溫度就等於熱嗎?

文/胡妙芬(國立台灣大學動物學碩士、國內知名科普作 |2020.10.27
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自從有了溫度計和溫標以來,人們總算可以好好測量「熱」了!但是,早期的科學家還是常說:「這個物體含有30『度』的『熱』」或是「A的熱比B的熱多5度」一類的話。圖/陳彥伶(美國紐約普瑞特藝術學院碩士,信誼幼兒文學獎、兒童文學牧笛獎與第43屆金鼎獎得主)
赫爾曼.布爾哈夫 1668~1738 荷蘭醫生、植物學家 圖/陳彥伶(美國紐約普瑞特藝術學院碩士,信誼幼兒文學獎、兒童文學牧笛獎與第43屆金鼎獎得主)
「布爾哈夫難題」正是因為水銀和水的「比熱」不同,所以華氏80度的水銀與40度的水混合,溫度才會停在41度,而不是60度。以下就是破解這個難題的始末:圖/陳彥伶(美國紐約普瑞特藝術學院碩士,信誼幼兒文學獎、兒童文學牧笛獎與第43屆金鼎獎得主)

文/胡妙芬(國立台灣大學動物學碩士、國內知名科普作家)

自從有了溫度計和溫標以來,人們總算可以好好測量「熱」了!但是,早期的科學家還是常說:「這個物體含有30『度』的『熱』」或是「A的熱比B的熱多5度」一類的話。從他們的語病就可以知道,當時的學者把「溫度」看成「熱」,不少人甚至站在這個錯誤的基礎上,就開始大膽的提出自己的熱學見解。

其中最有名氣的一位,就是荷蘭的醫生兼植物學家布爾哈夫。他把華氏40度的冷水,跟80度的熱水等量混合,得到60度的溫水!他認為是:80度的熱水把「20度的熱」給了40度的冷水,所以40度的冷水加上「20度的熱」,就變成了60度!水的溫度就是熱,物體混合時會交換「熱」,所以溫度可以直接交換、加減,聽起來也非常合理。

只不過,自信滿滿的布爾哈夫,很快就被自己接下來的另一個實驗難倒了。這次他改用的是華氏40度的水與80度的「水銀」,結果混合的溫度竟然是41度,而不是原先預期的60度!這讓布爾哈夫非常頭痛,「溫度交換」聽起來非常合理,但是為什麼實驗結果卻不如預期呢?

當時,這道未解的謎題就被稱為「布爾哈夫難題」;直到20年後,英國科學家布萊克才參透其中的道理,找到眾多科學家們在熱學遊戲裡「卡關」許久的根本原因。

破解布爾哈夫難題

「布爾哈夫難題」正是因為水銀和水的「比熱」不同,所以華氏80度的水銀與40度的水混合,溫度才會停在41度,而不是60度。以下就是破解這個難題的始末:

「奇怪了!這是怎麼回事?」在實驗室裡研究冰塊融化的布萊克,用手搔了搔自己的頭髮。他注意到實驗結果事有蹊蹺,跟他長久以來接受的教育──「熱就是溫度,溫度就是熱」不一樣。當時正是1757年,布萊克剛從英國格拉斯哥大學的博士學生,正式升任教授。他注意到前兩年的冬天特別冷,但是戶外厚厚的積雪卻沒有想像中那麼容易融化,於是他準備了兩個一模一樣的燒杯,做了這麼一個冰的實驗──他把兩個燒杯同時掛在一個房間裡,計算兩個燒杯上升到室溫所需要的時間。

結果,明明兩杯的溫度只差一點點,燒杯A花了半小時,燒杯B卻用上整整10小時的時間!「這不合理呀!明明溫度一樣、熱一樣,所花的時間應該也要一樣才對……」「難不成……」布萊克試著讓自己的腦袋跳出舊有的框架,「難不成『冰』」變成『水』也需要吸收熱?!」

「對了!一定是這樣!冰要從空中吸收足夠的熱,變成水以後,溫度才會繼續上升!熱和溫度不是一樣的東西!難怪燒杯B需要多花這麼多時間,我找到背後的原因和道理了!」

布萊克的實驗以現代的眼光來看,一點都不難;似乎只要有溫度計,人人在家都能輕鬆進行。但是在那個年代,他的「潛熱」、「溫度不等於熱」卻像一把開山刀,讓科學家們有了好的工具,在「熱學」的新開發領域上披荊斬棘。不只如此,布萊克後續又發現:不同的物質要上升相同的溫度,需要的熱量不同,因而提出「比熱」的概念,將盤桓多年的布爾哈夫難題迎刃而解。

布萊克不但以熱學觀念啟發、更以實際的金錢資助瓦特改良蒸汽機,推動工業革命、改變了人類的命運。

本文摘自《科學史上最有梗的20堂物理課》 親子天下出版

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