May 4, 2025
Yi Heng Sung
LIS情境科學教材的科學史文章
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水，是生命的起源，不管是人類或是其他的生物來說都極為重要。從古至今，水一直是人們的話題中心，老子說：水能載舟，從很久以前就注意到水有浮力，當物質密度比液體的密度大，則物體在液體中會下沉；反之，若是物體的密度也液體密度小，則物體會在液體中上浮。而五月天說：亦能煮粥，從很久以前開始烹飪時使用水煮食物也是再常見不過的事，然而流體與熱的關係卻要等要 18 世紀末才慢慢被揭開。
1753 年班傑明 · 湯普森 (1753 - 1814，後世尊稱為倫福德伯爵，文中簡稱為倫福德 ) 出生於英國在北美的殖民地新英格蘭麻州，是當地農家的獨生子。倫福德從小就對科學實驗相當有興趣，自從 13 歲學校畢業後，他開始從事許多不同工作，他當過學徒、店員還有教師等等。在這期間他也不忘自己對於科學的熱情，除了日常的工作外，他還參加過哈佛大學的科學講座，追求自己對於科學的求知慾。雖然這時候的倫福德既兼顧現實也不忘理想，但是他的生活並說不上富裕，直到 1772 年遇見他人生中的貴人之一：Coronel Timothy Walker。倫福德接受 Walker 的邀請到 Rumford 教書，他也因此認識了 Walker 有錢的女兒 Sarah。雖然 Sarah 比倫福德年長 14 歲且剛經歷喪夫，但是她馬上愛上了年輕的倫福德，並且在四個月後就與倫福德結婚。從此倫福德脫離貧窮，成為當地的地主和科學研究者，並和當地的殖民地總督培養友好關係，也因為這一層的關係，倫福德在 1773 年靠關係成為當地殖民政府的少校。隨後，1775 年美國獨立戰爭爆發，倫福德並沒有選擇站在當地人這邊，反而是支持殖民方的英國。因為他對當地相當熟悉所以當時大大幫助了英國方，但是這也讓當地人相當不滿，進而包圍他的宅邸，使得倫福德不得不拋家棄子離開這塊土地，並於 1776 年隨著英軍一同撤離波士頓抵達英國。
圖│班傑明·湯普森 ( 倫福德伯爵 )
圖│倫福德 30 歲時的肖像畫
抵達英國的倫福德因為在軍隊中建立的關係，相當受到當時英國的殖民地大臣 George Germain 的照顧。在 Germain 鼎力協助下，倫福德在軍中得到了許多機會，但是他仍不忘對科學的熱情，在倫敦的殖民地部工作的同時也和當時英國科學界的人們培養關係。在倫福德經歷了許多不同的崗位，一路從當初的少校晉升到上校，並在他 30 歲時從軍中退役。退休後的倫福德開始了歐洲遊歷之旅，於 1784 年在 Strasburg 結識了另一位貴人，巴伐利亞國王 Karl Theodor，也是當時神聖羅馬帝國的選帝侯。Karl 選帝侯相當厚愛倫福德，將他安排到許多重要的位置，因此倫福德在巴伐利亞王國的地位越來越高，當時他幾乎是王國內僅次於國王的第二把交椅。晉升至上流社會的倫福德並沒有忘記他對科學的追求，他懷抱實驗精神，以科學的方式改善了許多人的生活，例如：為了當時受瘟疫所苦的居民開發出營養又便宜的湯；改良爐灶與烹飪工具，讓烹飪更有效率等等。倫福德在歐洲有許多貢獻，於 1793 年獲封神聖羅馬帝國伯爵的爵位，並以他當初發跡的 Rumford 這個地名為爵號，成為我們今天所熟知的倫福德伯爵。
圖│巴伐利亞國王 Karl Theodor
那是一個風和日麗陽光普照的日子，倫福德因為實驗需要所以使用了平常不會用的大型溫度計 ( 底下球狀部分直徑大於 10 公分 )。這個溫度計已經很久沒有使用，而且保存不良，所以溫度計裡的液體並不乾淨，有許多灰塵掉進去。即使如此，因為液體本身就有顏色，所以若沒有特別注意其實仍不顯眼。但是倫福德將這個溫度計加熱過後放到窗邊冷卻後，陽光穿透整個溫度計，使得這些液體裡面的灰塵變得非常明顯。倫福德發現液體裡面的灰塵竟然在快速流動，而且流動方向相當有規律，中間為上升流、左右兩側下降流 ( 如下圖 )。而當溫度計的溫度慢慢降下來後，裡面的水流速度也慢慢減慢，直到和室溫一樣時，裡面的液體流動就停止了。而這個現象並不符合當時已知的液體流動經驗，液體在沒有受到外力干擾的情況下，應該不會產生內部的流動。
圖│溫度計內的內部流動，下方的球狀部分為銅製 ( 自製 )
倫福德覺得這個現象非常的新奇，因此他決定製作一個展示用的實驗裝置，將這個現象更明顯地呈現出來。為了不需要在陽光下就可以清楚看見液體的流動，倫福德將他觀察原本觀察到的灰塵換成琥珀顆粒，因為琥珀顆粒的密度和水相似，只需在水中加入一點鹽，琥珀顆粒就可以均勻的飄浮在水中。如此一來，他就可以透過改變溫度來產生水流，而漂浮在其中的琥珀顆粒就會跟著水流流動，觀看者就可以清楚看到倫福德之前觀察到的中間上升、兩側下降的水流。在這個實驗中他特別調製和琥珀顆粒密度相當的溶液，為了讓琥珀顆粒可以在溶液中不下沉也不浮在表面。因為若是琥珀顆粒的密度較大就會沉下去，而若是琥珀顆粒的密度比溶液小，則會漂浮在水面上。倫福德因此聯想到密度與比重的原理，密度大的物體會下沉，密度小的物體會上浮。而靜止不動的溫度計，當從高溫冷卻時才出現內部的流動，但等到溫度與室溫一樣時流動就停止，所以倫福德聯想到溫度的變化可能會造成液體密度的變化。而這個代表液體的溫度改變後，可能因為密度變化造成液體的上升與下沉，進而形成這個流動現象。因此倫福德認為，只要液體因為外在因素而造成局部的溫度不同時，溫度較高的液體就會因為密度比較小而上浮，造成上升流；而溫度較低的液體密度會因為密度比較大而下沉，產生下降流。而當所有液體的溫度都一樣時密度也會一樣，流動的現象也就會停止。
如果倫福德的假設成立，那麼當溫度的改變幅度變大時，液體的流動應該會更劇烈。因此倫福德準備一些冰水，他使用冰水將加熱過後的溫度計降溫，並觀察內部流動的變化。倫福德觀察到當他使用冰水將溫度計降溫時 ( 這邊的實驗方式並非將溫度計浸泡盡並水，而是將冰水弄到溫度計的管子上，可能方式為將泡過冰水的毛巾或是向管子潑冰水 )，內部的流動確實比讓溫度計自然降溫時所產生的內部流動來的快。因此，依照實驗結果與假設，倫福德提出流體會因溫度改變出現密度變化，進而產生流體內部流動的現象。溫度較高的流體密度會變小，造成上升流，反之溫度較低的流體密度會變大，形成下降流。
除了水之外，火也一直都是人類的好夥伴。我們的祖先在一百多萬前年就已知用火，而火的使用也是人類科技發展的重要里程碑。人類的飲食習慣也因為加熱的技術有所改善，熱可以軟化植物纖維、去除毒素、殺死病菌，從直立人時期人類就會加熱食物。從長久以來的加熱經驗中，人類早就觀察到熱的傳遞有一定的規則，熱的傳遞是從溫度高處傳到溫度低處，由溫度高的地方向不同方向、等速度的傳播。例如煎牛排的時候，剛將生牛排放到鍋上煎時，一定是靠近鍋面的那邊先熟，熱從牛排的下方慢慢傳到離熱源較遠的牛排上方。為了讓每一面都可以一樣熟，所以才會需要煎到一半翻面，讓另一面也可以靠近熱源、讓牛排更快熟。
倫福德發現了原來溫度會影響流體的密度，當溫度改變時則會產生流體內部的流動，但是熱愛實驗的他並沒有停止腳步，反而對於有關熱與流體的實驗更感興趣了。倫福德在一次的實驗中發現，在兩個相同大小的長條型容器內中加入煮沸的水，分別放入厚度約為 9 cm、重量約 300 g 的冰塊，一個冰塊位於液體表面，另一個冰塊則被固定在容器底部 ( 可能使用繩子綁在容器底部 )。他發現漂浮在水面上的冰塊在 3 分鐘內就會完全融化，但是在底部的冰塊即使經過 2 小時候大約只融化了一半的重量，融化的速度竟然相差了 80 倍左右，這個現象並不符合他已知的熱傳導方式。因為根據已知熱的傳遞模式，熱的傳遞應該是由溫度高的地方，等速度、不同方向將熱傳遞到溫度低的地方。而在容器內的熱水溫度是相同的，冰塊大小也相同，熱應該都是由一樣高溫的水傳到一樣的低溫冰塊，因此融化速度應該要是一樣快的。
倫福德聯想到之前從溫度計的內部流動實驗中，他發現了液體會因為溫度改變而出現密度的變化，進而產生液體內部的流動。當溫度升高時，液體的密度也會變小，形成上升流，代表因密度改變而上升的液體都是已經加熱過的液體。因此，倫福德認為液體可能是透過內部的流動來傳遞熱能，當液體的密度因為受熱造成密度變小而向上升後，將熱能一併帶到液體的上方，造成液體上方的溫度比液體下方溫度更高。當冰塊放在熱水的表面上時，因冰塊降溫的液體下沉而下方熱的液體上升繼續融化冰塊。反之，當冰塊放在容器的下方時，下方的熱水因為接觸到冰塊而降溫，但是在溫度下降的同時密度也上升，導致溫度較低的水都沉在底部。而在上方的熱水因為沒有被降溫所以密度仍然較小，因此熱水會一直漂浮在液體的上方。如此一來熱水無法下沉，冷水持續在底部，因此融化速度會比較慢。
如果倫福德的假設成立，液體內的熱是靠內部的流動來傳遞，那麼如果阻止液體內部流動的話，液體中的熱傳遞速度應該會變慢。倫福德設計了一個實驗裝置 ( 下圖 )，裝置的中間是一支溫度計，外面被黃銅包圍著但是兩者並沒有互相接觸。倫福德先將整個裝置放入冰水中，等到溫度計上顯示的溫度降到華氏32度後，他將不同實驗素材放在溫度計跟黃銅製成的外壁之間，再將整個裝置浸入滾燙的水中，並記錄溫度計上的溫度從華氏 40 度到 60 度所需的時間。他可以透過這個裝置來比較不同實驗素材傳遞熱的速度與效率，如果放進去的實驗素材容易流動，而且溫度上升的速度也很快，那麼就可以確定液體的流動性與熱的傳導速度確實有關，進一步證實液體內的熱是靠內部的流動來傳遞。倫福德選擇煮爛的蘋果當作液體內部流動比較不易的素材，他先比較煮爛的蘋果與水所需的時間，發現放入煮爛的蘋果後，溫度計上的溫度升到 60 度所需的時間比水長很多，他認為是因為爛蘋果內的纖維阻擋了內部液體的流動所造成。由於倫福德想要觀察是否降低內部的流動就可以降低熱的傳遞速度，所以需要可以調整纖維比例的實驗溶液。因此他測量了煮爛的蘋果中纖維的成份多寡，將羽絨加入水中調成和爛蘋果一樣的纖維比例。經過同一個實驗裝置的測量後，發現熱的傳遞所需的時和煮爛的蘋果一樣的時間，倫福德確定水中的羽絨確實可以當作阻止內部流動的素材。倫福德調製了不同比例的羽絨水，一一經過實驗裝置測試後他觀察到，當水中的羽絨含量減少時，裝置從華氏 40 升到 60 度的時間也會減少，表示羽絨含量越少、傳熱的速度越快。
圖│實驗裝置
因此依照實驗結果與假設，倫福德提出流體是透過內部的流動來傳遞熱能，當因溫度改變而產生液體的內部流動，這個流動也會把熱能帶到液體的各處，因此只要減少液體的流動性就可以降低熱在液體中傳遞的效率。
倫福德透過觀察溫度計中液體中的流動，一步一步地發現了熱在流體中的傳遞方式。這個現象我們現在稱之為熱對流 (convection)，但是這個專有名詞並非由倫福德提出，而是在這個現象發現 20 年後左右，於 1834 年由英格蘭化學家 William Prout 正式提出。
熱對流的現象在自然界相當常見，倫福德發現的熱對流原理對於許多科學的發展有許多助益。除了大海中的洋流的成因與熱對流有關外，氣體也是流體的一種，所以熱對流的發現也對於大氣科學和氣象學的發展上相當有幫助 。另外，地球中的地函充滿因高溫而融化成液體的熔岩 ( 下圖 )，因此解明熱對流的原理在地球科學上也讓科學家更加了解地球內部的運動。
圖│地函中熔岩的熱對流
除了在科學研究的應用之外，熱對流的了解也對我們的日常生活有不可忽視的助益。例如，由於冷空氣比較重會下沉，而熱空氣較重會上升，我們平常安裝冷氣時都不會裝在地面而是靠近天花板的地方，因為冷空氣會下沉所以整個房間都可以享受到冷空氣；反之，熱空氣會上升，所以暖爐則都是放於地面，這樣暖空氣也比較容易均勻的分散在房間各處。
倫福德的好奇心和對科學的追求，讓他發現了一直存在於自然界中，卻尚未被人注意到的熱對流現象。因為倫福德的這個發現，許多的科學才有如今的發展，而人類的生活品質也因為這個發現而提升，雖然發現熱對流並不是他的科學發現與發明中最有名的一項，但是毫無疑問的卻是影響最深遠的之一。
參考資料
參考圖片
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