为 100 度，两者之间均分为 100 个刻度。后来为了方便使用，卡尔・林耐（Carolus Linnaeus）又将其颠倒过来，形成了现在通用的温标。1948 年，为纪念摄尔西尔斯，在一个关于测量的国际会议上规定将百分度温标称为摄氏温标 —— 单位：摄氏度（℃）。

摄氏温标示意图

华氏温标（F）与摄氏温标（C）的换算关系为：

追查“嫌疑人”：现代温度计

接下来，我们分析几个可疑的“嫌疑人”，通过排除法确定“犯人”。

水银体温计

说到体温计，大家最熟悉的就是水银体温计了，与华伦海特的第一支水银温度计相同，利用水银热胀冷缩的原理，实现对温度的测量。但现代体温计使用起来更加方便，性能更加可靠。

水银储存在末端的玻璃泡内，使用温度计测量体温时，玻璃泡温度升高时，水银发生膨胀进入细玻璃管内，通过水银柱末端的刻度指示温度的变化。

水银体温计

水银体温计下部靠近玻璃泡的部位有一个非常狭窄的曲颈缩口。当体温计离开身体后，水银变冷收缩。由于水银在玻璃上不浸润，并且水银局部收缩的速度要比缩口处液体的流动速度快（收缩的水银来不及流回到玻璃泡内），因此水银柱会在缩口处“断开”，使得细管内的水银无法退回玻璃泡内，便于稳定读数。所以每次用体温计之前都要甩一甩，将水银柱甩回玻璃泡内。