Calor oculto
A Ciência deve também a Black suas primeiras suspeitas de que grandes quantidades de calor encontravam-se escondidas nas substâncias líquidas. Esta, que é sua descoberta mais conhecida, é chamada de calor latente. Ele foi levado a ela por um estudo da fusão dos sólidos.
Sabia-se, de há muito, que a temperatura de um sólido, como o gelo, não se modifica perceptivelmente durante o processo da fusão. Acreditava-se, entretanto, que a temperatura se modificava ligeiramente, muito pouco para que se pudesse perceber. A maior parte dos cientistas supunha que a adição de muito poucos "graus de calor" fundiria um sólido, enquanto que a remoção da mesma quantidade de calor levaria de novo a solidificar-se. Não obstante, Black estava convencido de que o gelo absorve uma grande quantidade de calor ao fundir-se. Se o contrário fosse verdadeiro, o gelo não duraria todo o verão nos depósitos, e a neve das montanhas se fundiria em um átimo, quando a temperatura se elevasse acima do ponto de fusão.

Em unidades 'modernas', a caloria é a quantidade de calor necessária para elevar de 1 grau Célsius a temperatura de 1 grama de água. A BTU (British thermal unit) é a quantidade de calor necessária para elevar de 1 grau Fahrenheit a temperatura de uma libra de água. As quantidades de calor oculto descobertas por Black são dadas abaixo nessas unidades:

As pesquisas de Black relativas à natureza do calor foram realizadas na Universidade de Glasgow, entre 1757 e 1764.
Em 1757, um jovem engenheiro, James Watt (1736-1819) obteve sua designação como fabricante de instrumentos da mesma universidade. Aquela foi uma designação feliz, tanto para Watt como para toda a Humanidade. Seus talentos naturais e a influência das descobertas de Black combinaram-se para produzir o desenvolvimento mais importante jamais realizado na máquina a vapor.
Em 1764, Black estava fazendo uma experiência com vapor, que passava através de um condensador --- câmara de metal mantida fria por um banho de água que a envolvia. Com esse trabalho, Watt teve a importante idéia que iria resultar em um desenvolvimento dramático da máquina a vapor. Pela primeira vez em sua história, a operação da máquina a vapor iria ser submetida a uma análise científica.

A Máquina a Vapor de Watt
Quando Watt tinha vinte e oito anos, pediu para reparar uma maquina de Newcomen que pertencia à universidade. Ela tinha sido examinada por peritos da fábrica, mas continuava a não funcionar satisfatoriamente. Depois de estudá-la, Watt concluiu que a caldeira era muito pequena para aquela aplicação particular da máquina. Quando foi providenciada uma caldeira maior, a máquina funcionou normalmente. Seu sucesso com a referida máquina induziu Watt a investigar a possibilidade de outros melhoramentos.

A máquina de Newcomen estava sendo fabricada em dimensões cada vez maiores, naqueles tempos. Conseqüentemente, os cilindros de latão de pouca espessura das máquinas menores tinham sido substituídos por outros mais espessos e pesados, feitos de ferro fundido. A grande massa desses cilindros requeria cada vez mais vapor apenas para aquecer o ferro fundido até a temperatura do vapor. Pior ainda, era necessária cada vez mais água para o resfriamento do cilindro, de maneira que o vapor se condensasse durante o curso de descida do pistão. Watt imaginou que o aquecimento e resfriamento alternados de grandes massas de metal estava reduzindo o trabalho potencial da máquina, e decidiu verificá-lo.

Pelo trabalho de Black, ele sabia que a capacidade térmica (ou calor específico) do ferro fundido e de outros materiais podia ser medido facilmente. Sabia também a quantidade de calor (os "graus de calor" de Black) liberada pelo vapor, quando se condensa. Com base em tais dados, calculou que somente um quinto do vapor da caldeira era realmente usado para encher o cilindro. Os outros quatro quintos eram gastos meramente para aquecer a máquina em cada movimento do pistão que se seguia à injeção de água fria.

Watt reuniu então todas estas idéias e vislumbrou um meio de evitar o desperdício de tanto vapor. Utilizou uma câmara separada --- um condensador --- para condensar o vapor durante a descida do pistão. O cilindro podia ser mantido permanentemente a uma temperatura próxima da temperatura de entrada do vapor. Não seria necessário re-aquecer o cilindro durante cada movimento,

O princípio básico da máquina de Watt é ilustrado abaixo.

Quando a válvula A é aberta, o vapor entra no cilindro e empurra o pistão para a parte superior do seu curso. A válvula A é então fechada, e aberta a válvula B. O vapor corre para o condensador que está frio, e ali é transformado em água, criando um 'vácuo' sob o pistão. No ciclo seguinte, o vapor penetra em um cilindro que ainda está quente, sendo desperdiçado pouco calor apenas para aquecer as partes de metal. Utilizando este novo princípio, Watt logo começou a fazer máquinas três vezes mais eficientes que as de Newcomen, em termos de trabalho útil executado por "bushel" de carvão empregado.

Em 1781, Watt acrescentou um mecanismo de volante às suas máquinas, desta maneira modificando o movimento para frente e para trás de seu pistão em um movimento rotativo de um eixo. Com este acréscimo, a máquina a vapor já não ficava restrita à finalidade de bombeamento, mas podia ser usada para movimentar todas as espécies de máquinas industriais. Em 1782, ele revelou outro melhoramento, o pistão de ação dupla, com o vapor exercendo pressão em ambos os lados, alternativamente. O cilindro era isolado da atmosfera, tanto na parte de cima, como na de baixo, com a haste do pistão movimentando-se através de uma "caixa de gaxeta" para impedir a perda de vapor. Quando um lado do cilindro estava conectado ao condensador, o vapor era admitido pelo outro lado, e vice-versa. Assim, a energia do vapor realizava ambos os movimentos do pistão.

Supôs-se, corretamente, que o produto do peso da água e da altura atingida era o ponto crucial da questão. Um cavalo realizava a mesma quantidade de trabalho útil, quer elevasse 1 000 libras a uma altura de 1 pé, ou 1 libra a uma altura de 1 000 pés. Em ambos os exemplos, o trabalho útil é de 1 000 x 1 = 1 000 libras-pés. O termo 'power' significava taxa de realização de trabalho, e assim, cavalo-vapor (horse-power) era meramente o número de libras-pés de trabalho que um cavalo médio podia realizar em um minuto.

Depois de uma série de experiências com cavalos, Watt verificou que o cavalo de carga médio podia elevar um 'hundredweight' (112 lb.) de água a uma altura de 196 pés em um minuto. Isto equivalia a 112 lb. x 196 pés = 21 952 libras-pés por minuto. Ele aumentou este dado de cerca de 50 por cento, de maneira que seus clientes não tivessem nada para se queixar, e definiu um cavalo-vapor como 33000 libras-pés por minuto. Sua definição ainda hoje é usada, seja relativamente às máquinas a vapor ou às elétricas.

A eficiência com a qual uma máquina a vapor transformava o combustível em trabalho útil era de importância vital para os utilizadores industriais. As melhores máquinas de Newcomen podiam elevar 7 milhões de libras à altura de um pé, para um consumo de um bushel (84 libras) de carvão de Newcastle. As melhores máquinas de Watt podiam elevar entre 30 e 40 milhões de libras de água a um pé de altura, para um consumo igual.

O termo "rendimento" veio a ser usado para especificar o número de libras de água elevadas a um pé de altura, para um consumo de um bushel de carvão de boa qualidade. O rendimento das máquinas a vapor continuou a subir, à medida que pressões altas de vapor e outros refinamentos foram introduzidos em seus desenhos.
Por volta de 1838, Taylor construiu uma máquina que tinha um rendimento de 95 milhões. Seu cilindro tinha 85 polegadas de diâmetro, e permitia um curso de 11 pés. Desenvolvia 220 cavalos-vapor e bombeava 500 galões de água por minuto. Era uma das muitas máquinas de qualidade excelente que vieram a ser conhecidas como máquinas a vapor Cornish. Consumia mais de quatro toneladas de carvão por dia. sendo seu rendimento, portanto, uma consideração da maior importância. Entretanto, ainda era muito cedo para os engenheiros saberem se o consumo de combustível das máquinas a vapor podia ser reduzido ainda mais. A termodinâmica ainda lutava para nascer.

Raios de calor invisíveis
De há muito se sabe que o calor pode ser transferido de um lugar para outro, de três maneiras diferentes: por condução, quando um corpo frio toca um outro quente; por convecção, quando o ar quente se eleva; e por uma forma, ainda não bem conceituada, de calor radiante invisível. Durante a última parte do século dezoito, os cientistas estudaram o calor radiante ou "obscuro", com a ajuda de espelhos e lentes. Um dos primeiros a realizar experiências sistemáticas foi o químico sueco Carl Wilhelm Scheele (1742-1786).

Scheele utilizou um forno aberto como fonte de calor e de luz. Primeiramente, descobriu que uma saída violenta de ar pela abertura não tinha efeito sobre a passagem do calor do forno para seu termômetro, instalado na sala. Colocou então uma grande placa de vidro entre seu rosto e o forno, e não sentiu nenhum calor. Qualquer que fosse a natureza desse calor radiante, a maior parte dele era detida pelo vidro. Mais tarde, outros descobriram que o vidro absorve o calor radiante, logo se tornando, como resultado, bastante quente.
Scheele estudou em seguida a reflexão do calor radiante pelos espelhos planos e côncavos feitos de vidro, de prata e de metal. Com o primeiro, observou que a luz era refletida mas o calor era absorvido pelo vidro. Com os espelhos de metal, tanto o calor como a luz seguiram a mesma lei de reflexão que a da luz solar. Usando o espelho de metal, focou o calor e a luz em um pedaço de enxofre, incendiando-o. Notou também que o espelho metálico não se aqueceu, mas se fosse escurecido com a fuligem de uma vela acesa, tornava-se demasiado quente em poucos minutos, a ponto de não se poder segurá-lo. Os metais brilhantes refletem aparentemente o calor radiante, enquanto que o vidro e os metais foscos absorvem esse estranho calor. Embora a luz do forno fosse misturada com o calor radiante, Scheele estava convencido de que a presença da luz era apenas um incidente. A luz podia ser separada do 'calor' por uma placa de vidro, e o calor do forno era maior quando a madeira tivesse sido queimada até transformar-se em carvões em brasa --- estando no mínimo a luz produzida pelo fogo.

O assunto foi esclarecido definitivamente por De Saussure em 1786. Ele utilizou uma bola de ferro quente mas não luminosa, como sua fonte de calor. Dois espelhos côncavos de estanho foram colocados cerca de 12 pés separados, conforme ilustramos abaixo.

A bola de ferro foi aquecida ao rubro e deixada resfriar até tornar-se invisível no escuro. Foi então colocada no foco de um dos espelhos. Um termômetro A, colocado no foco do outro espelho, mostrou uma temperatura 8^o superior ao do termômetro B, colocado fora do ponto focal. Quando o termômetro A foi deslocado ligeiramente do foco, sua temperatura caiu imediatamente para a leitura mais baixa. De Saussure concluiu que o calor radiante é emitido pelos corpos quentes e que essas emanações são refletidas como os raios de luz.

Quase não é necessário acrescentar que qualquer coisa que um corpo isolado ou um sistema de corpos possam continuar a fornecer indefinidamente, não tem possibilidade de ser uma substância material. Parece-me ser extremamente difícil, se não inteiramente impossível, formar qualquer idéia distinta de qualquer coisa capaz de ser excitada e comunicada na maneira pela qual o calor foi excitado e comunicado nestas experiências, exceto se for pelo movimento. Estou muito longe de pretender saber como ou por que meios ou dispositivos mecânicos, aquela espécie particular de movimento existente nos corpos, que se supõe constituir o calor, é excitada, continuada e propagada.