دستاوردهای عظیم (۲۴): کشف گرمای نهان توسط جوزف بلک

یکی از ابتدایی‌ترین مهارت‌های بشر، که از عهد باستان شناخته شده بوده، توانایی تشخیص گرمای یک جسم از طریق لمس کردن آن است. جسمی که داغ به نظر می‌رسد، محتوای انرژی بالاتری دارد. به این نوع از حرارت قابل تشخیص، حرارت محسوس (sensible heat) گفته می‌شود. ولی شکل جزئی‌تری از حرارت هم وجود دارد که از کشف آن مدت زمان زیادی نگذشته است. ما نمی‌توانیم این نوع از حرارت را از طریق لمس کردن اجسام تشخیص دهیم، با این وجود، شواهد فراوانی حاکی از وجود گرمای نهان (latent heat) در اطراف‌مان است.

دستاورد: کشف و توصیف گرمای نهان

تاریخ ثبت دستاورد: ۱۷۵۰

دستاورنده: جوزف بلک (Joseph Black)

یخی که در حال ذوب شدن است، مقدار زیادی حرارت را بدون این دچار تغییر دمایی شود، جذب می‌کند. آب در حال جوش گرمای به مراتب بیش‌تری برای بخار شدن جذب می‌کند، و این در حالی است که در تمام طول مدت تبخیر، دمای آب تغییری نمی‌کند. هنگامی که ذوب یخ و تبخیر آب به صورت انجماد و میعان در مسیر معکوس پیش بروند، این گرمای نهان دوباره به محیط باز می‌گردد. گرمای نهان ذخیره شده در یخ و بخار آب تأثیر عمیقی بر آب و هوا و اقلیم دارد.

دانشمندان در زمان‌های دور قادر به درک مفهوم گرمایی که در یک جا ناپدید شده و در جایی دیگر دوباره ظاهر می‌شود نبودند. یکی دیگر از مشکلات این بود که در آن دوران، تمایز بین حرارت و دما به خوبی درک نشده بود و ابزار در دسترس برای اندازه‌گیری این دو کمیت نیز بسیار ابتدایی و غیرقابل اعتماد بودند. سال‌ها به این ترتیب گذشت، تا این که در نهایت یک دانشمند اسکاتلندی به نام جوزف بلک (Joseph Black) موفق شد طی یک جهش علمی قابل تقدیر، ماهیت گرمای نهان را برای ما آشکار سازد. بلک توانست این حقیقت را از مشاهدات به ظاهر بی‌ارتباط با آزمایش، استخراج کند.

مشاهده‌ای روی آب فراسرد شده، که توسط گابریل دانیل فارنهایت انجام شده بود، توجه جوزف بلک را به معمای گرمای نهان معطوف نمود. فارنهایت فرآیندی به نام فراسرمایش را در آب گزارش کرده بود، به این صورت که می‌توان آب را بدون منجمد شدن تا دمایی زیر نقطه انجماد آن سرد کرد. آب فراسرد شده به محض این که تکانی کوچک بخورد سریعاً به یخ تبدیل شده و دمای آن نیز تا سر حد نقطه انجماد بالا می‌آید.

بلک در مورد نتایج آزمایش فارنهایت و مشاهدات خود از ذوب شدن آهستۀ یخ به دقت اندیشید. بلک و فارنهایت به طور مشترک نتیجه گرفتند که مقدار قابل توجهی از گرما طی ذوب شدن یخ جذب شده و دوباره همان مقدار، هنگام یخ زدن آب به محیط باز گردانده می‌شود. با در نظر گرفتن این نتیجۀ ساده، بلک دریافت که باید شکلی از گرما وجود داشته باشد که به طور اسرارآمیزی همگام با تغییر فاز آب، ناپدید شده و دوباره در محیط ظاهر می‎شود. نتیجه‌گیری بلک بر پایۀ عدم وقوع یک رویداد مورد انتظار استوار بود. (شرلوک هلمز نیز هنگام رسیدگی به یک پروندۀ چالش‌برانگیز از همین منطق استفاده کرده بود. بر اساس مشاهدات وی، سگی که هنگام وقوع جرم در صحنه حاضر بود، پارس نکرده بود؛ ولی انتظار می‌رفت که این کار را انجام دهد).

پیش از مطالعات جوزف بلک، مردم فکر می‌کردند که اگر یخ را تا نقطه انجماد آن گرم کنند، با اعمال نمودن مقدار بسیار کوچکی از حرارت اضافی، تمام یخ آب خواهد شد. بلک با موفقیت نشان داد که این رویداد مورد انتظار، در واقعیت رخ نمی‌دهد. او در سخن‌رانی علمی خود به حاضرین نشان داد که وزن‌های مساوی از آب و یخ با دمای صفر درجۀ سلسیوس – که به طور مساوی توسط هوای سالن گرم شده بودند – رفتار یکسانی را از خود بروز ندادند. پس از گذشت مدت زمانی، دمای آب تا چند درجه بالا رفت، در حالی که برخلاف انتظار، فقط مقداری جزئی از یخ ذوب شده و قسمت اعظم آن به همان حالت در دمای صفر درجه باقی مانده بود. او با بهره‌گیری از منطق عدم وجود تأثیر مورد انتظار (سگ پارس نکرد و یخ هم ذوب نشد)، این پدیده را توجیه نمود.

بلک هم‌چنین به یکی از تأثیرات مهم گرمای نهان در ذوب شدن برف و یخ در طبیعت اشاره کرده بود. اگر یخ و برف تنها به میزان بسیار جزئی از حرارت اضافی جهت تغییر دادن فاز خود نیاز داشت، یخ موجود در طبیعت – که حجم قابل ملاحظه‌ای هم دارد – باید در عرض چند دقیقه ذوب می‌شد. اگر این مسئله حقیقت داشت، پیامدهای ناشی از آن بسیار خطرناک می‌بود. همین حالا هم که ما این‌جا هستیم، ذوب شدن مقادیر عظیمی از برف و یخ به جاری شدن سیل‌های ویرانگر خواهد انجامید. گرمای نهانی که جوزف بلک آن را کشف نمود به طور چشمگیری سرعت آب شدن برف و یخ را کاهش می‌دهد. او نتایج کار خود را نخستین بار در ۲۳ام آوریل ۱۷۶۲ در دانشگاه گلاسگو ارائه نمود.

مقاله مرتبط: کشف نوع جدیدی از یخ در درون الماس

بلک پس از اثبات حضور گرمای نهان در فرآیند ذوب شدن یخ، به چگونگی تبخیر آب اشاره نمود. در یادداشت‌های سخن‌رانی وی می‌خوانیم که اگر اضافه شدن گرمای ناچیزی به آب در حال جوش می‌توانست تمام آن را به بخار تبدیل کند، در آن صورت آب با شدتی مشابه باروت به یک‌باره منفجر می‎شد. از آن‌جایی که چنین چیزی در واقعیت روی نمی‌دهد، او نتیجه گرفت که مقدار قابل توجهی از حرارت باید به سامانۀ آب در حال جوش اضافه شود، حتی اگر هیچ‌گونه تغییر دمایی نداشته باشیم. نام این حرارت، گرمای نهان است.

خیلی سریع، مفهوم گرمای نهان کاربرد صنعتی پیدا کرد. جیمز وات از دانشجویان جوزف بلک بود و در کارها به او کمک می‌کرد. آگاهی زودهنگام وات از گرمای نهان باعث شد وی بتواند ماشین بخار را طراحی کند. وات به سرعت توانست نسخۀ اولیه و ناکارآمد از ماشین خود را به مدلی قدرتمند ارتقا دهد که بخش بزرگی از نیازهای بخش صنعتی را برطرف می‌کرد.

درک مفهوم گرمای نهان به توسعۀ روش‌های برای عایق‌سازی انجامید که امکان نگهداری یخ را به مدت چندین ماه – حتی در گرم‌ترین هوا هم – فراهم می‌کرد. با گسترش صنعت در ایالات متحده، انتقال قطعات یخ برش داده شده در دریاچه‌های شمالی به کشورهایی چون کوبا، هند و دیگر مناطق گرمسیری امکان‌پذیر شد. در اوایل قرن نوزدهم میلادی، یخ یکی از مهم‌ترین اقلام صادراتی ایالات متحده محسوب می‎شد و تنها رقیب آن پنبه بود که رتبه اول را در صادرات داشت.

جوزف بلک در ۱۶ام آوریل ۱۷۲۸ در خانواده‌ای با ۱۲ فرزند به دنیا آمد. او به دلیل تمایل پدرش مجبور شد در دانشگاه گلاسگو پزشکی بخواند. بلک مدرک طبابت خود را در سال ۱۷۵۴ از دانشگاه ادینبورگ اخذ نمود. او در ادامه به کادر دانشکدۀ پزشکی گلاسگو ملحق شد و بیشتر اکتشافات خود را در همین دانشگاه انجام داد. بلک علاقۀ چندانی به انتشار نتایج کارهای خود نداشت (و یا شاید شرایط مهیا نبود). آن چه که ما هم‌اکنون دربارۀ مطالعات او می‌دانیم همه از سخن‌رانی‌های عمومی و یادداشت‌های دانشجویانش به یادگار باقی مانده است. در کنار کشف گرمای نهان، بلک هم‌چنین به تشریح موضوع گرمای ویژه پرداخت و نشان داد که گرمای ویژه برای اجسام مختلف مقداری متفاوت دارد. او هم‌چنین توانست کربن دی اکسید را کشف کرده و ارتباط آن را با سایر گازها و کربنات‌های معدنی توضیح دهد. بلک در نهایت به دانشگاه ادینبورگ (که بسیار مطرح بود) پیوست تا مابقی کارهای علمی خود را در این دانشگاه پی بگیرد. وی در سخن‌رانی مهارت خاصی داشت. مدل‌های منظم و دقیقی که بلک آزمایش‌های خود را به کمک آن برای حاضرین تفهیم می‌کرد، مثال زدنی بود و دانشجویان زیادی از رشته‌های مختلف را پای صحبت‌های او می‌کشانید.

جوزف بلک در سال ۱۷۹۹ درگذشت.