[物理史] 布拉克（Joseph Black）和潛熱 消失的熱和沒有吠叫的狗

布拉克（Joseph Black）和潛熱 消失的熱和沒有吠叫的狗
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2012年4月）

布拉克（Joseph Black）

人類自古以來最自然的本能之一，即是靠著觸覺來分辨東西是否是熱的；東西感覺熱熱的，是因為它的能含量，「顯熱」。然而有一種更微妙的熱形式，大家後來才知道；我們無法經由觸覺來察覺，但我們的四周隨處可見它存在的證據。

例如，冰的融化吸收大量的熱，但溫度並沒有任何上升；又如水的蒸發吸收更多的熱，但溫度也沒改變。當過程反過來，水結成冰或水蒸氣凝結成液體時，這種「潛熱」就會回到四周環境。冰和水蒸氣中儲存的潛熱對於天氣和氣候有很深度的影響。 

早期的科學家無法理解潛熱的概念，只知道它似乎消失了，然後卻會在別的地方又出現。更糟的是，在那時，熱和溫度的區別不甚清楚，用來測量它們的儀器又簡陋不可靠。但最後，潛熱的怪異行為被一位謙虛的蘇格蘭科學家布拉克（Joseph black）以敏銳的科學洞悉力，很高明地解開了。布拉克，1728 年生，1799 年過世，他在大家都不清楚，也似乎毫不相關的事證中領悟出深奧的真理。

布拉克被物理學家（華氏溫度的）華倫海特（Gabriel Daniel Fahrenheit）的過冷水觀測吸引，而注意到潛熱的難題。華倫海特報告現在眾所周知的事實說，水可以過度冷卻，或冷卻至冰點以下，而不會結成冰；然而，只要搖一下，過冷水馬上就結成冰，溫度也會上升至凝固點。

布拉克思考華倫海特的實驗，以及他自己對緩慢融冰的觀測。總括來說，這兩件事都說明了，當冰融解時會吸收大量的熱，而當水結成冰時也會釋放出等量的熱。從這個簡單的領悟，他很快地了解說，一定存在有某一種熱形式，當水改變形態時會神秘地消失，之後再出現。布拉克的論點有一部分是基於他實際並未看到所預期的事發生。（名偵探福爾摩斯利用相似的邏輯解決了一個懸疑案子，他注意到狗在案發現場應該叫，而沒吠叫。）

在布拉克的研究之前，科學家認為如果將一塊很冷的冰加熱到凝固點的話，只要再加微量的熱就可將冰塊完全融化，布拉克證明大家所預期的事並沒發生。在上課的示範中，他說明等重量的冰和水，當兩者都是 $$0^\circ\mathrm{C}$$，同樣受講堂的空氣暖化，卻出現了不同的反應；一段時間以後，水增溫了許多度，冰卻未如預期的融化，大部分仍是冰，只有少量的水，溫度是 $$0^\circ\mathrm{C}$$。他採用缺乏預期效應，「沒有吠叫的狗」，來說明他的看法。

布拉克指出，大自然在融冰或融雪時會產生重要的潛熱效應，「假如冰或雪要完全變成水只需要再加很少量的熱的話，整片冰雪，雖然很大片，應該也只需要幾分鐘或幾秒鐘就會融化，若果真如此，情況就會很恐怖的。就目前的情況，大量的融冰或融雪都會引發強大的洪流，假若冰或雪會突然地融化，那麼洪流將更可怕，無法比擬。」布拉克所發現的潛熱大幅地減慢了雪和冰的融化，他最先將此研究於 1762 年 4 月 23 日在格拉斯哥大學（University of Glasgow）提出報告。

布拉克證實了融冰時有潛熱的存在後，他轉而研究水的蒸發。他的演講筆記寫著：假如在沸水中加入少量的熱就會將水全轉變成蒸汽的話，「那麼會產生水的爆炸，威力等同火藥，是無可避免的後果。」因為那不曾發生，所以他下結論說，縱使溫度沒有改變，但一定需要加入大量的熱，「所以我給它命名為 latent heat（潛熱）」。

潛熱的概念很快地應用到工業上，瓦特（James Watt）是布拉克的學生，和布拉克合作研究。瓦特早期對潛熱的知識讓他可以操作蒸汽機的熱，將簡陋、效率差的機器改良成工業時代強大的驅動機。而且，了解潛熱可讓人設計出熱絕緣的方法，可以將冰儲存好幾個月不會融化，甚至在最熱的氣候中。當時美國還出現一種產業，將冬天北方湖泊的冰切割下來，船運至古巴、印度和其他溫暖的國家。在 19 世紀初，冰是美國僅次於棉花最重要的出口品之一。作家梭羅（Henry David Thoreau）是對科技極盡無情的批評者，他於 1854 年以一個句子表達了他對冰外銷以及蒸汽機的鄙視：「大家認為美國需要商業、冰外銷、…以及每小時奔馳 30 哩，…假如不興建鐵路，我們要怎麼及時到達天堂？」

布拉克出生於 1728 年 4 月 16 日，家中有 12 個小孩。他的父親強迫他去念醫學，於是他到格拉斯哥大學註冊，於 1754 年在愛丁堡大學獲得醫學學位。之後，布拉克到格拉斯哥大學任職，在那裏完成了大部份的發現。他很少發表他的研究結果，大家主要經由他的公開演講，以及學生們聽講時詳細做的筆記而得知。除了潛熱的發現外，他是第一個闡明比熱的概念，並說明它從一個物質到另一個物質如何不同。他還發現了二氧化碳，並說明它和其他氣體以及碳酸鹽礦物質的關係。最後，他到更有名望的愛丁堡大學任職，他的講課技巧很著名，是精確有序的表率，上課示範實驗，總是很成功，吸引各個領域的許多學生來聽講。

布拉克於 1799 年安詳辭世。

原文刊載於物理雙月刊2014年4月號36卷第2期，感謝楊信男教授同意授權刊載。

系列文章100篇已集結成冊，由五南出版，書名為《物理奇才奇事》。