熱學發展的分水嶺—熱與溫度的區別

熱其實是自然中十分常見的現象,從遙遠的古代就已經有諸多的紀錄,舉凡東方五行中的水火木金土中的火,或是西方四元素中的水火土氣中的火元素,都帶有"熱"的特性。但這些"火"的描述多半只停留在現象的描述,並沒有真正探討到"熱"的本質究竟是什麼。

直到16世紀,經歷近千年黑暗時代的歐洲,隨著文藝復興與大航海時代的發生,歐洲開始甦醒,這時為了支撐人們探求未知的渴望,許多的學問開始快速發展,數學、力學、天文學尤其快速,這時的人們開始使用培根所提出的「科學方法」來探索世界,這種藉由實驗、量測、比較、歸納的方式,開始讓探索世界的速度大大提升,而對"熱"的探索也成了這個時期的一個發展項目。

史上第一支溫度計的出現

1593年,伽利略利用空氣熱脹冷縮的特性發明了第一支測量溫度的工具,他將窄玻璃管一端開口、一端吹成球,將球加熱排出部分的空氣後將開口端插入水中,這時水會從玻璃管中上升到一個高度,此後只要有溫度變化玻璃球內的壓力產生變化水柱高度便會開始變化。雖然這樣的測溫工具相當不精準,但對於熱的測量可以說是踏了重要的第一步。而目前我們所看到的溫度計最原始的樣子,大約是在1657年由義大利佛羅倫薩西門圖科學院所製造,但溫度確切的標準還尚未被訂定,至於我們現在的攝氏溫度就已經是1742年的事了。

當溫度可以被測量後,人們發展出了測量溫度的學問,測溫學,這時科學家把量測到的溫度視為"熱"的指標。也就是說,科學家們認為溫度就是熱,而測溫學就是測量熱有多少的學問,這時就已經有一些關於熱的理論開始被提出。

當溫度成為熱的指標後

1732年,荷蘭科學家布爾哈夫在他發表的《化學原理》中提出他的發現,當他在進行不同溫地的兩杯水等量混合時,溫度會呈現兩杯原本溫度的平均值,這樣的發現似乎強化了溫度等於熱並能夠交換的事實,但很快的布爾哈夫在不同物質混合時就遇到了難題。本應在混合時達到溫度平均的預測,竟然在他將80度水銀與20度水進行混合時出現了意料之外的答案,最後兩者溫度停在22度後便不再變化,這讓布爾哈夫相當頭痛,溫度交換聽起來是多麼的合理,但實驗的結果卻不如預期呢?

「所謂的熱跟我們所量測到的溫度,其實是不一樣的東西,長久以來我們似乎搞錯了什麼」布萊克說道

在布爾哈夫去世後的20年左右,來自英國的布萊克,點出了布爾哈夫難題的根本原因。

英國科學家布萊克,是研究熱的科學家,1756年,當時他研究的主題是相變化,他注意到冰在融化時周遭環境的溫度會下降,但冰與融化的水並沒有因為吸收了環境的熱而提升溫度。於是他猜想,在物質的狀態發生變化時,溫度似乎不一定會隨著得到熱或放出熱變化,但如果是這樣的話,不就代表溫度和熱不一樣了嗎?

原來熱與溫度並不一樣嗎?

1760年,布萊克正式提出「潛熱」的概念,他認為物質在三態轉換時需要吸收或放出額外的熱,來讓物質達到狀態的轉變,在克服潛熱之前物質的溫度並不會變化,所以「溫度」其實並不直接等於「熱」。不過到底溫度代表什麼?而熱又是什麼呢?

布萊克認為,溫度其實是「熱的強度的表現方法」,而我們平常在討論的其實是「熱的數量」。他做了一個有趣的實驗來闡述兩者的差別,他將一磅的水與兩磅的水在同樣的加熱器上加熱到相同溫度,接著會發現兩磅的水需要的加熱時間剛好是一磅水的兩倍長,在這個實驗裡溫度計所能量測到的溫度變化是一樣的,但要如何解釋加熱時間上的差異呢?布萊克認為熱量的獲得與加熱時間是成正比的關係,所以兩磅的水得到的熱量肯定比一磅的水多兩倍,這樣就同時可以解釋溫度與加熱時間的關係了。

雖然說區分出了熱與溫度的差異,但這時的布萊克並沒有辦法明確的定出熱的單位,於是他用一定質量的冷水放入特製定溫的容器中,量測他溫度上升一度的時間,接著以相同質量的冰下去測量冰塊融化所需要的熱量,藉由加熱時間的長短來比較吸受熱量的多寡。實驗後他發現同樣質量的冰塊要完全融化竟然要花比水上升一度多八十倍的時間,於是他得出冰融化的潛熱,應該比水上升一度所需要的熱量多八十倍。

布萊克解釋:

「當冰融化成水時他所需要的熱量比水上升一度時多得更多,而這些熱就是用來讓固體轉換為液體所需要的熱量」

如果溫度不是熱,那"熱"是什麼?

布萊克的發現成功將溫度與熱給區分了出來,溫度僅代表物質表現出來的熱狀態(強度),而熱量才是我們一直在討論的「熱」呀,不過熱或者是熱量究竟是什麼東西呢?我們可以感受到冷熱在物質之間會流動,但熱到底是什麼樣的概念呢?雖然說我們製作出了溫度計來量測物質的溫度狀態,但溫度終究無法直接代表熱,那這個熱在科學家的眼中又會如何解釋呢?這又是另外一個故事了。