古代的測溫技術
在人類歷史的文字記載中，關於冷、熱一類的詞很早就有了。《淮南子》上說：“睹瓶中之冰，而知天下之寒暑。”古代人以水的物態變化來判定天氣溫度，水結冰，天寒；冰化水，天氣轉暖。而物體熱脹冷縮的特性也很早就被人們所熟知，公元前3世紀，斐羅（Philo）在拜占庭（Byzantine，今名伊斯坦堡）通過實驗演示了空氣的熱脹冷縮特性，但遺憾的是，他並沒有利用這一特性去測量溫度。
因為正常人的體溫基本相同，溫度計發明以前，體溫被當做最恆定的“溫度計”，人們常常以自已的體溫，比如用手觸摸物體來判別溫度的高低。這種以體溫為標準的觸摸方法，只能判別一定範圍內的溫差。古代人所謂冷、寒、涼、溫、熱、燙等，都是溫差概念，而不是指特定的溫度。感覺方法往往因人而異，在某種程度上，已被感覺到屬於“寒冷”（或“熱”）的一類物體，就很難再區分它們中哪一個更冷（或更熱）了。
伽利略的溫度計
意大利的伽利略在1581年進入比薩大學學習醫學，後來，又到意大利帕度亞（Padua）大學任數學教授。在這期間，為了找到合適的辦法來測量體溫的高低，在1593年（伽利略的學生維維安尼給出的發明年代）他利用空氣受熱膨脹的性質製作了一支溫度計。
關於這件事，他自已沒有留下任何記錄，只能從其他人的敘述中間接得知。他的學生加斯特里（Casteli）這樣描述：“伽利略取了一個雞蛋大小的玻璃容器，上面連接一個麥秸粗細、約兩拃長的玻璃管。他把玻璃泡放在手裡加熱，再倒轉玻璃泡，將管子插入另一個容器的水裡。當玻璃泡冷卻下來時，管子裡的水升高，高出容器中水面約1拃。他用這個裝置研究熱和冷的程度。”
○伽利略溫度計
隨著溫度的變化，玻璃泡裡的空氣會膨脹或收縮，玻璃管中的水柱會上下運動。當天氣轉熱的時候，玻璃管中的水柱就會降低，天氣越熱下降的越多；而當氣溫變冷時，玻璃管中的水柱就會上升。水柱上升的高度隨玻璃泡中空氣的冷熱程度引起的熱脹冷縮程度變化。
伽利略用他的溫度計測定了不同地點和同一地點在不同時間、不同季節的相對溫度。他在測量中引用了“度”的概念，他的儀器比後來的一些驗溫器水平更高。其實伽利略的溫度計是一個“氣體驗溫器”，雖然它能測出溫度的變化和溫度的高低，但由於溫度的概念很不明確，它上面還沒有以確定的方法刻上標度和讀數（這實際上就是溫標），不能很精確地表示溫度。另外，從伽利略溫度計的設計可以看出，這種溫度計溫度的“大小”不僅受溫度變化的影響，還受大氣壓強起伏的影響。如果氣溫沒有變化而大氣壓發生了變化，觀察者將會誤認為氣溫發生了變化。這個儀器不能給出有意義的測量結果，使用起來也很不方便。所以溫度計後來的發展就是沿著克服這兩個缺陷的方向進行的。儘管伽利略的溫度計很不完善，但他是試圖“對不確定的熱的感覺”轉變為“對物體熱狀態的客觀表示”的第一人，這畢竟是世界上最早的溫度計。
溫度計的初步改進
1611年，伽利略的同事和朋友意大利人桑託留斯（Sanctorius）首先在這種儀器的玻璃管上等分出110個間隔，最高、最低溫度分別為用蠟燭燒灼玻璃泡和用雪冷卻玻璃泡時的溫度。
1632年，法國化學家雷伊（J.Rey）為了使用方便，將伽利略的儀器倒轉過來，並把水注入玻璃泡內。此時，玻璃管上端被空氣充滿，水柱的高低仍然可以衡量溫度。由於這項改進，水成了測溫物質，這就是世界上第一隻液體溫度計。但是，由於沒有封閉玻璃管的上端，水的不斷蒸發會影響到測量結果的準確性。
由於水的熱膨脹係數比空氣小得多，為了減少水的蒸發，所以科學家必須恰當地選擇玻璃球泡和玻璃管管徑的相對大小，使液麵在一年的氣溫變化過程中，保證在整個玻璃管的長度內升降。儘管從今天的角度看來這種努力的方向是不對的，但從溫度計發展完善的全過程來看，這種努力是有價值的。
1657年，在意大利托斯卡納大公爵斐迪南二世（Ferdinand Ⅱ）的指導下，佛羅倫薩西曼託科學院的院士們提出了密封管子的思想，用酒精取代水作為測溫物質，並熔化玻璃尖把它密封，然後把刻度附在玻璃管上，這就是第一個不依賴大氣壓強的溫度計。溫度計終於進入了較為實用的階段。
溫度計的進一步完善
溫度計的進一步完善和發展是沿著兩個方向進行的，一個是測溫物質的選擇；另一個是刻度標準的確定。和其他科學儀器的出現一樣，溫度計的發明完全是由於實際的需要，而它的改進則是在解決不斷出現的問題的嘗試中完成的。因此，最初人們對溫度計的原理並不十分清楚，一切都是憑經驗甚至想當然進行的。
在1657年，斐迪南二世把一支長約1分米，充有酒精的溫度計贈送給了波蘭皇后的使節。她的大臣又把溫度計轉送給了巴黎的天文學家布里奧（Boulliau）。
1659年，法國天文學家布里奧（I.Boulliau）把水銀密封在一根內徑很細而且均勻的玻璃管中，管的下端是一個玻璃泡，在管和泡裡有適量的水銀，管上有刻度。水銀面的位置隨著溫度的改變而升降，從水銀面達到的刻度上可以讀出溫度數值來。這樣的溫度計已具有現代溫度計的雛形。溫度計的特性是能隨溫度的變化而有明顯改變，而且這個變化是可以重複出現的。由於水銀的體膨脹係數小，約為氣體體膨脹的萬分之二，所以為了在溫度每升降1度時，能使水銀柱有明顯的變化，在玻璃泡不能任意增大的限制下，玻璃管必須充分細才可以。
在溫度計的發展中，最不尋常的是德國物理學家格里克（Otto von Guericke）在1660~1662年創想的溫度計。這個獨特的儀器將近20英尺長由一個大的銅套（原圖繪成藍色，嵌著金星）與1英寸寬的銅芯連接而成。管子彎成一個很窄的U形。管內灌有一定量的酒精。U形管較短臂的頂端是開口的；液麵上漂浮著一個微小的倒扣著的銅箔杯，它與一根繩子聯著，繩子繞過懸掛在球殼下側的滑輪繩子，另一端是一小天使形象，可指示管子上的刻度。大銅球殼的一側加了一道閥門，用空氣泵排除空氣，以調節酒精高度。這個巨大的溫度計安在房子背蔭的一面，它以具有指示“整整一年中間最冷和最熱的氣候”的能力而聞名。
○格里克的溫度計
在當時眾多科學家中，首先認識到需要溫標的是著名的英國物理學家玻意耳（Robert Boyle）。他建議用大茴香油放在酒精溫度計玻璃泡的周圍，讓油凝固，記下當油開始凝固時的酒精高度。玻意耳的助手胡克（Robert Hooke）在溫度計刻度標準化方面也做出過重要的貢獻。1664年10月，胡克出版的《顯微學》中提到，他做過幾支溫度計，長度在4英尺以上，其中膨脹液體的變化非常之大，夏天最熱時膨脹到頂端附近，在冬天最冷時降到底部附近。他把洋紅色葡萄酒的酒精注入溫度計，使其體積變化清晰易辨。在杆上刻度時，先將玻璃泡放在正在凝固的蒸餾水中，把液麵停留的位置當作零，再根據液體的膨脹程度分度。
在尋找恆溫點的研究工作中，不少科學家都意識到，水在凝固時的溫度和沸騰時的溫度都是不變的。1665年，惠更斯就推薦將這兩個溫度作為標準點。
17世紀末，許多著名科學家，包括牛頓在內，都研究過怎樣才能獲得滿意的溫標。牛頓在1701年用筆名發表了一篇論文，報道他在測溫學方面的研究成果。他做了一支3英尺長的溫度計，玻璃泡的直徑為2英寸，取融雪溫度和人體溫度作為溫標的固定點，將其區間分為12等份。儘管牛頓提出的溫標並不十分令人滿意，但他發現的固體冷卻定律和對熔解與沸騰溫度穩定性的觀察，對溫度計的發展至關重要。
1702年，法國人阿蒙頓（Guillaume Amontons）注意到空氣的壓強變化可用於溫度的測量，設計了一種根據空氣壓強來測量溫度的溫度計。他使用了U形玻璃管，玻璃管的一端接上空氣玻璃泡A。將水銀注入U形管及玻璃泡的一部分。當測溫時，A泡中空氣的壓力變化，這種變化用玻璃泡中水銀面的高度與玻璃管中水銀面的高度之差顯示出來。阿蒙頓選擇冰水和沸水為固定點，在此範圍內均勻分度。他發現，在充有一定數量的空氣的容器中，從冰的熔點加熱到水的沸點時，空氣的壓強增加三倍。由於他尚不知道水的沸點取決於大氣壓強，所以他沒有得到更高的準確度。他還指出了氣體膨脹的一般規律，給出了實驗驗證，建立了氣壓的變化正比於溫度變化的關係。阿蒙頓的氣體溫度計不能適應實際測量的要求，儘管如此，科學家們仍然利用這些不完善的測溫儀器發現了在一定條件下水在凝固或沸騰時的溫度是不變的。
○阿蒙頓的溫度計
出生於德國的華倫海特（G.D.Fahrenheit）從1706年起一直致力於測溫學的研究；1714年，由於水銀比酒精的膨脹率更為均勻，他選擇水銀作為測溫物質，發明了第一支密封的、帶可靠刻度的水銀溫度計；到1724年，終於發明了完善的華氏溫度計，他將冰鹽浴（冰、水和氯化銨的混合物）的溫度設置成零點（0℉），水（無鹽的冰水混合物，32℉）的凝固點和人的正常體溫（溫度計插入口中或置於腋下，96℉）分別設置為固定標準點。有趣的是水的沸點雖不是華氏溫標的一個固定點，但溫標上212℉這一點恰恰與之重合。以後為了使固定點更準確，改以冰水混合物的溫度為32度，而以在標準大氣壓下水的沸騰溫度為212度。他還證明液體的沸點隨大氣壓強變化。從此，溫度的測量有了一個共同的標準，他的分度方法很快在法國、荷蘭以及英語語系國家廣泛流行，這使不同地點，不同時間和不同人所測量的溫度進行比較成為可能。
到了18世紀，法國的勒奧默有鑑於水銀的膨脹係數小，強烈反對使用水銀作測溫物質。於是，致力於製造一個既方便又能達到精確度要求的酒精溫度計。他發現酒精和1/5水的混合液在水的結冰溫度和沸騰溫度之間，體積是從1000膨脹到1080個單位體積，因此他把溫度計上這兩個固定點之間分成80分。由於他忽視了空氣壓強對液體沸點的影響（他不瞭解華倫海特的成就），所以他的溫度計測量結果並不好，並且不同的溫度計也不一致；另外他採用的玻璃泡直徑達3~4英寸，不適於一般使用。由於這些原因，日內瓦的德呂斯（DeLuise，1727~1817）便又恢復使用水銀，並以一個物理學家的身份熱情地呼喊：“自然界給我們這個礦物肯定是為了做溫度計”。
1742年，瑞典天文學家攝爾修斯（A.Celsius）和他的助手斯托瑪採用了惠更斯的建議，在一篇向瑞典科學院宣讀的論文中建議了一種新溫標，他們將水的冰點設置為100℃，水的沸點設置為0℃，把水的冰點和沸點之間等分為100個溫度間隔，這就是後來的攝氏溫標。它比以前所有的溫標都更令人滿意，逐漸成為科學工作中應用最廣的溫標。應當指出，現在普遍採用的百分溫標溫度計與攝爾修斯原來的溫度計的標度正好相反，這種標度是1743年由法國人克利斯廷（Christin）首先採用的[1]。
○攝爾修斯的溫度計
1747年，荷蘭的穆欣布洛克還發明一種特殊溫度計，它是利用金屬細杆的膨脹和收縮原理製成的。35年後韋奇伍德發明的高溫計利用的正是這一原理。
熱力學溫標的建立
從伽利略到攝爾修斯的100多年的時間裡，溫度計和測溫學的發展經過了漫長的歲月和曲折的道路。人們為之作出了種種努力，才逐漸形成了建立在科學基礎上的溫標，溫度計的發展已跨上了新的臺階，特別是華氏溫標和攝氏溫標的建立，使計溫學達到了完善的水平。到18世紀末，溫度的測量已經達到相當高的水平，這就保證了各種熱學實驗的順利進行。
在19世紀上半葉，頭腦最靈活的物理學家們始終被一個問題所困擾：如何改進熱機？換句話說，如何讓一堆煤給人帶來最大的收益？1824年，法國工程師卡諾（Sadi Carnot）在其著作中提出理想熱機理論。按照卡諾原理，熱在高溫熱源和低溫冷源之間循環。大約20年後，焦耳（James Prescott Joule）提出了能量守恆原理。1848年，英國的開爾文在對卡諾熱機原理分析的基礎上建立起熱力學溫標。由於卡諾熱機的性質與工作物質的性質無關，因此熱力學溫標實際上是與測溫物質的特性無關的一種理想標準，從而消除了任何經驗溫標的任意性和侷限性，為溫度的測量找到了一個客觀基礎。從理論上建立起熱力學溫標，是開爾文對熱力學的又一大貢獻，但它畢竟只是一種理想溫標，直到後來的研究證明在理想氣體溫標所能使用的範圍內，熱力學溫標和理想氣體溫標是完全一致的，熱力學溫標才取得了現實的意義。
1954年，國際計量大會上確定了熱力學溫標的恆定標準溫度點，把水的三相點，即純冰、純水和水蒸氣平衡共存狀態的溫度規定為273.15溫度單位，這樣，絕對的溫標就完全確定了。1967年，國際計量大會又規定熱力學溫標的溫度單位叫做開爾文，簡稱開，用K表示，1K等於水的三相點溫度的1/273.15。用這種標度法所測得的水的冰點和沸點的溫度分別為273.15K和373.15K，所以攝氏溫度t與開爾文溫度T之間的關係為t=T-273.15。
雖然熱力學溫標是最基本、最理想的溫標，各種溫標都要以它為準，而且人們可以用氣體溫度計把熱力學溫標復現出來，但是由於氣體溫度計結構複雜，技術操作的要求很高，實際應用是很麻煩的。因此現在實際上採用的標準溫標是所謂的“國際溫標”，它的制定主要是為了使用的方便，並且儘可能地接近於熱力學溫標，因此具有很大的通用性，被各國廣泛採用。
人們對溫度概念的也認識經歷了定性和定量兩個階段，並有一個從常識經驗向科學轉化的過程。在溫度意義的轉變和深化過程中，溫標及其制定的作用是非常關鍵的，可以這樣說，溫標最終確立了溫度的科學地位。總之，在物理學的發展史上，溫度計的設計與製作是隨著人們對熱現象的認識不斷深入和科學技術的發展而不斷提高與完善的。
[1]一說現在的標度是由攝爾修斯在瑞典阿勃沙拉大學的一位同事生物學家林奈（Carolus Linnaeus）首先採用的，他以在動物和植物分類領域的研究而著名。
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