第三章

量热计即测量热素装置的说明

量热计即测量物体中所含相对热量的装置，是由德·拉普拉斯先生和我在 1780 年《科学院文集》第 355 页所描绘的，本章的材料便取自这篇文章。

如果使任一物体冷却至冻点之后将其置于 25°（88.25°）的大气之中，那么该物体将会由表及里逐渐变热，直至最后它获得与周围空气相同的温

度。不过，如果将一块冰置于同样境况之下，情况就颇为不同了；它一点都不接近周围空气的温度，而是持续地处于零度（32°），也就是使冰融化的温度，直至最后一份冰完全融化。

这种现象易于解释，因为要使冰融化，即将其还原成水，它就需要与一定份额的热素化合；从周围物体吸引的全部热素都被吸引或固定到冰的外层，热素使冰融化并与之化合成水；第二份热素与第二层化合将其融化成水，依此类推，直至全部冰都通过与热素化合而融化，转化成为水，最后的原子仍然保持其以前的温度，因为只要有冰尚待融化，热素就不会渗透。

根据这些原理，如果我们设想一个温度为零（32°）的中空冰球处于 10

°（54.5°）的大气中，盛有处于冻结温度以上任何温度的某种物质，那么由此可得，第一，外部大气的热不能渗透进冰球的内部中空；第二，置于冰球之中的物体的热不能超越它渗透出去，但将停留在内表面上用来不断融化冰层，直至超过零度（32°）的所有过剩热素都被冰夺走，使物体的温度降至零（32°）。如果仔细搜集所盛物体温度降至零的过程中冰球内形成的全部水，那么，该水的重量将正好与物体在从其原来的温度变为融冰温度的过程中所失去的热素之量成比例；显然，双份热素之量会融化二倍的冰量；因此融冰的量是用以产生融冰结果的热素之量的精确量度，因此就是可能提供了热素的仅有的物质失去的热素量的精确量度。

我提出这个关于中空冰球中所发生的情况的假定，是为了较容易地解释德·拉普拉斯先生首先设想出的这种实验中所采用的方法。得到这样的冰球困难，如果得到了使用也不方便；不过，我们已经用下述装置补救了这个不足之处。我承认我给该装置赋予的量热计（calorimeter）的名称部分源自希腊文，部分源自拉丁文，这在某种程度上易引起非难；不过，从严格的词源学来看是微小偏差的东西，为了使思想清晰，在科学上却是言之成理的；而且，我不会完全从不很接近为其他目的所使用的已知仪器的名称的希腊文来取这个名称。

图版Ⅵ中所描绘的便是量热计。图 1 用透视图显示它。图 2 和图 3 中镌版印出的是其内部结构；前者是水平截面，后者是垂直剖面。其容量或腔分为三个部分，为更好区分，我把它们称作内腔、中腔和外腔。用来做实验的物质放进内腔 ffff（图 4），它由用数根铁棒支撑的铁丝格栅或铁丝笼组成；其腔口 LM 用相同材料的盖子 HG 盖住。中腔 bbbb（图 2 和图 3）用来盛包围内腔的冰，该冰要用实验中使用的物质的热素来融化。冰由腔底格栅 mm 支撑，其下放置格筛 nn。这二者分别描绘在图 5 和图 6 中。

按由置于内腔中的物体离析出的热素所融化的中腔中所盛冰的比例，水穿过格栅和格筛，通过圆锥形漏斗 ccd（图 3）落入容器 F（图 1）之中。此水可以用活塞 u 随意保留或放出。外腔 aaaa（图 2 和图 3）填满冰，以防止来自周围空气的热对中腔中的冰有任何影响，由冰产生的水通过管子 ST 流出，此管用活塞 r 关闭。整个机器用盖子 FF（图 7）盖住，盖子用锡做成，

刷有防锈油漆。

要使用这个机器时，中腔 bbbb（图 2 和图 3）、内腔盖 GH（图 4）、外腔 aaaa（图 2 和图 3）以及总盖 FF（图 7）都要填满碎冰并且塞紧以免留下空隙，中腔的冰则任其耗尽。然后打开机器将用来做实验的物质放入内腔，迅速将其关闭。待所盛物体完全冷却至冻点，全部融冰从中腔耗尽之后，精确称量容器 F（图 1）中聚集的水。实验过程中产生的水的重量，就是所盛物体冷却过程中离析出的热素的确切量度，因为这种物质显然处于与前面提及的盛于中空冰球中的物质相同的情况之中；离析出的全部热素被中腔中的冰所阻挡，该冰靠总盖（图 7）和外腔所盛之冰而免受其他热的影响。这种实验持续十五至二十小时；用完全无过剩水的冰盖住内腔中的物质，有时使这些实验加速，冰促进该物质冷却。

把要处理的物质放进薄铁桶（图 8）中，桶口配有一个软木塞，软木塞中固定进去一个小温度计。如果我们使用酸或有害于仪器的金属的其他流体，把它们装在卵形瓶（图 9①）中，其口上配的软木塞中有一个较小的温度计，卵形瓶竖立于小圆筒支座 RS（图 10）上的内腔之中。

绝对必要的是，量热计的外中腔之间不联通，否则，受周围空气影响而在外腔中融化了的冰就会与中腔的冰所产生的水混合，此水就不再是用来做实验的物质失去的热素的量度了。

当大气的温度只有冻点之上几度时，其热由于受到盖子（图 7）和外腔的冰的阻止而几乎不能到达中腔；但是，如果空气的温度在冻结度下，它就引起外腔中的冰首先降温至零（32°）下，而会使中腔所盛之冰冷却。所以，这个实验必须在冻结温度上面一点的温度中进行：因此，在冰冻时期，量热计必须保持在小心加热了的房间里。使用的冰还必须不处于零（32°）下；为此目的，必须在较高温度的地方把冰敲碎薄薄地铺开一些时候。

内腔的冰总是保持一定量的水附着在其表面，可以假定它属于实验结果之列；但是，由于在每个实验的开始，冰已经被它能含的那么多的水所饱和，如果由于热素而产生的任何水仍然附在冰上，那么很显然，必定有与实验之前附着于它的水量极接近相等的水量代替它而流进容器 F 之中；因为在实验过程中，中腔中的冰的内表面几乎没有变化。

用任何可以设计出的机械装置，我们在大气为零上 9°或 10°（52°或54°）时都不能阻挡住外部空气进入内腔的通路。限制在此腔中的空气由于与外部空气相比特别重，就通过管子 xy（图 3）泄逸下来，被较暖和的外部空气所取代，此外部空气向冰放出热素，变重再下沉；于是，通过机器就形成了气流，气流随外部空气在温度上超过内部空气的比例而加快。此暖空气流必定融化一部分冰而有损于实验的精确性。将活塞 u 持续保持关闭状态，我们可以在很大程度上防止此误差之源；不过，只有当外部空气在不超过 3

① 英文版误为“图 10”。——C

°，最多不超过 4°（39°至 41°）时操作才更好；因为我们已经观察到，在这种情况下，完全察觉不到大气引起的内部冰的融化；这样我们就可以保证我们关于物体比热的实验精确到四十分之一。

我们已经让人建造了两台以上描述的机器；一台打算用来做不需要更换内部空气的实验，精确地按照这里的描述做成；另一台保证关于燃烧、呼吸等必须有外加数量的空气的实验，它不同于前一台，在两边有两个小管子，通过管子可以将空气流吹进机器的内腔。

用这个装置，极容易确定操作中发生的现象，不论操作中热素是离析还是被吸收。譬如，如果我们要确定某一固体在冷却一定度数的过程中离析出的热素的量，就让其温度升至 80°（212°）；然后将其放进量热计的内腔ffff（图 2 和图 3），让其留至我们确信其温度降至零（32°）时为止；收集它在冷却过程中融化冰所产生的水并仔细称量；此重量除以用来做实验的物体的体积，乘以它在实验开始时所具有的零上温度，就得到英国哲学家们叫做比热（specificheat）的东西的比例。

流体盛于其比热已事先确定了的适当器皿之中，用与已经指出的处理固体相同的方式在机器中处理液体，注意要从实验过程中融化的水量中，扣除属于盛器的部分。

如果要确定不同物质化合过程中离析出的热素的量，就要事先用碎冰把它们包围起来保持足够长的时间，使其处于冻结温度；然后在量热计内腔中一个也处于零度（32°）的适当器皿中将其混合；让它们处于封闭状态，直至化合物的温度恢复到相同度数为止。产生的水量就是化合过程中离析的热素的量度。

要确定燃烧过程和动物呼吸过程中离析的热素的量，就在内腔中让可燃物体燃烧或让动物呼吸，仔细收集产生的水。豚鼠极抗严寒，很适合用来做这种实验。由于在这样的实验中绝对需要不断更新空气，因此我们就靠为此目的之用的一个管子将新鲜空气送进量热计的内腔，并让它从另一个同种类的管子泄出；由于此空气的热不得在实验结果中产生误差，要使将空气输送进机器的管子通过碎冰的，以使其到达量热计之前降至零度（32°）。还必须使泄出的空气通过机器内腔之中用冰包围着的管子，产生的水必须成为收集的部分，因为由此空气离析的热素是实验结果的一部分。

确定不同气体所含比热由于它们的密度小而稍微困难一些；因为，如果仅仅象其他流体那样把它们盛于器皿之中放进量热计内，那么融冰的量如此之少，以致实验结果充其量也是极不确定的。为了这种实验，我们已经设法使空气通过两个金属蛇管，即旋管；其中的一个置于充满沸水的器皿之中，空气从中通过并在通向量热计的途中被加热，另一个置于机器的内腔 ffff 之内，空气通过它在量热计中循环以离析其热素。用置于第二个蛇管的一端的一个小温度计，确定空气进入量热计时的温度，空气离开内腔时的温度用置于蛇管另一端的另一个温度计测得。用这个机械装置，我们就能够通过有

定值的空气或气体的量在失去一定量的温度时所融化的冰的量，从而也就能够确定它们的比热素（specific caloric）的度数了。采用某些特殊的预防措施，可以把同样的装置用以确定由不同气体的凝聚而离析的热素的量。

可以用量热计做的各种实验都不提供绝对的结论，只给我们提供相对量的量度；因此，我们就得确定一个单位即标准点，由此形成一个关于若干结果的标度。融化一磅冰所必须的热素的量已经被选作这种单位；由于融化一磅冰需要一磅温度为 60°（167°）的水，因此，我们的单位或标准点所表示的热素的量，就是使一磅水从零（32°）升至 60°（167°）的量。一旦确定了这个单位，我们就只得用类似的值表示不同物体由于冷却一定的度数而离析的热素的量了。以下是用于此目的的一个简易计算模式，适用于我们最早的一个实验。

我们取 7 磅 11 盎司 2 格罗斯 36 格令剪成窄片并且卷起来了的铁皮，此

量用十进制小数表示就是 7.7070319。这些铁片在沸水浴中加热至约 78°

（207.5°），迅速放进量热计的内腔。十一小时末，当由冰融化的全部水量彻底排出时，我们发现融化了 1.109795 磅冰。因此，铁冷却 78°（175.5

°）离析的热素融化了 1.109795 磅冰，那么，冷却 60°（135°）会融化多少呢？这个问题给出下列正比陈述，78：1.109795∷60：x=0.85369。此量除以所用的全部铁的重量，即 7.7070319，商 0.110770 就是一磅铁冷却 60

°（135°）的温度时会融化的冰量。

将流体物质，譬如硫酸和硝酸等等，盛入在软木塞上配有温度计的卵形瓶（图版Ⅵ，图 9）中，温度计的球部浸入液体之中。卵形瓶置于沸水浴中，当我们根据温度计断定该液体升至适当温度时，就将卵形瓶放进量热计中。为确定这些流体的比热素，就要象上面指出的那样进行结果计算，注意从得到的水中扣除单由卵形瓶产生的水量，这必须由前面的一个实验确定。由这些实验获得的结果表被略去了，因为此表尚不够完全，不同的情况打断了此结果序列；然而，它并没有被忽视；每个冬天我们都或少或多地从事了对这个主题的研究。