关于热的本质的认识

关于热的本质的认识

人类在生活和生产中最早接触到的自然现象之一就是热现象。热究竟是什么，历史上对此有过长期的争论。从史前时期直到18世纪初，虽然人们对热现象的本质进行过许多探索，但由于掌握的知识不够丰富，方法不够科学，因而对热的本质认识只是一些设想。18世纪初到19世纪中叶，蒸汽机的出现和广泛使用促进了工业迅速发展。人们为进一步提高热机效率，对物质的热性质作了深入研究，从而推动了热学实验的发展，从此对热现象的研究走上了实验科学的道路。为了定量地解释实验结果，一些学者根据片面的实验事实认为，热是一种没有质量的流质，叫热质；但热质说不能解释摩擦生热、撞击生热等现象。另一些学者认为热不是一种流质，而是物质运动的一种表现。1842年，德国医生J．R．迈尔的论文提出能量守恒的学说，他认为热是一种能量，能够和机械能互相转换。后来J．P．焦耳前后用了几十年的时间做了许多实验，测定热功当量，得到了完全一致的结果，从而给能量守恒和转化定律奠定了坚实基础。

1、热质说和量热学的发展

古代原子论者相信热是一种物质的；近代伽桑狄（Gassendi Pierre，1592～1655）也明确提出了“热原子”和“冷原子”的概念，认为物体发热是因为“热原子”在起作用。伽桑狄的理论虽然只是思辨性的，但却受到后来物理学家的重视，并由此发展出了热质说。热质说的观点认为，热是一种自相排斥的、无重量的流质，称作热质。它不生不灭，可透入一切物体之中。一个物体是“热”还是“冷”，由它所含热质的多少决定。较热的物体含有较多的热质，冷热不同的两个物体接触时，热质便从较热的物体排入较冷的物体，直到两者的温度相同为止。

热质说确实可以解释当时碰到的大部分热学现象：物体温度的变化可以看成是吸收或放出热质造成的，热传导是热质的流动，物体受热膨胀是因为热质粒子相互排斥，潜热是物质粒子与热质粒子产生化学反应的结果。由于热质是一种物质；一个物体所减少的热质，恰好等于另一物体所增加的热质；从而热质在传递过程中是守恒的；即遵从物质守恒定律。热质说的这些优点，赢得了当时大多数学者的赞同。1738年，法国科学院曾悬赏关于热本性的论文，获奖的三个人都是热质说的拥护者。可见在当时热质说已被很多人接受。因为这种学说，能比较直观地解释一些物理现象和实验结果，所以得到了广泛的承认。

热学是从对热现象的定量研究开始的。定量研究的第一个标志是测量物体的温度。早在上一个世纪，伽利略就已经造出了第一个温度计，以后意大利齐曼托学社的成员们继续研究温度计。测温的基本依据是物质的热胀冷缩，其次还要有一个约定的标度系统。伽利略的温度计利用的是空气的受热膨胀和遇冷收缩，但没有固定的刻度。齐曼托学社将一年中最冷和最热的时候作为两个固定点，制定了一个大致的计量系统。他们发现，冰的溶点是一个常数，这启发后来的人们将此作为固定点。惠更斯在1665年已提出以化冰或沸水的温度作为计量温度的参考点。

1702年，法国物理学家阿蒙顿（Amontons Guillaume，1663—1705）改进了伽利略的空气温度计，测温物质仍为空气，但整个装置完全封闭，不受外部大气压的影响。这个温度计比伽利略的准确一些。阿蒙顿选定水的沸点为一个固定点，但他不知道沸点也取决于大气压力，所以没有选好准确的固定点。阿蒙顿还提出了绝对零度的概念，他说，当空气完全没有弹性、收缩到不能再收缩的程度时，就一定是极冷点了。

继续着阿蒙顿事业的是出生于德国但泽（今波兰的格但斯克）华伦海特（Fahrenheit Gabriel Daniel，1684～1736）。他青年时代移居荷兰阿姆斯特丹学习商业，以制造气象仪器

为业。华伦海特注意到阿蒙顿的工作，十分感兴趣。通过实验，他发现每一种液体都有一个

属于自己的沸点；他还发现，沸点均随大气压的变化而变化。1714年，华伦海特用水银代

替酒精作为测温物质，制作了自己的温度计。他发明的净化水银的新方法，使这件水银温度

计成了真正可供应用的温度计。水银的使用大大扩展了测温范围，因为酒精的沸点太低，不

能测量高温，而水银的沸点远远高于水。此外，水银的热胀冷缩变化率比较稳定，可以用作

精密测温。华伦海特将盐加入水中，得到比任何冰点都低的最低冰点，并以此作为零度，这

样做的目的是不想出现负温度。他又将人的体温作为另一个固定点，将这两个固定点之间划

分为8×12＝96个刻度，这样人的体温就是96度。后来，他作了调整，令水的沸点为212

度，使纯水的冰点为32度。调整后的人体体温为98．6度。这套计温体系就是所谓华氏温

标。1724年，华伦海特公布了他的温度计，并在当年选为皇家学会会员。华氏温标很快被

英国和荷兰采用。今天，许多英语国家仍在采用华氏温标。

1742年，瑞典天文学家摄尔修斯（Celsius Anders，1701—1744）提出了一个新的测温

系统。他以水银为测温物质，将水的沸点定为0度，冰的溶点定为100度。八年以后，摄尔

修斯的同事建议把标度倒过来，于是形成了今日广为采用的摄氏温标。

在热学的早期发展中，与温度的测量同等重要的成就是热量的测量。但是，人们一开始

并没有认识到温度与热量之间的区别，最早指出它们之间区别的是苏格兰化学家布莱克（Black Joseph，1728—1799）。大约在1757年，布莱克提出将热和温度分别称做“热的分

量”和“热的强度”，并把物质在相同温度时的热量变化叫做“对热的亲和性”。在这个概念

的基础上，后来出现了“热容量”和“比热”的概念。这两个概念奠定了热平衡理论的基础。

布莱克最著名的发现是“潜热”。他在实验中发现，把冰加热时冰缓慢熔化，但温度却不变；

同样，水沸腾时化为蒸汽，需吸收更多的热量，但温度也不变。布莱克后来进一步发现许多

物质在物态变化时都有这种现象，它们的逆过程也同样，而且由汽到水、由水到冰所放出的

热量，正好等于由冰到水、由水到汽所吸收的热量。因此，布莱克提出了“潜热”概念，认

为这些未对温度变化有所贡献的热是潜在的。

2、热之唯动说的建立

十七世纪以后，多数人根据摩擦生热的现象，认为热是一种特殊的运动。在近代史上，

第一个对热进行系统的科学探索的是英国的弗·培根。他认为热的本质、精髓只是运动，热

是一种在其斗争中作用于物体的较小分子之上的运动。随后，法国的笛卡儿、俄国的罗蒙诺

索夫，把热看作为物质粒子的一种旋转运动。那时在英国，培根的学说受到了极大的反响，

他的后继者，大部分都接受了他的观点，化学家波义耳、物理学家胡克、牛顿等都相信热是

一种运动。波义耳就认为热是一种在物质内部产生的一种强烈的混乱运动；胡克认为热是一

种由微粒的运动而产生的性质；牛顿认为物体各部分的振动是热的活动性质的由来。这种热

之唯动说的观点流传得相当广，但是由于缺乏精确的实验依据，所以它还不能形成科学的学

说。

热质说支配着18世纪后期的热学；它能成功地解释热量守恒定律，还能解释与比热和

潜热概念相关的实验事实。但它也有一个弱点，即人们不能肯定热质是否也像所有其它物质

一样拥有质量。18世纪快要结束的时候，一个美国出生的英国物理学家

对热质说提出了挑战，他就是本杰明·汤普森（Thompson Rumford

Benjamin，1753～1814），后人常称他为伦福德伯爵。

1798年，美国的伦福德伯爵仔细地观察了枪炮的制造过程，后来又

做了实验。他把炮筒固定在水中，用马来拉动很钝的钻头，使钻头转动，

在炮筒内钻孔加工。结果发现，加工出来的铁屑很少，但是炮筒周围大量

的水却不断地变热而沸腾。随着加工过程的不断进行，热几乎可

图5-1为伦福德伯爵