温度计

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温度计是一种用于测量温度或温度梯度的仪器。温度计中有两种最基本的元件，一是温度感测器（如：水银温度计里的水银、红外线温度计的高温感测器)，状态随温度变化而改变；二是将以上变化转为数值的方式（如：用于目视读值的刻度、体温计上的数位显示）。温度计广泛用于气象学、医疗、科研以及工业和科技领域的制程监控等。

## 温标

个别温度计皆可测温，但若要比较两温度计的读值，二者必须有相同的温标，相同温度会有相同的数值。

目前常用的温标，主要有绝大多数国家采用的摄氏（纯水冰点为0℃、沸点为100℃），以及美国等国家使用的华氏（冰点为32℉、沸点为212℉）。某些科学领域会用绝对热力学温度，国际公认温标也大致近似热力学温度，以定点和插入温度计的方式测量。最晚近的国际公用温标是国际实用温标，从0.65K到约1358K。

## 历史

### 密封式玻璃液体温度计

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早期的温度计利用气体受热膨胀的原理，因此同时也是气压表，对气压很敏感。1629年时，伽利略和意大利物理学家桑托里奥（Santorio Santorio）的学生约瑟夫·所罗门·德尔梅迪戈，发表了有关密封玻璃液体温度计的叙述和图示，一般也认为这是第一篇有关此类温度计的文献。此类温度计是密封的玻璃管，底部有一球状物，管内有半满的白兰地，管上有刻度。德尔梅迪戈没有声称他发明了此仪器，也没有提到任何人发明了此仪器。约在1654年时，托斯卡纳大公斐迪南二世（1610–1670）造出了此仪器，为第一个现代意义上的温度计，仅与液体膨胀有关，和气压无关。许多科学家也尝试使用不同液体和设计，而当时每一个温度计都独一无二，因为还没有统一的温标。

### 精准的测温

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1714年时，发明家暨科学家丹尼尔·加布里埃尔·华伦海特首次发明了可靠的温度计，他以水银温度计取代当时填充水和酒精的酒精温度计。他于1724年提出了温标，即现在的华氏温标（有略作调整）。1742年时，安德斯·摄尔修斯（1701–1744）提出了另一种温标，当时以水的沸点为0度，水的冰点为100度，不过后来摄氏度使用的定义和他当初的不同。法国昆虫学家勒内-安托万·费尔绍·德·列奥米尔在1730年发明了酒精温度计以及列氏温标，但最后证实其不如水银可靠。

## 物理原理

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温度计可分为绝对和经验温度计：绝对温度计以热力学绝对温度来校正，经验温度计在特定温度的读值不一定和绝对温度计完全一致。但经验温度计和绝对温度计需以以下方式维持一致：给定两物体，各自隔离、热平衡状态下，两温度计对两个物体何者温度较高或温度相等，结果需一致。针对两个经验温度计，上述要求不代表彼此之间的关系是线性的，但是要求两者的关系是严格单调函数；以上为温度和温度计的基本特性。

本条目的“一级和二级温度计”章节中，有列出许多经验温度计运作的原理。许多原理是建立在特定物质特性和温度之间的本构关系。只有某些物质适合用在此类用途，称为“测温材料”。辐射测温法和前述方式不同，为透过物质黑体辐射的普遍特性，并非特定物质独有，因此辐射测温法为普遍采用的方法。

### 测温材料

许多经验温度计的原理依据测温材料温度、压力和体积之间的本构关系，如水银受热会膨胀。

若测温方式是使用测温材料温、压和和体积之间的关系，则需要符合以下三个性质：

- 此物质要能快速加热，快速冷却。当定量的热进入（或离开）此物质，此物质需膨胀或收缩到其最终体积，或达到最终压力，而且要几乎立刻达到其最终温度。有些热量视为用来改变此物体定温下的体积，称为“定温下的膨胀潜热”，其余热量视为在定容下改变其温度，称为定容比热容。有些物质没有此特性，需要时间用热来改变温度以及使体积变化。
- 其加热和冷却必须可逆。即此物质可以用相同的热增加量加热，再用相同的热减少量冷却，且可以无限次重复，每一次都可以回复到原来的温度、压力和体积。有些塑胶没有此一特性。
- 其加热和冷却的特性变化需为单调。所谓单调，即在其运作的整个温度范围内。

〔甲〕定压下，要么

㈠体积随温度增加而增加，要么

㈡体积随温度增加而减少。

但不能某些温度㈠成立、某些温度㈡成立；或

〔乙〕定容下，要么

㈢压力随温度增加而增加，要么

㈣压力随温度增加而减少。

但不能某些温度㈢成立，某些温度㈣成立。

温度在摄氏4度附近时，水不符合㈢的单调性，在此区间温度与体积关系异常，因此摄氏4度左右不适合用水测温。

气体满足上述特性1、2、3甲㈠和3乙㈢，为适合测温的材料，因此气体在测温学上很重要。

### 定容温度计

依照Preston（1894/1904）记载，亨利·维克托·勒尼奥发现定压温度计的限制，以及其校正的麻烦，因此制作了定容气体温度计。定容温度计无法避免物质的异常行为，例如水在约4°C时表现出的热缩冷胀。

### 辐射测温

若考虑一个完全不透明、以低反射率材料制成的刚性腔体，其中电磁辐射的功率谱密度可以用普朗克黑体辐射定律非常精确地定量描述，当该系统达到了热力学平衡时，该功率谱密度是绝对热力学温度的函数。腔壁上够小的孔会发射出接近接近黑体辐射的辐射，可以精准量测其光谱辐射。腔体不限材料，只要材料是完全不透明，且反射率低即可。

## 一级和二级温度计

一级温度计（primary thermometer）和二级温度计（secondary thermometer）的差异是如何将温度计量到的原始物理量对应到温度。根据Kauppinen等人的摘要，“在一级温度计中，对于所量测的物理量已有足够的认识，可以直接计算温度，不需透过其他未知的量。这类温度计的例子有使用气体状态方程式、音速、电阻的热噪声电压或电流、特定放射性衰变的原子核在磁场中，伽马射线幅射的角度各向异性。”

相对的，“二级温度计因为方便而广为使用。这些温度计比一级温度计更加敏感。在二级温度计中，有关量测物理量的资讯不足以直接计算温度。需要在至少一个固定温度（或多个固定温度）下和一级温度计校正。这类固定点，比如三相点和超导转态，会在相同温度下一再出现。”

## 间接测温法

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热膨胀

- 利用不同物质的相，热胀冷缩的特点。
- 二个有不同膨胀系数的固态材料可以作双金属温度计，宝玑温度计也使用此一原理。
- 液体在常用的温度范围内，膨胀系数较大，这形成了酒精温度计和水银温度计的基础。其他使用此原理的温度计有颠倒温度计和贝克曼温度计。
- 气体也可以作温度计使用，即气体温度计。

压力

- 蒸气压温度计

密度

- 伽利略温度计

热致变色

有些化合物在不同的温度下会热致变色。因此利用调整许多化合物的转态温度，可以将温度量化在一些离散的点上，这也是数字化的一种。这是液晶温度计的基础。

带隙热学（Band edge thermometry，BET）

带隙热学利用半导体材料带隙随温度变化的特性，提供准确的光学（非接触式）温度量测BET系统需要特制的光学系统，以及配合的资料分析软件。

热体辐射：

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温度超过绝对零度的物体都会产生黑体辐射，其频谱直接和绝对温度成正比。此性质是高温计、红外线温度计和热成像的基础。其优点是可相隔一段距离的温度量测，不需接触待测物，甚至也不用像其他温度计一样要靠近待测物。若温度较高时，黑体辐射的频率在可见光频段，可以用其对应的色温来描述。例如发光的加热元件或恒星表面温度的近似值都可以用此方式量测。

萤光

- 磷光测温法

光吸收频谱

- 光纤温度计

电阻

- 电阻温度计（Electrical resistance thermometer），其成分可能是巴尔可合金
- 热敏电阻温度计
- 库仑阻塞温度计

电压

- 热电偶可以用在温度量测上，范围从冷冻的低温到超过1000°C的温度，但其误差在±0.5-1.5°C。
- 硅带隙温度感测器是积体电路中常见的温度感测装置，常会配合类比数位转换器（ADC）或是像I2C的界面。其工作范围一般是在—50到150°C之间，精度在±0.25到1°C，但可以用产品分类提升其精度。

电共振

- 石英温度计

核磁共振

- 化学位移具有温度依赖性。此特性常用于校准核磁共振探头的恒温器，通常使用甲醇或乙二醇作为校准物质。这对于内标准物（internal standard）而言可能存在问题；通常会假设内标准物具有固定的化学位移（例如TMS定义为0 ppm），但实际上它们仍会表现出温度依赖性。

磁化率

- 顺磁性材料在温度超过居里点时，其磁化率会随温度增加而减少。这是磁性低温计的原理基础。

## 应用

温度计可以运用不同的物理现象来量测温度。温度计可应用在许多不同的科学和工程用例（尤其量测系统）。温度量测系统一般为机械性或电气，有时会和要量测的系统结合在一起，无法分开（例如使用水银温度计时）。温度计会用在铁路上，在寒冷天气检查是否有结冰。在室内应用中，热敏电阻可用在空调、加热器、冰箱以及水加热器等。伽利略温度计因为量测温度范围有限，会用于量测室内温度。

液晶温度计（其中会用热致变色液晶）也会用在情绪戒指里，也会用于量测鱼缸内的温度。

光纤光栅温度感测器会用在核电厂设备中，用在监控堆芯温度，避免其堆芯熔毁。

### 奈米测温

奈米测温是利用奈米结构下温度效应进行量测的先进研究领域。传统的温度量测方式无法量测尺度在微米以下的物体，因此需发展新的技术。奈米测温可以分为冷发光测温（使用光来量测温度）以及非冷发光测温（其量热特性和冷发光无关）。

### 低温计

低温计是专门量测低温的温度计。若是一般应用下的低温，会用酒精温度计量测，量测最低温度可以到−38°C。

严格意义下的低温，会低于酒精的凝固点，需要利用其他的物质特性来来低温下进行量测。像热电偶、蒸气压温度计、电阻温度计都可以在更低的温度下量测。

### 医疗

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- 耳温计多半是红外线温度计
- 额温计会使用液晶温度计
- 肛温计和口腔温度以往会使用水银温度计，但目前已改用热敏电阻再配合数位显示。

以往在医学上有使用许多不同的温度量测技术，例如在热影像上使用伽利略温度计。在医疗保健上会使用的医疗温度计有水银温度计、红外线温度计、药丸体温计（pill thermometer）和液晶温度计等，目的是为了确认是否有发热或是失温症等情形。

有些体温计（例如水银温度计）在量测体温和读值时会有时间落差，为避免影响判断，会有可以记录温度值的记录式温度计，像早期的水银温度计会有机构设计、在量测体温后，将体温计取出，仍会维持之前量测的体温，需甩动体温计后，才能重置体温计重新量测。

### 食品与食品安全

- 糖果温度计
- 肉类温度计

## 参考文献

- Middleton, W.E.K. (1966). A history of the thermometer and its use in meteorology. Baltimore: Johns Hopkins Press. Reprinted ed. 2002, .
- History of the Thermometer