1760

研究人员：

约瑟夫·布莱克

研究领域：

热力学

结论：

冰变成水，水变成蒸汽都需要吸收热量

冰是……热的？

通电流体的性质

苏格兰裔的约瑟夫·布莱克出生于法国南部，因为他的父亲是一位葡萄酒商，所以他们家在波尔多拥有一幢洋房，还在附近买了一座带农舍的葡萄园。

对布莱克来说，去寒冷的贝尔法斯特求学应该是一段颇为痛苦的经历，后来他又去了格拉斯哥大学进修科学和医学。18世纪50年代初，仍在攻读博士学位的布莱克首次分离出了纯净的气体，他得到的是二氧化碳，当时的人们称之为“凝固的空气”。

融化的雪

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1755年和1756年的冬天格外寒冷。1757年，布莱克成为格拉斯哥大学的教授以后，他开始对冰雪的融化产生了兴趣。他曾在课堂上讲道：

“如果我们深入思考冰雪融化的现象……尽管最开始冰雪的温度很低，但很快它们就会被加热到熔点，于是冰雪的表面开始融化成水。如果……冰融化成水只需要吸收一点点额外的热量，那么无论冰块的体积有多大，它都应该会很快融化……要是事实果真如此……春天的洪水应该来得比现在凶猛得多。”

事实上，冰雪融化可能需要花费几周甚至几个月时间，于是布莱克推测，这个过程或许并不容易。但这是为什么呢？

他观察到，“就算没有温度计，我们也可以轻松地察觉到，较热物体的热量总会向周围较冷的地方扩散，直至温度分布均匀……热量达到某种平衡的状态”。

利用温度计，布莱克做了个实验。他把1磅（约0.45千克）热水和1磅冷水混在一起，最后得到的2磅水温度正好处于两者之间。

然后，布莱克又设计了另一个实验。他在两个一模一样的烧瓶里装满水，然后将烧瓶A冷却到接近冰点，即32℉（0℃），烧瓶B则刚好冷却到冰点以下，里面的水自然就结冰了。接下来，他把两个烧瓶并排悬挂在安静的房间里，等待瓶内物质在室温下自然升温。烧瓶A里的水半小时后就达到了室温，但烧瓶B里的水达到同样的温度却花了超过十个小时。显然，冰变成水需要吸收大量的热，直到冰完全融化以后，它的温度才会开始上升。

潜热

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布莱克认为，能够用手触摸——也能用温度计测量——的热叫“显热”，而冰融化所需的额外热量则是“潜热”，意思是“隐藏的热”。

为了验证这个理论，他又取了两个烧瓶，在烧瓶C中装满水，烧瓶D则装入水和酒精的混合溶液。布莱克在两个烧瓶里各放了一支温度计，然后在一个寒冷的晚上把它们放到了室外。两个烧瓶内的液体温度最终都下降到了32℉。

不过，烧瓶C里的温度计下降到32℉以后就再也不动了，温度计周围的水开始结冰；而烧瓶D里的温度还在继续下降，因为酒精溶液的凝固点比水更低。

沸腾的水

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然后，布莱克以同样的方式研究了沸腾的水——如果手边有合适的温度计，你也可以自己试试。这个实验需要的量程大约是65～220℉（约18～104℃）。

将温度计放在装水的锅里，然后把锅放到炉子上加热。水的温度会逐渐上升到212℉（100℃），然后开始沸腾；在水沸腾的过程中，它的温度不会继续上升。换个火力更大的炉子，水会沸腾得更快，但温度还是保持不变。

让水沸腾需要外界的热量，热会赋予每个水分子足够的能量，让它摆脱液态的束缚，蒸发成气态。这部分热依然是潜热——蒸发所需的潜热。

詹姆斯·瓦特和他的分离式冷凝器

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几乎可以肯定，布莱克发现的潜热启发了他的朋友詹姆斯·瓦特。1765年，瓦特发明了分离式冷凝器，由此大幅提高了蒸汽机的效率。

1766年，布莱克来到爱丁堡大学，这里的很多学生是当地酿酒商的儿子。好奇的学生纷纷询问布莱克，为什么蒸馏工艺需要消耗那么多燃料，导致威士忌的价格居高不下？布莱克的回答非常简单：因为潜热。将液体蒸发为气体需要消耗大量能量，蒸汽冷凝后才能分馏出威士忌。