温度计知识在晚清的传播

冯珊珊 郭世荣

摘   要  运用文献分析和比较法，考察了晚清西方科技译著中关于温度计知识的记载，分析了当时对温度计原理、种类、测温物质、温标、制作等的介绍，认为晚清传入的温度计知识非常全面，是当时西学传播的重要组成部分。此外，温度计知识的传播对清末民国社会也产生了积极的影响。

关键词   温度计  西学传播  晚清

中图分类号  N092：O4

文献标识码  A

温度作为重要的热学概念，是表征物体冷热程度的物理量，温度计是精确测量环境或物质温度的工具。我国古代已有一些衡量温度高低的方法，如汉字中的“寒”“凉”“温”“烫”等，实际反映了以人体为标准的温度的差异。古代工匠在冶炼金属或烧制陶器时，主要通过观察“火候”来判断炉体内的温度。此外还有，做奶酪，“使酪的温度小暖于人体，为合适宜”;做豆豉，“大率常欲令温如腋下为佳”;养蚕人“需著单衣，以为体测。自觉身寒，则蚕必寒，使添熟火。自觉身热，蚕亦必热，约量去火”（[1]，页344）。由此可见，古代中国人在生产和实践过程已经积累了大量判断温度高低的经验，但是并未上升到理论和量化的高度，所以远不如西方发明温度计影响深远。

最早的温度计是1593年由意大利科学家伽利略（Galileo Galilei，1564—1642）发明的，这支温度计结构简陋，密封性差，且无示数刻度，仅能算作温度计的雏形。后来经过众多科学家不断改良，如波义耳（Robert Boyle，1627—1691）首先认识到可复现定点温标对温度测量至关重要，牛顿（Isaac Newton，1643—1727）发现了冷却定律以及水沸腾时温度保持不变的特点，华伦海特（Garbriel Fahrenheit，1686—1736）利用净化水银做测温物质，并建立华氏温标，摄尔修斯（Anders Celsius，1701—1744）利用水的凝固点和沸点建立百度温标（[2]，页37—40）。到18世纪末，温度的测量已经达到了相当高的水平，测温学的发展带动了量热学的进步，科学家们通过对具体的热现象进行定量分析，热学才真正发展成为精确的科学（[3]，页40）。

温度计知识传入中国，可以分成两个阶段。明末清初时期的西学东渐，来华传教士已将介绍温度计的著作和温度计实物带进来，并产生了一定的影响。这一时期的成果已有学者做過专门的研究，如王冰分析了南怀仁（Ferdinand Verbiest，1623—1688）在《新制灵台仪象志》里介绍的温度计和湿度计知识，并与西方的发展情况做了比较[4]。潘吉星考证了温度计和湿度计在东亚一带的传入和传播情况[5]。石云里介绍了法国传教士白晋（Joachim Bouvet，1656—1730）《验气寒暑表说》手稿的内容及意义[6]。尚智丛指出《穷理学》中也包含一些温度计知识[7]。此外，国内出版的物理学史著作对这时期的温度计都有比较详细的论述。然而，学界对晚清传入的温度计知识的研究不多，仅在个别著作中提及，没做具体分析，而且缺乏对整体情况的综合论述。

到了晚清，西方科学已经取得了长足的发展，传教士们的译书数量和质量普遍提高，一方面对温度计的介绍更为详细。另一方面，温度计作为西方科学史上重要的发明成果，也是重要的测温工具，且一定程度上代表了“科学”的准确性、实践性、真理性，引进它符合国内对西方科学技术的需要。所以，温度计知识不像其它宏大或深奥的理论那样遭遇改写或删减，反而呈现出繁荣的景象，内容丰富、全面。因此，考察温度计知识在晚清传播有一定的理论意义。

晚清出版的物理学著作中很多都介绍了温度计，如《博物新编》（1855）、《格物入门》（1868）、《汽机发轫》（1871）、《格致启蒙》（1880）、《格致质学启蒙》（1886）、《热学图说》（1890）、《热学须知》（1894）、《格物质学》（1894）、《热学揭要》（1894）、《物理学》（1900）等，对温度计都有大量的论述①。1902年“壬寅学制”颁布，译自日本的教科书大量问世，书中对热学知识的介绍更加规范，温度计的内容也逐渐简明、稳定。本文参考了《物理易解》（1902）、《新撰物理学》（1906）、《近世物理学教科书》（1907）、《新式物理学教科书》（1911）等部分影响较大的教科书。此外，还参考了《格致汇编》《格致新报》《科学世界》等报刊。由于不同著作的侧重点不同，介绍的详略也不尽相同。所以，本文通过梳理和分析上述文献，考察其对温度计原理、制作、种类等的介绍，并形成初步的观点，希冀对晚清西学传播等学界普遍关切的问题有所补充。

一   温度计的原理

热力学第零定律是温度测量的基础。定律表述为：一切互为热平衡的物体都具有相同的温度。物质的某项指标，如流体的体积、金属的长度、电阻值、红外强度、压强等，都可以作为测温的依据，可以用来制作温度计（[8]，页17）。综合分析晚清物理著作对温度计知识的介绍，认为这一时期传入的主要是依靠物质热胀冷缩原理工作的温度计。例如《博物新编》写道：

寒暑针者，以玻璃为筒，长数寸许，状如笔管。上通下塞，下有圆胆，中贮水银。其入水银之法，先以灯火炙热圆胆，则筒中之气渐行散出。乃以指头掩压筒口，俟圆胆复冷，即将筒口蘸入水银之中，然后移开指头，水银即由筒口走入胆里，务以满至半筒为止。再以灯火炙热圆胆，令水银受热上升，升满筒中，即以吹筒向火，吹熔其口。再俟筒体复冷，水银复降如初。方可悬于板上，画刻分寸，以验寒暑。（[9]，页8a）

《博物新编》是晚清出版的首部大量介绍西方科技知识的著作，该书将温度计与湿度计、抽气机一起，编排在“地气论”中，而不是编排在“热论”部分。这与南怀仁的做法相似，是把温度计当作实用的、重要的仪器，不仅仅是热胀冷缩原理的应用。文中描述了温度计的形貌、外观及注水银的方法等，显然是依靠热胀冷缩原理工作的温度计。其后的大多数著作，无论是传教士自编的著作《格物入门》《热学图说》《热学须知》，还是传教士翻译的著作《汽机发轫》《热学揭要》《格致启蒙》《格物质学》等，抑或清末译自日本的教科书《物理学》《物理易解》《近世物理学教科书》等，主要介绍的都是这种类型的温度计。区别在于该知识在著作中的设置及重要程度发生了变化，复杂程度和重要性逐渐降低。江南制造局出版的《格致启蒙》还曾指出水银温度计的误差：

今以水银装入璃泡内，上通细管，看其得热何若？夫水银为流质，得热能胀而上升。且不独水银胀，玻璃泡亦胀大。惟水银胀度大，璃泡胀度不多耳。（[10]，页32b）

当温度变化时，不仅水银的体积发生改变，玻璃泡的体积也会随之变化，因此就产生了误差，这里的介绍是准确的。《格致启蒙》没有进一步说明如何改进，1899年江南制造局出版的另一部译著《物体遇热改易记》详细论述了不同物质的膨胀特性，还列出了常见物质的膨胀系数，对铁路、造船等近代工业用处颇多。

对于温度计来说，测温物质的选择也很重要。因受原理的限制，常常需要选择胀率均匀，测温范围大的物质。著作中对此问题也有说明，如《增订格物入门》介绍：

凡物之质，皆随冷热有胀缩。虽皆可用以度量，然水银为流质，而不易化气。酒精亦为流质，而永不结冰。天气则胀缩最易。三者，各有合用之处，故恒以水银、酒精、天气造寒暑表。（[11]，页5b）

《热学须知》也介绍：

流质胀度最多者，醇为第一，水银次之。故醇与水银，为造寒暑表所常用者。欲作显微度之表，用醇为佳，因能受大冷而不凝冰也。惟寻常寒暑表，多用水银为之。因水银之胀缩，不骤不缓，最为均匀，用作寒暑表，甚属合宜。（[12]，页12a）

文中指出了酒精膨胀率最大，水银膨胀过程最稳定的特点，介绍了测温物质的属性和选择依据。另外，饭盛挺造《物理学》还介绍了水银和酒精的凝固点：

酒醇寒暑表于异常严寒时用之。盖水银至百度表负三十九度而凝结，负二十度以下胀率已不均匀。醇则遇负一百三十一度之严寒始凝结也。（[13]，页24a）

水银在标准大气压下的凝固点是零下38.87℃，我国北方严寒地区冬季气温可降至零下40多摄氏度，这时水银会凝结，所以应使用酒精温度计。但是，酒精的凝固点受浓度和气压影响，不一定是零下131℃，这里的介绍略有出入。

综上所述，晚清时期传入的温度计主要是依靠热胀冷缩原理工作。其中，在介绍温度计的著作中，《博物新编》将温度计当作重要的科学仪器，后来的著作将温度计当作热胀冷缩现象的应用之一，清末教科书则把温度计直接置于温度概念之后，并简化了其余的胀缩理论。当前我国中学阶段的教科书也是这样编排的，所以在热学中大幅介绍胀缩问题已经成为历史了。晚清文献对温度计测温物质的介绍也很充分，雖然不同著作论述的详略不一，但综合起来看，这一时期对凝固点、膨胀率、辨识度等都有具体的介绍，温度计原理传播的较为完整。

二   温度计的制作

晚清来华传教士林乐知（Young Allen，1836—1907）翻译的《格致启蒙》和艾约瑟（Joseph Edkins，1823—1905）翻译的《格致质学启蒙》选用的底本相同，都译自英国物理学家巴尔弗·斯图尔特（Balfour Stewart，1828—1887）编写的《科学启蒙丛书·物理学》（Science Primer Series： Physics，1872）。该书注重介绍实验及操作，其中有详细的温度计制备过程。

制寒暑表时，即令玻璃匠取玻璃料，趁质尚软时，吹一中空管。一端稍大成圆球形，无孔，管极细。上端有孔，与外之风气相通。制造妥后，将玻璃球移于火焰中炙之，玻璃球体热时内之风气必胀大，与前之燃火令脬胀之理无异。管上端孔敞，胀大之气即由彼冲出。乘此管中风气尚未凉时，急将管之有孔端，纳入盛水银之盘内水银面下。必有数分水银，经玻璃管外之压力迫之，由管入玻璃球中也。（[14]，页28b）

这是温度计制作的第一阶段：选料、吹制玻璃管。加热时由于管内气体膨胀，逸出空气少许，当倒立于水银中时，气体遇冷收缩，管内气压小于外界大气压，遂将一部分水银压入管中。

余等已见有少许水银在玻璃球中，可复移置灯火上炙之。顷之，即见水银有滚沸状，并有水银气发出上升，催前余之风气出管口。至玻璃球並管中均充盈若许水银气，更将管之有孔端，纳入水银盘中水银面下。斯时，玻璃管中、球中乃俱无风气，惟有水银气矣。余等宜急将玻璃管有孔端，乘尚未凉时，移于火中熔化之，严堵其孔，使风气不得乘虚而入。（[14]，页29b）

第二阶段，重复之前加热和注水银的操作，直至管内形成真空环境，仅保留液态或气态的水银，然后封住管口，管体的制作即算完成。

刻画示数前，需要先设定温标，温标能够保障温度测量的准确性和一致性。1889年第一届国际计量大会决议通过“正常氢温标”作为标准，1927年又改为电阻和温差电偶温度计作为标准，后来又变过很多次。制定新温标是为了提高精密度和复现性，同时使测量值尽可能地与热力学温度相一致。目前，国内使用的温标是ITS-90国际温标，它是我国温度量值统一的基础（[15]，页2）。

历史上出现过很多种温标，发展演变后保留下来的主要有4种：华氏温标、列氏温标、摄氏温标和开氏温标。1724年，华伦海特将冰、水、氯化铵的混合温度定为零，水的凝固点定为32，沸点定为212，建立了华氏温标，用。F表示。1730年，列奥米尔（Ferchault de Réaumur，1683—1757）将水的凝固点定为零，沸点定为80，建立了列氏温标，用。R表示。1742年，摄尔修斯把水的凝固点定为100，沸点定为零，后经修正，将两个示数颠倒过来，即摄氏温标，用℃表示。1848年，开尔文勋爵（Lord Kelvin，1824—1907）定义了热力学温标，也称开氏温标或绝对温标，用K表示。后来虽然又有一些新的测温方式出现，但经验温标没再变过。晚清著作在介绍温度计时，大多阐述了温标的规则①。对温标的介绍可分为两种：一是简单论述定义及转换关系，二是从实验角度，介绍如何操作设备及控制流程以期获得最准确的定点位置。前者较为容易，不再赘述。至于确定定点的位置，《汽机发轫》最早介绍：

英国古时有人名奈端，知雪熔时其热恒同。故可于雪熔时，将寒暑表置其中，视水银缩至何处，作识为一定点，名曰冰界。准风雨表三十寸高（空气有松紧，则沸度不同），将寒暑表置沸水中（须用蒸水，若水内消化别物，则不准），视水银胀至何处，再作识为又一定点，名曰沸界。（[16]，页5b）

奈端指牛顿，文中指出水沸腾时温度受气压影响大，所以应该在标准气压下进行实验。而且要使用蒸馏水，因为水中含有杂质也会影响沸点。《热学揭要》也详细阐述了寻找温标点的方法：

甲为广铁盒，形如漏斗，盒内满以雪或冰屑。欲定冰点，将表之下端埋于雪内，约待刻许，而水银降至何点，即记为结冰点也。惟恐冰不纯而结冰降，故莫妙用纯水置表于内。待其冷至结冰点下，摇之水立结冰。而水银升至何点，即所求者。欲定沸点，先借铁锅或铜锅甲，注水半满。上有敞筒乙，外套丙盖，可护乙筒之热不散。丙上有孔可纳表于乙筒之内，筒旁有弯玻璃管丁，弯间有水银，视其高低，可略知汽之胀几何。戊管有二用，一可洩水与汽，二可使内外之压力相等。后将锅置于炉，待水沸而筒内汽满，记水银升至之点，即沸点也。惟定此点时，表球不可入水内，因水若不纯沸界自差，且因水沸其热率自上而下渐增也。（[17]，页3a）

《热学揭要》的底本是西方非常著名的教科书，阿道夫·迦诺（Adolphe Ganot，1804—1887）的《基础物理学》[18]。书中介绍的确定熔点和沸点的实验准确、严谨。首先对于寻找水的凝固点实验表明：当水面非常平静时，水凝固时的温度可能低于零。这时，如果突然摇晃容器，水面会立即结冰，且温度将迅速上升至零度，这样就获得了准确的定点。对于沸点实验，戊管的作用是使锅内的气压等于外界大气压，且水沸腾时蒸气的温度是一百度，比沸水的温度更可靠（图1、2）。最后的环节是刻画分度：

以蜂蜡在玻璃管外裹一层蜡皮，用针刺百等分之各记号于蜡皮，一一须适在其应在之处。透过蜡皮，划痕于玻璃面。由此，将玻璃管纳入海得罗佛路利强水内，如是法制之强水，于蜂蜡皮无少更变事，惟所划之痕迹，与玻璃管面有侵蚀。于是由强水中将玻璃管取出，见针所划之各画借强水之力已蚀入玻璃内，成为百层相等之阶级式。假使冻冰点为无度，水沸点为百度，每间十度，钤上十、二十、三十、四十、五十等字样，余等用以制造寒暑表之法，即无遗矣。（[10]，页33b）

文中提到的“海得罗佛路利强水”指氢氟酸（hydrofluoric acid），氢氟酸可以腐蚀玻璃，但不腐蚀蜡皮，所以常常用它来给玻璃器皿刻画示数。

综上所述，传教士译著《格致启蒙》和《热学揭要》等详细论述了温度计的制作方法，包括选料、吹制玻璃管、注水银、寻找温标定点、刻画示数等具体的操作步骤和注意事项，过程记载极为细致，是晚清其它著作中少见的。究其原因，应与两书选择的底本有关，两本书底本都是19世纪下半叶欧美等国非常重要的教科书。这一时期，以美国为例，中等教育领域倡导强化实验教育，突出实验在教学中的重要性，注重对学生实验能力的培养。译自日本的教科书对实验的介绍相对匮乏。但是，就整体而言，对温度计的制作方法介绍得如此详细，是晚清温度计知识传播的特色。

三   温度计的种类

晚清物理学著作介绍的温度计种类非常多，常常高达10种以上。按其不同特点和用途可以概括为三类：一类依测温物质命名，如水银温度计、酒精温度计、煤油温度计、空气温度计等;一类依温标种类命名，如百度表、法伦表、八旬表;此外，还有依据外形或特殊用途命名的，如双球温度计、白金量火表、高热计、最高最低温度计、体温计等。前两者上文都已经提到过，也好理解，下面仅分析特殊形态和用途的温度计。

1. 双球温度计（Differential Thermometer）

1799年，法国物理学家莱斯利（John Leslie，1766—1832）发明了双球温度计（图3），也称示差温度计，可以用来观察相邻物体间的温度差。它的原理是通过高温端物体给球泡加热，使球内气压升高，水银被压入另一端，根据两侧液柱高度的变化来读数。《格物入门》介绍了这种温度计：

玻璃管两头有球，此头尽盛天气，彼头半气半水。若两球冷热不差，水至何处，画一记号，其冷热度数由此而分。如此球冷，则气缩而水胀;彼球冷，则气缩而水退。设有二物，冷热微差，以此试之，毫厘不爽也。（[19]，页6b）

2. 布里格特温度计（Breguet’ s Metallic Thermometer）

这种温度计也称螺旋温度计（图4），或双金属片温度计。《热学揭要》介绍：

将铜铁二片钉为一，使遇热则向铁弯，使变冷则向铜弯，此因铜之胀缩大于铁故也。借此理可作寒暑表，以金银铂压成薄片，后曲作螺环。使银片在內，金片在中，铂片在外。下端连以指针，针下有分度之盘。金之胀缩，居银铂之间，可免银铂胀缩有相离之缝也。欲分此表之度数，宜与水银表相比而记之矣。（[17]，页4b）

螺旋温度计是利用两种金属的膨胀率不同而制成的。目前这种温度计在测量高温环境时仍有使用，但是更换了内部材质，外形也小巧了许多。

3. 最高最低温度计（Maximum and Minimum Thermometers）

1794年，丹尼尔·卢瑟福（Daniel Rutherford，1749—1819）发明了最高最低温度计（图5），它由上下两部分组成，上表装水银测最高温度，下表装酒精测最低温度。这种温度计适合在农场、田园或菜地使用，可以测出环境内一昼夜的温差。

二表横钉一板之上，上表系水银类，热则水银即胀而前行。及至不胀，因表之甲处极细，且管内亦无使水银后退之力，故水银不得回至球内。如此，每日至热之度便能自记。下表系酒精类，管中有细玻璃条乙，酒精缩则乙随之后退，因其互有摄力也。及酒精复胀，则自条旁流过。故每日至冷之度，又能自记。

4. 高热计（Pyrometers）

1747年，荷兰物理学家马森布罗克（Pieter van Musschenbroek，1692—1761）首先利用金属杆的热胀冷缩性质制成了高热温度计（图6）。后来，英国企业家韦奇伍德（Josiah Wedgwood，1730—1795）改为使用耐火土块，测量原理和前者一样。

甲乙丙三角形，乙丙边画度数，甲丙二角各悬长针。以戊丁铁条之丁端，依丙针尾。铁条遇热增胀，即拨动丙针，丙针尖复拨动甲针尾，甲针尖移指热度。设丙针尖较甲针尾所移多十倍，则甲针尖必较丙针尾所移多百倍。铁条微胀，人目难辨，至针移百度，则显而易见。故热度虽极高，亦易考察。（[11]，页10a）

5. 铂电阻温度计（Platinum Resistance Thermometer）

1876年，德国工程师卡尔·西门子（Carl Siemens，1823—1883）发明了铂电阻温度计，它是利用通电导体的电阻值受温度影响而制成的。晚清报刊《格致汇编》介绍了这一情况。

凡金类传电气，必有阻电气之力。此阻力籍三事：一为金类体积之大小;一为金类质料之性情;一为金类当时之热度。热度愈大，则阻力愈增，因热能加增阻力也。其定法与定率为格致家所已知者，故如知传电气之金类器在零度所显之阻力，则无论若干热，其阻力俱能推算。反之，如能测量传电气器之阻力，则能推算其热度。西门司量大热度之器，乃借此理而成。[20]

6. 医用体温计（Clinical Thermometer）

晚清传教士译作中未曾见过介绍体温计，同时期的国外著作是有的。清末王季烈翻译的中村清二《近世物理学教科书》，应是比较早引进体温计的。

医师测体温所用之最高寒暑表，与寻常之水银寒暑表同。特其球部之上收之极细，即球与管相通之处甚狭。若温度上升，水银即由此狭处压出。至温度下降时，则球内水银虽收缩，而管中之水银不能自入球中，因此可知最高温度。（[21]，页3a）

由此可见，晚清时期介绍的温度计种类非常多，不仅有我们所熟悉的玻璃管温度计，还有不常接触到的特殊形态的温度计。虽然这些温度计大多靠热胀冷缩原理工作（铂电阻温度计除外），如螺旋温度计和高热计实际上是利用了金属或土块的膨胀特性。但是，这些知识足以丰富人们的见闻，拓展视野，让晚清士人真切地接触到西方科学。民国初期编译的物理教科书介绍的温度计越来越简化，基本上不涉及制作，类型上也仅保留体温计和家用温度计，不如晚清介绍的丰富。

四   结语

大量物理学书籍的翻译，只是表明物理学知识在形式上已经传入中国，但其产生的影响才是判断这门科学是否真正获得传播的决定因素（[22]，页106）。温度计知识传入我国后，产生了深入而广泛的影响。由于温度计原理简单、使用方便、测温准确、同时又是重要的科学仪器以及生活的必需品，所以很快被人们熟悉。初步统计，清末民初的报刊杂志中与温度计相关的文章有40余篇，这一时期的温度计被赋予诸多内涵，兼具学术价值、教育价值、文化价值和新闻传播价值。例如，科学研究中介绍温度计的最新进展[23]，学校的教学也要讲授温度计知识。另一方面，寒暑表变成社会上时髦的名词，根据其随气候变换的特点，常用它来形容世事的变迁[24]、人心的善变[25]，甚至有人在文章中署名为寒暑表。1933—1934年的美国芝加哥世界博览会，我国有十余篇文章报导了巨型温度计发明：

此次美国芝加哥开百年进步博览会时，曾有某公司制最大寒暑表一具，装设于会场中，以供点缀。该表高二十一层楼，装以氖气灯水银柱，长一百五十英尺，宽二英尺有半，所刻度数数字大及十英尺。据称，该表之制造极见新颖，其夜间温度升降之表示，系借塔之三面之氖气灯。该氖气管之分截与度数同，温度一有升降，则有一另装准确之寒暑表，用电传达该灯，使其明灭。由是，望者即可知当时之温度为何若矣。[26]

综上所述，温度计知识在晚清深入传播，在学术、教育、文化、生活等诸多领域被人们广泛了解，成为了常识。通过梳理和分析文献，总结出如下特点：首先，温度计一直是西学传播的重要内容，明末如此，晚清亦如此。在明末非常有限的条件下，南怀仁将温度计介绍进来，并发挥了一定的作用，说明温度计是近代西方科学的重要代表和重要成果之一。晚清自《博物新编》出版以来，各类著作都有温度计的介绍，且篇幅占比很大。《格物入门》中热学知识共39条，其中温度计知识占了8条。《热学须知》介绍的涨缩理论有18条，其中温度计知识占了8条。虽然后期教科书中温度计的内容被逐渐删减，但仍旧是不可或缺的一部分。当然也反映出我国的物理教育水平在逐步提高，有更为重要的学习内容。其次，晚清介绍温度计时，不仅包括原理、温标、测温物质等基本概念，还有制作方法、制备流程等实验知识，其中传教士译著《热学揭要》和《格致启蒙》论述得最為详细，这与19世纪西方国家物理教育的变革有关。第三，晚清介绍的温度计种类非常多，如适用于特殊用途的温度计，既能体现发明者的想法灵活、心思巧妙，也可引导读者去发明去设计温度计，使科学传播显得充实有趣。第四，温度计知识对清末民初的社会生活产生过积极的影响，是当时民众学习、认识科学的事件之一。当然也体现出，像温度计这类简单实用、有一定文化内涵的科学知识较那些需要高等数学才能解决的物理难题来说，更适宜也更容易传播。最后，晚清的各类温度计文献，内容准确，图文并茂，是西学传播的精华和模范，是西方科学在晚清艰难传播中可贵的一笔。

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