溫度計

溫度計是一種測量溫度或溫度梯度的儀器。溫度計中有兩個重要的元件, 一個是溫度感測器（例如水銀溫度計裡的水銀，或是紅外線溫度計裡的高溫感測器)，在溫度變化時，其狀態會改變。另一個元件是將前述變化轉換為數值（例如水銀溫度計上印製，可用來目視讀值的刻度，或是紅外線溫度計中的數位顯示）。在許多領域都會使用溫度計，包括工業上的制程監控、气象学、醫學（醫療溫度計）和科學領域。

雙金屬棒狀溫度計

溫標

主条目：溫度和溫度測量

個別溫度計都可以量測熱的程度，但若要比較二個溫度計的讀值，都需要二個溫度計有相同的溫標，針對相同的溫度，會有相同的數值。

目前常用的溫標，有絕大多數國家採用的摄氏温标（純水的凝固點為0℃，水的沸點為100℃），以及美國等國家使用的华氏温标（冰的熔點為32℉，水的沸點為212℉）。在一些科學領域會用絕對热力学温度，國際公認溫標也大致近似热力学温度，以定點和溫度計內插的方式處理。最近的國際官方溫標是国际实用温标，從0.65 K（−272.5 °C；−458.5 °F）到近似1,358 K（1,085 °C；1,985 °F）。

歷史

密封式玻璃液體溫度計

17世紀中期，50度的溫度計，陳列在伽利略博物馆，其中的黑點表示一度，白點表示十度，此溫度計是用來量測大氣溫度

早期的溫度計是利用氣體受熱膨脹的原理，但那其實也是气压表，對氣壓很敏感。1629年時，伽利略和義大利物理學家桑托里奧（Santorio Santorio）的學生約瑟夫·所羅門·德爾梅迪戈（英语：Joseph Solomon Delmedigo），發表了有關密封玻璃液體溫度計的敘述和圖示，一般也認為這是第一篇有關這類溫度計的文獻。溫度計是密封的玻璃管，底部有一球狀物，管內有半滿的白蘭地。管子上有刻度。德爾梅迪戈沒有聲稱他發明了此儀器，也沒有提到任何人發明了此儀器^[1]。約在1654年時，托斯卡納大公斐迪南二世（1610–1670）製造了此儀器，第一個現代意義上的溫度計，以液體的膨脹有關，和氣壓無關^[2]。許多科學家也實驗不同的液體，以及不同的溫度計設計，而當時的每一個溫度計都是獨一無二的，因為還沒有統一的溫標。

精準的溫度量測

醫療用的水銀最大值溫度計

1714年時，發明家及科學家丹尼尔·加布里埃尔·华伦海特發明了可靠的溫度計，他用水銀溫度計取代當時填充水和酒精的酒精溫度計。他在1724年提出了溫標，也就是現在的华氏温标（有略作調整）。1742年時，安德斯·攝爾修斯（1701–1744）提出了另一個溫標，當時是以水的沸點為0度，水的冰點為100度^[3]，不過後來的摄氏度使用的定義和他當初的定義不同^[4]。法國昆蟲學家勒内-安托万·费尔绍·德·列奥米尔在1730年發明了酒精溫度計以及列氏溫標，但最後證實其溫度計不如水銀溫度計可靠。

測溫的物理原理

許多19世紀的溫度計

攝氏和華氏溫標的比較

溫度計可分為絕對溫度計和經驗溫度計。絕對溫度計是用熱力學絕對溫度來校正的。經驗溫度計在特定溫度的讀值不一定和絕對溫度計完全一致。但經驗溫度計和絕對溫度計需以以下方式維持一致：給定二個物體，各自是隔離的熱平衡狀態下，所有溫度計對於兩個物體中，何者溫度較高，或是兩物體溫度相等，需要有一致的意見^[5]。針對兩個經驗溫度計，上述要求不代表彼此之間的關係是線性的，但是要求兩者的關係是嚴格單調函數^[6]。這是溫度和溫度計的基本特性^[7][8][9]。

在此條目的「一級溫度計和二級溫度計」章節中，有列出許多經驗溫度計運作的原理。許多原理是建構在特定物質其特性和溫度之間的本構關係。只有一些物質適合用在這類用途上，這些物質會稱為「測溫材料」。輻射測溫法和前述方式不同，輻射測溫法是用黑體輻射的普遍特性，不是特定物質才有的特性，因此輻射測溫法是普適性的測溫法。

測溫材料

許多經驗溫度計的原理是依測溫材料其溫度、壓力和體積之間的本構關係。例如，水銀受熱會膨脹。

若測溫方式是使用測溫材料溫度、壓和和體積之間的關係，則需要符合以下三個性質：

1. 此物質要可以快速加熱，快速冷卻。當定量的熱進入（或離開）此物質，此物質需膨脹或收縮到其最終體積，或達到最終壓力，而且要幾乎立刻達到其最終溫度。有些熱量視為是用來改變此物體定溫下的體積，稱為「定溫下的膨脹潛熱」，其餘熱量視為是在定容下改變其溫度，稱為定容比熱容。有些物質沒有此特性，需要時間用熱來改變溫度以及讓體積變化^[10]。
2. 其加熱和冷卻需是可逆的。也就是說，此物質可以用相同的熱增加量加熱，再用相同的熱減少冷卻，且可以無限次重複，每一次都可以回復到原來的溫度、壓力和體積。有些塑膠沒有此一特性^[11]。
3. 其加熱和冷卻需是單調的^[6][12]。

有關其加熱和冷卻的單調，也就是在其工作的整個溫度範圍內，需滿足以下二個特性(a)或(b)的任一項

(a)在給定的固定壓力下

可以是(i)其體積隨著溫度增加而增加，不然就是(ii)其體積隨著溫度增加而減少

不能是在某些溫度下是(i)的特性，而在其他溫度下是(ii)的特性

(b)在給定的固定體積下

可以是(iii)其壓力隨著溫度增加而增加，不然就是(iv)其壓力隨著溫度增加而減少

不能是在某些溫度下是(iii)的特性，而在其他溫度下是(iv)的特性

在溫度在攝氏4度附近時，水不符合(3)的單調性，水在這溫度區間有異常的溫度-體積關係，因此不適合用在攝 4度附近的溫度量測^{[8][13][14][15][16]}。

氣體有上述的特性1, 2, 3(a)(i)和3(b)(iii)。因此是適合的測溫材料，這也是氣體在測溫學上很重要的原因^[17]。

溫度計的類型

溫度計運利用一系列的物理反應去測量溫度的。而多數的溫度計最初是被校準到恆定容量的氣體溫度計。

• 水銀溫度計（Mercury-in-glass thermometer）
• 酒精溫度計（Alcohol-in-glass thermometer）
• 雙金屬溫度計（德语：Bimetallthermometer）（Bimetallic thermometer）
• 電阻溫度計（Electrical resistance thermometer）
• 伽利略溫度計（Galileo thermometer）
• 紅外線溫度計（Infra-red thermometer）
• 液晶體溫度計（英语：Liquid crystal thermometer）（Liquid Crystal Thermometer）
• 最高最低溫度計（Maximu Minimum thermometer）
• 顛倒溫度計/倒置式溫度計（Reversing thermometer）
• 硅帶溫度傳感器（英语：Silicon bandgap temperature sensor）（Silicon bandgap temperature sensor）
• 息克斯溫度計（英语：Six's thermometer）/悉氏溫度計（Six's thermometer）
• 熱敏電阻溫度計（Thermistor Thermometer）
• 热电偶可以用在溫度量測上。
• 旋轉式溫度計（Rotary Thermometer）
• 定容器體溫度計隔測溫度計

溫度計的專業用途

• 實驗室溫度計（Laboratory thermometer）
• 糖果溫度計（Candy thermometer）
• 肉類溫度計（Meat thermometer）
• 醫療溫度計（Medical thermometer）
• 室內溫度計（又称寒暑表）（Room thermometer）

相關條目

• 溫度測量