Joseph Black

Elämä

Joseph Black syntyi 16. huhtikuuta 1728 Ranskan Bordeaux'n satamakaupungissa. Hänen isänsä John Black oli belfastilainen viinikauppias, joka nai Bordeaux'laisen viinikauppias Robert Gordonin tyttären ja sai kahdeksan poikaa ja viisi tytärtä. Poika Joseph lähetettiin 12-vuotiaana oppikouluun (engl. grammar school) Belfastiin, josta hän jatkoi 1746 Glasgow'n yliopistoon opiskelemaan taidetta. Myöhemmin hänen isänsä vaati häntä vaihtamaan ammatiin valmistavaan oppiaineeseen, joten Black päätyi opiskelemaan lääketiedettä.
Glasgow'n yliopistossa Black kiinnostui kemiasta hänen opettajansa William Cullenin vaikutuksesta. Cullen huomasi nuoren Blackin kyvyt ja nosti tämän laboratorioassistentikseen. Vuonna 1750 Black siirtyi Edinburghin yliopistoon saattamaan lääketieteen opintonsa päätökseen, kirjoittaen vuonna 1754 väitöskirjansa, joka julkaistiin kaksi vuotta myöhemmin laajennettuna.
Vuonna 1756 Black korvasi Cullenin anatomian ja kemian professorina Glasgow'n yliopistossa. Hän ei kuitenkaan kokenut soveltuvansa kyseiseen virkaan ja vaihtoikin tehtäviä lääketieteen professorin kanssa. Professorin tehtävien yhteydessä Black toimi lääkärinä ja käytti paljon aikaa potilaittensa hyvinvointiin.
Glasgow'ssa Black tutki latenttia lämpöä ja vuonna 1761 hän kykeni osoittamaan, että kun tietty määrä vettä jäätyi, vapautuva energia oli yhtä suuri kuin sitoutuva energia jään sulaessa. Tämä oivallus muodosti perustan modernille lämpöopille ja antoi alkusysäyksen James Wattin parannuksille höyrykoneeseen sekä muille teollisuuden keksinnöille. Black luki selontekonsa kokeistaan Glasgow Literary Societylle 23. huhtikuuta 1762. Vuodesta 1761 lähtien hän opetti latentin lämmön oppejaan luennoillaan. Hän myös onnistui ensimmäisenä täyttämään ilmapallon vedyllä vuonna 1767.
Blackin ystävän ja entisen opettajan William Cullenin siirtyessä korkeampiin tehtäviin Black siityi lääketieteen ja kemian professorin virkaan Edinburghin yliopistoon. Hän jätti tutkimustyön huonon kuntonsa vuoksi ja keskittyi opettamiseen. Kohtuuton fyysinen ja/tai henkinen kuormitus aiheutti muun muassa veren sylkemistä. Hyvän huolenpidon ansiosta hän kuitenkin säilyi suhteellisen terveenä.
Vuodesta 1793 alkaen Black alkoi vähitellen vähentää opetustyötään, ja vuonna 1795 Charles Hope aloitti työnsä Blackin apulaisena. Black piti viimeisen luentonsa 1797 ja kuoli 6. joulukuuta 1799.
Black ei koskaan ollut naimisissa, mutta oli erityisen hyvissä väleissä perheensä kanssa. Hänellä oli myös läheiset ystävyyssuhteet William Culleninin, geologi James Huttonin, filosofi David Humen, taloustieteilijä Adam Smithin ja höyrykoneen kehittäjä James Wattin kanssa. Adam Smithillä olikin usein tapana sanoa Blackista, että "kenelläkään muulla ei ole päässään yhtä vähän hölynpölyä kuin tohtori Blackilla." Silloin tällöin Black lauloi sosiaalisissa tapahtumissa; hän osasi soittaa huilua ja piirsi taitavasti. Ruokavalionsa suhteen hän oli tarkka.
Black ei pitänyt maineesta tai julkisuudesta, eikä julkaissut edes tärkeää työtänsä latentin lämmön parissa.

Tieteelliset saavutukset

Väitöskirjassaan Experiments upon Magnesia Alba, Quicklime and Some Other Alcaline Substances (1754) Black osoitti perusteellisin kokein, että magnesiumoksidi, mieto emäs, menetti massaa lämmitettäessä. Hän havaitsi, että massan väheneminen johtuu tavanomaisesta ilmasta poikkeavan kaasun vapautumisena. Tätä nykyään hiilidioksidina tunnettua kaasua Black kutsui nimellä fixed air. Hän myös havaitsi, että jäljelle jäänyt magnesiumoksidi ei enää reagoinut happojen kanssa. Ennen Blackin tutkimuksia uskottiin, että miedosti emäksinen kalkkikivi (kalsiumkarbonaatti CaCO₃) absorboi lämmitettäessä "tulihiukkasia" ja sitä myötä muuttui syövyttävän emäksiseksi kalkiksi (kalsiumoksidiksi CaO). Black kuitenkin osoitti käsityksen vääräksi ja vaikutti omalta osaltaan Flogiston-teorian suosion loppumiselle. Blackin tutkimukset lopulta johtivat useiden muiden kaasujen tunnistamiseen 1800-luvun jälkipuoliskolla: hapen tunnisti Joseph Priestly, typen Blackin oppilas Daniel Rutherford ja vedyn Henry Cavendish.
Vuodesta 1756 aloittaessaan anatomian ja kemian professorin virkansa Blackin mielenkiinto kohdistui lämpöoppiin, mikä johti latentin lämmön ja lämpökapasiteetin käsitteiden kehittämiseen. Hän ymmärsi, että lämpömittareilla voitiin määrittää lämmön määrä, jos lämpötilaa mitattiin ajanjakson aikana, kun ainetta lämmitettiin tai viilennettiin. Hän otti kaksi samanlaista lasipulloa, laski molempiin saman määrän vettä ja asetti ne jäätävään seokseen. Toiseen hän lisäsi hieman alkoholia jäätymisen estämiseksi. Otettaessa pullot seoksesta pois alkoholi-vesi-seos lämpeni seitsemän astetta (7 °C), kun taas jää pysyi jäätymispisteessä (0 °C). Koska lasien oli absorboitava lämpöä samalla nopeudella, Black osoitti, jään kymmenen tunnin aikana absorboima lämpö olisi nostanut yhtä suuren vesimäärän lämpötilaa 78 °C. Kyseessä oli latentti lämpö.
Blackin tutkimus oli luonteeltaan hyvin tarkkaa, sille ajalle poikkeuksellisesti, kvantitatiivista tutkimusta, mikä osaltaan vaikuttikin hänen tutkimustensa laatuun.