[物理史] 布拉克(Joseph Black)和潜热

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  • 日期(2020-06-10)



(译自APS News,2012年4月)

[物理史] 布拉克(Joseph Black)和潜热

布拉克(Joseph Black)

人类自古以来最自然的本能之一,即是靠着触觉来分辨东西是否是热的;东西感觉热热的,是因为它的能含量,「显热」。然而有一种更微妙的热形式,大家后来才知道;我们无法经由触觉来察觉,但我们的四周随处可见它存在的证据。

例如,冰的融化吸收大量的热,但温度并没有任何上升;又如水的蒸发吸收更多的热,但温度也没改变。当过程反过来,水结成冰或水蒸气凝结成液体时,这种「潜热」就会回到四周环境。冰和水蒸气中储存的潜热对于天气和气候有很深度的影响。 

早期的科学家无法理解潜热的概念,只知道它似乎消失了,然后却会在别的地方又出现。更糟的是,在那时,热和温度的区别不甚清楚,用来测量它们的仪器又简陋不可靠。但最后,潜热的怪异行为被一位谦虚的苏格兰科学家布拉克(Joseph black)以敏锐的科学洞悉力,很高明地解开了。布拉克,1728 年生,1799 年过世,他在大家都不清楚,也似乎毫不相关的事证中领悟出深奥的真理。

布拉克被物理学家(华氏温度的)华伦海特(Gabriel Daniel Fahrenheit)的过冷水观测吸引,而注意到潜热的难题。华伦海特报告现在众所周知的事实说,水可以过度冷却,或冷却至冰点以下,而不会结成冰;然而,只要摇一下,过冷水马上就结成冰,温度也会上升至凝固点。

布拉克思考华伦海特的实验,以及他自己对缓慢融冰的观测。总括来说,这两件事都说明了,当冰融解时会吸收大量的热,而当水结成冰时也会释放出等量的热。从这个简单的领悟,他很快地了解说,一定存在有某一种热形式,当水改变形态时会神秘地消失,之后再出现。布拉克的论点有一部分是基于他实际并未看到所预期的事发生。(名侦探福尔摩斯利用相似的逻辑解决了一个悬疑案子,他注意到狗在案发现场应该叫,而没吠叫。)

在布拉克的研究之前,科学家认为如果将一块很冷的冰加热到凝固点的话,只要再加微量的热就可将冰块完全融化,布拉克证明大家所预期的事并没发生。在上课的示範中,他说明等重量的冰和水,当两者都是 $$0^\circ\mathrm{C}$$,同样受讲堂的空气暖化,却出现了不同的反应;一段时间以后,水增温了许多度,冰却未如预期的融化,大部分仍是冰,只有少量的水,温度是 $$0^\circ\mathrm{C}$$。他採用缺乏预期效应,「没有吠叫的狗」,来说明他的看法。

布拉克指出,大自然在融冰或融雪时会产生重要的潜热效应,「假如冰或雪要完全变成水只需要再加很少量的热的话,整片冰雪,虽然很大片,应该也只需要几分钟或几秒钟就会融化,若果真如此,情况就会很恐怖的。就目前的情况,大量的融冰或融雪都会引发强大的洪流,假若冰或雪会突然地融化,那幺洪流将更可怕,无法比拟。」布拉克所发现的潜热大幅地减慢了雪和冰的融化,他最先将此研究于 1762 年 4 月 23 日在格拉斯哥大学(University of Glasgow)提出报告。

布拉克证实了融冰时有潜热的存在后,他转而研究水的蒸发。他的演讲笔记写着:假如在沸水中加入少量的热就会将水全转变成蒸汽的话,「那幺会产生水的爆炸,威力等同火药,是无可避免的后果。」因为那不曾发生,所以他下结论说,纵使温度没有改变,但一定需要加入大量的热,「所以我给它命名为 latent heat(潜热)」。

潜热的概念很快地应用到工业上,瓦特(James Watt)是布拉克的学生,和布拉克合作研究。瓦特早期对潜热的知识让他可以操作蒸汽机的热,将简陋、效率差的机器改良成工业时代强大的驱动机。而且,了解潜热可让人设计出热绝缘的方法,可以将冰储存好几个月不会融化,甚至在最热的气候中。当时美国还出现一种产业,将冬天北方湖泊的冰切割下来,船运至古巴、印度和其他温暖的国家。在 19 世纪初,冰是美国仅次于棉花最重要的出口品之一。作家梭罗(Henry David Thoreau)是对科技极尽无情的批评者,他于 1854 年以一个句子表达了他对冰外销以及蒸汽机的鄙视:「大家认为美国需要商业、冰外销、…以及每小时奔驰 30 哩,…假如不兴建铁路,我们要怎幺及时到达天堂?」

布拉克出生于 1728 年 4 月 16 日,家中有 12 个小孩。他的父亲强迫他去念医学,于是他到格拉斯哥大学注册,于 1754 年在爱丁堡大学获得医学学位。之后,布拉克到格拉斯哥大学任职,在那裏完成了大部份的发现。他很少发表他的研究结果,大家主要经由他的公开演讲,以及学生们听讲时详细做的笔记而得知。除了潜热的发现外,他是第一个阐明比热的概念,并说明它从一个物质到另一个物质如何不同。他还发现了二氧化碳,并说明它和其他气体以及碳酸盐矿物质的关係。最后,他到更有名望的爱丁堡大学任职,他的讲课技巧很着名,是精确有序的表率,上课示範实验,总是很成功,吸引各个领域的许多学生来听讲。

布拉克于 1799 年安详辞世。


原文刊载于物理双月刊2014年4月号36卷第2期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。