不同溫標的意義

在國中物理的一開始，我們先談聲光熱，主要的原因是要為後續的物理測量做鋪陳，其中熱的測量，我們會談到不同溫標的定義，例如攝氏與華氏，然後再來討論不同溫標之間的換算。

在新課綱的研習討論中，夥伴用數線的概念要去解釋兩個不同溫標的計算，讓孩子可以比較熟悉的使用數學工具，來解釋不同溫標之間的關係，也讓學生容易理解計算的過程。

但是這樣的過程，似乎難以帶起學生的學習動機，其實我們不妨加入一些科學史的概念，例如我們來思考不同溫標的產生背景，或許孩子也會比較想要知道這些溫標的意義，未來自己碰到類似的問題情境時，也比較容易建立起新的標準。

首先，我們在定義溫度時，一般都會需要兩個參考點，因為參考點定出來之後，我們就會知道第三點的意義了。對於溫標的發展歷史來說，華氏溫標首先於1724年由德國科學家華倫海特（Daniel Fahrenheit）提出，但是奇怪的是華倫海特先生是用冰、水以及氯化銨所混合而成的鹽水中，量得的刻度即為 0度，而將人的常態體溫定為96度。

後來在1742年，瑞典天文學家安德斯·攝爾修斯（Anders Celsius），將一大氣壓下的水的沸點規定為0℃，冰點定為100°C，這個溫標也就是我們比較熟悉的攝氏溫標。

從這兩個例子來看，我們可以知道，溫標的兩個參考點都必須是容易被其他人重現的點，這樣的標準才為一致，因此攝氏鎖定出來的溫標我們可以很容易理解，因為水在結冰時，溫度會維持恆定一段時間，或者說，任何人只要維持一個冰與水混合的環境，平衡之後的溫度，基本上都是一樣的（當然會受大氣壓力的影響還有測量環境的想而改變），同樣的在沸騰的時候，他的溫度也會維持一個長時間的恆定，所以取用這兩個標準來做成溫度計，是比較容易被複製與重現的。

而華氏溫度計，為何用氯化銨的鹽水水溶液所呈現的最低溫當成華氏溫標的最低參考點 0°F，而人體常態的溫度當成96°F，這邊有些不合理，怎麼會訂出這樣不規則的數字？而且 0°F的標準，應該不是每個人都容易重現的吧？那麼為什麼要訂出這樣的標準？

我找了許多的資料，並沒有看到華氏決定這兩個參考點的理由，於是我只好想像如果我是華氏的話，我會怎麼去訂出標準。

首先，那是個大航海時代，海上的商業正發達，華倫海特先生出生於但澤（今波蘭格但斯克），少年時其父母意外死亡，迫使華倫海特開始學習商業。經過在阿姆斯特丹的多年訓練後，他定居海牙，從事玻璃製品的吹制和貿易，並製作氣壓計、高度計和溫度計出售，先後研製成功酒精和水銀溫度計。

也就是說，華倫海特先生其實不是從小就學習科學相關領域出身的科學家，而是從事商業的實業家，他的研究是來自於生意上的需要，那麼他設計溫度計給誰用？由於這樣的儀器在當時的科技工藝來說，製作並不是那麼容易，價錢也就比較昂貴，所以不會是一般人家買來看天氣用的，我合理的推論是要賣給海上航行的船隻，因為海牙是荷蘭的港口，位於歐洲的西北方靠海的位置，航海最擔心的就是海水結冰，船隻被凍在海上動彈不得，其次就是水手生病，因此航海人員需要有兩個標準來幫助船上的人辨識這兩個溫度，所以，將鹽水結冰的溫度設定為 0°F，而人體發燒的溫度為 100°F。

這樣的標準與攝氏溫標的產生完成不一樣，但是如果你想換算的時候，還是要找出關係式，於是當時找了一隻華氏溫度計去測試水沸騰的溫度與水結冰的溫度，得到的結果或許是 211°F與 32.1°F，這時為了兩個溫標的互相推算的方便，就將華氏的溫標範圍略為調整，令其 32°F為 0℃， 212°F為100°C，這樣的換算關係就可以簡化到 9：5 的關係了。

當然，上述的情節可以想像是一個短篇小說，但是我在跟孩子們說這個故事的時候，孩子們都覺得有趣，然後我們可以思考，如果我需要訂一個新的溫標的話，我的溫度標準會是什麼？為什麼？怎麼跟其他溫標換算？

圖片引用 Pixabay

參考資料：

1. 華氏溫標與攝氏溫標的由來，LH604 學習園地。
2. 華氏溫標，維基百科。
3. 攝氏溫標，維基百科。
4. 加布里埃爾·華倫海特，維基百科。