[科學發展] 熱力學發展簡史 (二)
綜觀而言，所謂熱力學發展史，其實就是熱力學與統計力學的發展史，基本
上約可劃分成四個階段，分別敘述如下：
第一個階段：十七世紀末到十九世紀中葉
實質上是熱學的早期史，開始於十七世紀末到十九世紀中葉，這個時期累積
了大量的實驗和觀察，並製造出蒸汽機，關於「熱」的本質展開了研究和爭論，
為熱力學理論的建立做了準備。在十九世紀前半葉首先出現的卡諾理論、熱機
理論（第二定律的前身）和熱功相當互換的原理（第一定律的基礎）已經包含
了熱力學的基本思想，這一階段的熱力學還留在熱力學的現象描述，並未引進
任何數學算式。
溫度計的發展
一五九三年：義大利伽利略製造了第一支溫度計， 以空氣為測溫物質，由玻
璃泡內空氣的熱脹冷縮來指示冷暖。
一六三二年：法國珍．雷（Jean Rey），將伽利略的溫度計倒轉過來，並注入
水，以水為測溫物質，利用水的熱脹冷縮來表示溫度高低，但管
子是開口的，因而水會不斷蒸發。
一六五七年：義大利佛羅倫薩的西門圖科學院的院士，改用酒精為測溫物質，
並將玻璃管的開口封閉，製造出除了避免酒精蒸發，也不受大氣
壓力影響的溫度計，同時選擇了最高和最低的溫度固定點。
一六五九年：巴黎天文學家布利奧（Boulliau）把西門圖院士傳到法國的溫度
計充以水銀，而製造出第一支水銀溫度計。
一六六○年到一七○○年期間：波義耳和其助理虎克（Robert Hooke），甚至
牛頓本人均體認到制定溫標的重要性，雖然他們沒有對溫度計制
定溫標，但對溫度計發展的貢獻卻是非常重要的。
一七○二年：阿蒙頓（Guillaumel Amontons）仿伽利略的方法製出一個裝有
水銀的Ｕ型且與大氣壓力無關的氣體溫度計，與現今標準氣體溫
度計相近。
一七一四年：荷蘭氣象學家華倫海特（Gabriel Danniel Fahrenheit）製作出
第一批刻度可靠的溫度計（有水銀的，也有酒精的）。他選定三
個溫度固定點：
（1）零度是冰水和氯化銨混合物的溫度，
（2）32 度是冰水混合的溫度，
（3）96 度是人體的溫度。這就是華氏溫標 ℉。一七二四年他
測量水的沸點為 212 度，同時他還證明了沸點會隨大氣壓
力變化，現代人把標準氣壓下水的冰點和沸點之間標以 180
刻度，就是華氏溫標。
一七四二年：瑞典天文學家攝耳修斯（Anders Celsius）引進百分刻度法，他
把水的沸點定為零度，水的冰點定為 100 度，此即所謂攝氏溫
標，其同事斯特莫（Stromer）把這兩溫度值倒過來即成為近代
所用的攝氏溫標，到此為止，溫度計算是定型了。
熱量概念的演進
人們長久以來對溫度和熱量的概念混淆不清，多數人以為物體冷熱的程度代
表著物體所含熱的多寡。
首先德國斯塔爾（Georg Ernst Stahl）教授提出熱是一種燃素，後來荷蘭
波哈維（Hermann Boerhaave）教授甚至說熱是一種物質。雖然熱是一種物質
的說法不正確，但波哈維教授把華氏 40 度的冷水與同質量華氏 80 度的熱水
相混而得華氏 60 度的水，卻隱約地得到熱量守恆的一個簡單定則；不過對於
不同質量，甚至不同物質的冷熱物體的混合，他就難以解釋了。
另一類的人如虎克，認為熱是物質各部分激烈的運動，牛頓也認為熱是粒子
的運動。 一七四○年左右，俄國聖彼得堡科學院院士克拉夫特（Baron Rich-
ard von Krafft-Ebing）提出冷水、熱水混合的公式。一七五○年由德國移民
到聖彼得堡的理奇蒙（Richmann）院士也做了一系列熱量測的研究，他將不同
溫度的水混合，研究熱量的損失，並改進克拉夫特的公式。此公式雖不正確，
但他卻指出混合前後，熱量要相等的概念。（插曲，理奇蒙在重覆富蘭克林的
實驗時，不幸被閃電電死。） 一七五五年，蘭勃特（Johann Heinrich Lamb-
ert）院士才將熱量與溫度的概念加以區別和澄清。
真正對熱量測量工作有巨大貢獻的是英國化學教授布雷克（Joseph Black），
他不僅成功地澄清了溫度和熱量這兩個概念，同時提出相變時潛熱的概念，並
暗示出不同物質具有不同的「熱容量」，而他的學生爾灣（W. Irvine）更是
正確地提出熱容量的概念。
一七七七年化學家拉瓦錫（Antoine Laurent Lavoisier）和拉普拉斯（Pie-
rre Simon Marquisde Laplace）設計了一個所謂「拉普拉斯冰量熱器」，可
以正確測出熱容量和潛熱。 一七八四年麥哲倫（Ferdinand Magellan）引進
比熱的術語，同一時期威爾克（Wilcke）提出若把水的比熱定為 1，則可以定
出其他物質的比熱， 但是在這段期間人們依然認為熱是一種物質是正確的。
一七八九年出生於美國後到英國又到德國而受封的倫福伯爵（Count Rumf-
ord）（原名Benjamin Thompson）在慕尼黑兵工廠監督大炮鑽孔，發現熱是因
摩擦而產生，因而斷言，熱不是物質而是來自運動。
一七九九年英國化學家，即後來的首任皇家研究院院長戴維（Sir Humphry
Davy）在維持冰點的真空容器中進行摩擦的實驗，發現即使是兩塊冰相互摩擦
也有些冰熔化成水，所以他認為摩擦引起物體微粒的振動，而這種振動就是熱。
雖然有倫福和戴維教授極力否定熱是一種物質說法，但是仍無法改變人們認
為熱是一種物質的概念。直到十九世紀中葉後，卡諾（Nicolas Leonard Sadi
Carnot）死後 50 年其理論才被人們重視，加上德國梅耶（Julius Bobert
Mayer）醫師和英國物理學家焦耳的努力才改變了人們的觀念，促使了第一定
律和第二定律成熟地產生。
< 待續 >
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