概念规律：热动说与热质说之争

到 １８ 世纪 ８０ 年代，几乎整个欧洲都相信热质说是正确的。法国化 学家拉瓦锡（１７４３～１７９４）于 １７７７ 年写出了《燃烧理论》，全面地阅述 了燃烧的氧化学说，推翻了燃素说。但是，他依然把热看成是一种特殊 的物质元素，并于 １７８７ 年同他人一起把这种特殊的物质元素命名为“热 素”（热质）。 １７８９ 年，拉瓦锡在他出版的《化学原理教程》一书中， 把“热素”和“光”一起列入无机界 ２３ 种化学元素中。他认为，热质是 “没有重量不可称量”的流体。可见，热质说已经达到了它的鼎盛时期。
与此同时，关于热的运动说的思想萌芽也已产生。我国古代的“阴 阳学说”，从自然现象中抽象出阴和阳两个对立的基本范畴，用以解释 万物。在“阴阳学说”中，把热和动同归属于阳的范畴，把冷和静同归 属于阴的范畴，这实际上是把热和运动联系起来了。元气论的发展，形 成了一种认为包括冷热在内的一切自然现象都是元气的运动就提出，元气缓慢地吹动，造成炎热之气； 元气的迅速吹动，则造成寒冷之气；冷热交替而发生作用。柳宗元已明 确地把冷热变化，看作是元气的不同运动状态。古希腊哲学家也有类似 的见解，米利都学派从泰勒斯（约公元前 ６２４～约前 ５４７）开始，把水看 作万物的基原物质，并认为热本身是从湿气里产生靠湿气而维持的；阿 那克西曼德（约公元前 ６１０～约前 ５４５）认为自然现象的统一的和永恒的 基原是“无定”，从“无定”中产生出各种自然现象；阿那克西美尼（约 公元前 ５８８～约前 ５２４）则主张自然界的基原是气，气的浓缩和稀释形成 了各种实体：在浓缩时依次形成风、云、水、土和石头，它很稀时就形 成了火；总之，他们是把热（火）看作是由基原物质的运动变化产生出 来的。
起了推动作用，他对在热的本性上的两种不同看法之间的争论是有所了 解的，但他对热的运动说存有疑虑。他认为，如果说是由于在物体内部 粒子相互碰撞使它们的运动加剧而发生热，那么为什么同样锤击一块软 铁与弹性钢球，软铁会变得很热而钢球却一下热不起来？另外，他还想 到，如果热是由物体内部粒子的运动造成的，由于密度大的物质中粒子 之间的相互吸引力大，让它们振动起来也就比较难，因而它的比热应该 比较大。但是，实际上有些密度大的物质的比热却比密度小的物质的比 热要小。例如，水银的密度比水大，但是实际上水银的比热小于水的比 热。这样，布莱克就成了热质说的主要倡导者。
人类诞生以后，从春温夏暑到秋凉冬寒等不同气候条件中，就感受 到了冷热变化的影响。所以，热是什么的问题很自然就引起了人们的思 考。不少古代思想家对这个问题作出过直觉的猜测，而且从一开始就隐 含着两种对立的观点。
大约公元前 １１ 世纪，在我国就产生了“五行说”。这是最早的一种 关于世界物质组成和物质本原的学说，它认为世界万物都是由水、火、 木、金、土这五种基本元素组成的。在很可能是战国后期写成的《尚书·洪 范》一书中，对“五行”作了进一步的阐述：“五行，一曰水，二曰火， 三曰木，四曰金，五曰土。水曰润下，火曰炎上，木曰曲直，金曰从革， 土爰稼穑。”这里所说的“火曰炎上”，炎是指炎热，上指向上，都是 物质的一些基本属性，意思是说火是由炎热、向上这样一些基本性质构 成的。春秋战国时期形成的“元气说”，把气看作万物的本原，并对日 月、水火、冷热、阴阳的关系作出说明：“积阳之热气生火，火气之精 者为日；积阴之寒气者为水，水气之精者为月。”这里把冷热现象同气 联系起来，可以说是一种热的物质说。当然，作为热的物质说，有把冷 热原因归之于“外物”的来去的；也有把冷热变化看作是“内物”的作 用的；不管哪一种说法，都是把热（火）看作是实体物质。在古希腊也 有类似的猜测。公元前 ６ 世纪，赫拉克利特（约公元前 ５４０～约前 ４７５） 提出火是一切自然事物的普遍始源，火的变化形成自然现象的普遍循环： “一切转为火，火又转为一切，……”另一位古希腊哲学家恩培多克勒 （约公元前 ４９５～约前 ４３５）提出“四根说”，把火、气、土、水四个根 作为世界的本原，四个根在数量上按不同比例进行混合，就造成了万物 在性质和形态上的千差万别。这一思想被亚里士多德（公元前 ３８４～前 ３２２）进一步作了发展，他认为世界的基础是某种原初物质，它具有两组 对立的特性：热和冷，干和湿。这些特性的结合形成四种基本元素：火， 即热加干；气，即热加湿；水，即冷加湿；土，即冷加干。热的物质说 在古希腊原子论者那里，得到了最明确的表述。他们认为原子由于形状、 次序和位置上的区别而形成不同的元素，水、火、气、土等其实就是某 些原子集合而成的；热是非常精细的一种原子的表现；炎热和寒冷从根 本上说都是物质性的；等等。
跳转 １ 热动说与热质说之争
热是什么？这是人们很早就开始探讨的一个问题。自古以来，就有 不同的看法。在科学史上，关于热的本性的问题，曾有热动说与热质说 的长期争论。争论的中心问题是：热是一种运动，还是某种具体物质？ 今天，对此已有定论，热就是一种运动。但是取得这样一个明确的结论， 却经历了一个曲折的历程。回顾这一重大争论的历史，可能获得一些有 益的启示。
所以必须不断地向炮孔里注水以降低温度。他从这个偶然的发现中得到 了启发，于 １７９８ 年 １ 月 ２５ 日在英国皇家学会宣读的一份题为“论摩擦 激起的热源”的报告中，他作出结论：“据我看来，要想对这些实验中 的既能激发有又能传布热的东西，形成明确的概念，即使不是绝无可能， 也是极其困难的事情，除非那东西就是运动。”他的实验证明，摩擦不 但能生热而且能产生任意数量的热。这使热质说在热量守恒的有效性方 面，遭到了失败。
《物理学史》幻灯片第二集 ４６８ 伦福德实验现场 《物理学史》幻灯片第二集 ４７１ 伦福德实验装置 １７９９ 年，英国物理学家戴维（ １７７８～ １８２９）做了一个巧妙而富于独 创性的实验。在题为《论热、光和光的复合》的论文中，记述了这个实 验。他把两块温度 ２９°Ｆ 的冰固定在一个由钟表改装的装置上，然后把 它们放进抽成真空的大玻璃罩内。外面用低于 ２９°Ｆ 的冰块与周围环境 隔离开，两块冰在玻璃罩里通过相互摩擦而慢慢地融解为水。从这个实 验来看，“热质”是无法产生的。由此他断言：“既然这些实验表明， 这几种方式不能产生热，那么，它就不能当作物质。所以，热质或热的 物质是不存在的”。 《物理学史》幻灯片 第二集 ４７３ 戴维像 伦福德和戴维的实验与论证是极具说服力的，可以说是为以后热质 说的彻底崩溃与热的运动说的确立，奠定了坚实的基础。但是，他们的 实验在当时并没有被充分重视，大多数学者并没有因此而改变自己关于 热的本性的观点。热质说的历史也并未即刻结束，仍有些科学家坚持热 质说。直到 １９ 世纪，能量守恒与转化定律确立后，热动说才取得了最后 的胜利。
《物理学史》幻灯片全第二集 ４４６ 拉瓦锡像 从热质说出发，使得许多热现象得到了统一的解释。在对冷热不同 的物体混合起来所做的实验中，得到这样一种概念：热既不会被创生， 也不会被消灭。这就是说，如果没有吸收外界的热量或热量没有散失到 周围的话，不管热在混合物或保持密切接触的各种物体中间，如何分布， 热的总量保持不变。从热量守恒非常自然地联想到物质守恒的概念。 ３、热动说的发展 其实，对于热的本性的认识，始终是存在两种不同观点的争论。英 国哲学家培根（１５６１～１６２６）在归纳了大量经验事实的基础上，对热的 本质进行了分析，较早地提出热是一种运动的观点。英国物理学家胡克 （１６３５～１７０３）于 １６６５ 年在他的《显微术》一书中提到，热不是什么其 它东西，而是“一个物体的各个部分的非常活跃和极其猛烈的运动”； 牛顿（１６４２～１７２７）也曾发表过类似的看法，他认为物体内部各微小部 分的振动正是“它们的热和活动性的由来”。法国哲学家和自然科学家 笛卡尔（１５９～１６５０）在他的宇宙学说中，表达了热是由最精细的物质粒 子的旋转运动产生的想法。俄国的罗蒙诺索夫（１７１１～１７６５）认为热是 由分子的转动引起的。 到了 １８ 世纪末，热质说遇到了挑战。热质说中隐含了两个假设，第 一个假设是热质是否有重量？这个问题在当时己能通过直接实验给出否 定的结果，但是由于称衡在不同温度下的物体是否存在着差别，当时的 仪器精度尚达不到，因而未能造成对热质说的影响。第二个假设是热质 流在涉及热的所有过程中都守恒。特别是第二个假设，受到了摩擦生热 实验的否定。 英籍物理学家伦福德（１７５３～１８１４）采用当时最精密的天平，测量 了物质在温度变化前后重量的变化，否定了关于热质具有重量的设想。 但是，这对热质说还不构成致命的打击。真正使热质说受到威胁的是关 于摩擦生热问题的研究。１７９７ 年，伦福德在兵工厂监制大炮镗孔工作中， 发观大炮被钻削时，在短时间会产生大量的热使金属的温度急剧上升，
上述看法还不能称之为科学的探讨，而更多的是一些哲学上的观点。 因此，要把这些思想家截然分明地划为热的物质说与热的运动说这两个 不同的阵营，是比较困难的。在每个人所提出的学说中，都可以发现这 两种学说的某些萌芽成分。可以说，在古代思想家那里已经埋下了关于 热的本性的争论的种子。
热动说与热质说之争
热是什么？这是人们很早就开始探讨的一个问题。自古以来，就有 不同的看法。在物理学史上，关于热的本性的问题，曾有热动说与热质 说的争论。争论的中心问题是：热是一种运动，还是某种具体物质？
１、热本性问题提出的背景 从广泛存在着的热传导现象中，人们很自然地产生了一种直觉的猜 测：在冷热程度不同的物体之间，似乎总有某种“热流”由比较热的物 体向较冷的物体传递。对这种“热流”进行定量的测量与计算，发展起 了“测温学”与“量热学”两个分支。 在最初的测温学的概念中，温度计测量的不是热的程度，而是热的 数量。等量的水混合后，热量是它们的算术平均值。１７３２ 年，荷兰化学 家布尔哈夫（１６６８—１７３８）出版了《化学原理》。在这本书中，他所描 述的实验也证实了这种论断，即等量的水混合后温度取平均值。但是， 不同的物质混合后会怎样？布尔哈夫认为同体积的任何物质，在相同的 温度变化下都吸收或放出同样数量的热。他用等体积的 １００Ｆ°水和 １５０Ｆ °水银混合，所得的温度是 １２０Ｆ°而不是预想的 １２５Ｆ°。这是当时难以 解释的，人称“布尔哈夫疑难”。 解决这一疑难的是英国科学家布莱克（１７２８—１７９９）。他仔细地审 查了布尔哈夫等人的工作，指出，问题的结症在于人们把“热的强度（温 度）”和“热的数量（热量）”搞混了。他在研究冰和水的混合时发现， 在冰的熔解中需要一些为温度计觉察不出的热量，进而发现各种物质在 发生物态变化时都存在这种效应。由此，他引进了“潜热”的概念，即 在物态变化时，一部分“活动的热”变成“潜藏的热”，而不显示出温 度升高。这样，量热学的基本概念——温度、热量、热容量、比热、潜 热等就都确立了。 《物理学史》幻灯片第二集 ４６３ 布莱克 在温度与热量的概念得到区分之后，热的本质到底是什么的问题就 自然引起了关注。 ２、热质说的产生 热质说将热看作是一种具体的物质，这种思想首先由化学家在燃烧 现象的解释中提出的。英国化学家波义耳（１６２７～１６９１）设想，存在着 某种“火粒子”，它十分微小，具有重量而且能贯穿一切物体。 《物理学史》幻灯片对第二集 ４４６ 波义耳像 １７０３ 年，德国化学家和医生施塔尔（１６６０～１７３４）提出“燃素”的 概念。他赋予燃素为一种气态物质，它存在于一切可燃的物质中，在燃 烧过程中，它从可燃物中散出，与空气结合，从而发光发热。施塔尔还 指出，“燃素”是火的元素，而非火本身，燃素的稠密程序不同，就分 别成为火和热，分散状态的燃素就是热。 关于燃烧现象的这种基本思想，促进了热质说的发展。波尔哈夫根 据对热交换过程的研究，提出热是钻在物体细孔中的具有高度可塑性和 贯穿性的物质粒子，它们没有重量，彼此之间有排斥性，而且弥漫于全 宇宙。当时虽然还没有明确地给这种物质粒子命名为“热质”，但是把 热看作是一种物质粒子的基本思想己经确立。布莱克也对热质说的发展