物理天地 “热”是什么？

Posted 2022-01-08

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　　热是什么?自古以来就有不同的看法。十六世纪以后，热的本质的问题又引起了科学家和研究人员的注意。

　　“热”是一种运动??

　　培根从摩擦生热等现象中得出“热是一种膨胀的、被约束的而在其斗争中作用于物体的较小粒子之上的运动”，这种看法影响了许多科学家。

　　波义耳看到铁钉被捶击后会生热，想到铁钉内部产生了强烈的运动，所以认为热是“物体各部分发生强烈而杂乱的运动”;笛卡尔把热看作是物质粒子的一种旋转运动。胡克用显微镜观察了火花，认为热“并不是什么其他的东西，而是一个物体的各个部分的非常活跃和极其猛烈的运动。”牛顿也指出物体的粒子“因运动而发热”。洛克甚至还认识到“极度的冷是不可觉察的粒子的运动的停止”。

　　俄国学者罗蒙诺索夫在十八世纪四十年代提出了两篇关于物理学的论文，第一篇是关于热力学基础的，题为《关于热和冷的原因的思索》(1746);第二篇是关于分子运动论的，题为《试论空气的弹力》(1748)。在这两篇论文中，罗蒙诺索夫提出了如下的见解：“热的充分根源在于运动”，即热是物质的运动，运动着的是物体内那些为肉眼所看不见的细小微粒;微粒本身是球状的，因为只有这样，固体变热时才能保持它的外形;热量从高温物体传给低温物体的原因，是由于高温物体中的微粒把运动传给低温物体中的微粒造成的，而且给出的运动的量与接受的运动量相等，一物体使另一物体变热时，它自身便会变冷，这就肯定了运动守恒在热现象中的正确性;气体分子的运动呈现一种“混乱交错”的状态，是杂乱无规则的。

　　“热”是一种物质??

　　但总的说来，热是运动的观点尚缺乏足够的实验根据，所以还不能形成为科学理论。随着古希腊原子论思想的复兴，热是某种特殊的物质实体的观点也得到流传。法国科学家和哲学家伽桑狄认为，运动着的原子是构成万物的最原始的、不可再分的世界要素，同样，热和冷也都是由特殊的“热原子”和“冷原子”引起的。它们非常细致，有球的形状，非常活泼，因而能渗透到一切物体之中。这个观念，把人们引向“热质说”。

　　波义耳也动摇于热的运动说和热质说之间。在考察放在真空容器中的一块炽热的铁可以使器壁感受到热的现象时，他认为这似乎只能用“热”自己传过来加以解释。波尔哈夫认为，热的本源是钻在物体细孔中的、具有高度可产塑性和贯穿性的物质粒子，它们没有重量，彼此间有排斥性，而且弥漫于全宇宙。1789年，拉瓦锡还将“热质”和“光”列入无机界二十三种“元素”之中。

　　布莱克是热质说的一个重要倡导者。他虽然相信最终会发生现热“将不是化学的，而是力学的”，但他又很难否定热质说。他觉得热是运动的学说还有不少困难。例如，如果说热是物质内部粒子的运动，那么密度大的物质由于其内部粒子吸引力强而不易振动，比热就应越大，但为何水银的比热反而比水的比热小呢?对于“潜热”，用粒子的机械运动更难作出解释。所以布莱克宣称他“不能形成这种内部振动的概念”，而采取了热是某种特殊物质的观点。

　　热质说简易地解释了当时发现的大部分热学现象：物体温度的变化是吸收或放出热质引起的;热传导是热质的流动，对流是载有热质的物体的流动，辐射是热质的传播;物体受热膨胀是因为热质粒子间的相互排斥;物质状态变化时的“潜热”是物持粒子与热质发生“准化学反应”的结果;摩擦或碰撞的生热现象，是同上于“潜热”被挤压出来以及物质的比热变小的结果;等等。由于热质的物质性，所以它也遵从物质守恒定律，这是混合量热法的理论根据。

　　在热质说观点的指导下，热学研究所取得的主要进展有：布莱克发现了比热和“潜热”;瓦特从理论上分析了旧蒸汽机的主要缺陷而引导他改进了蒸汽机;傅立叶依据这一物理图象建立了热传导理论;卡诺从热质传递的观点出发于十九世纪初提出了消耗从热源取得热量而得到功的理论。

　　热质说的成功，使人们相信它是一个正确的学说，从而压倒了热是运动的看法而在十八世纪到十九世纪初居于统治地位。

　　“热”还是一种运动??

　　但是，到了十八世纪末，热质说受到了严重的挑战。1798年，出生于美国，后来加入英国国籍的物理学家本杰明·汤普逊即伦福德伯爵向英国皇家学会提出了一个报告，说他在慕尼黑监督炮筒钻孔工作时，注意到炮筒温度升高，钻削下的金属屑温度更高的现象，他提出了大量的热是从哪里来的这个问题。他在尽量作到绝热的条件下进行了一系列钻孔实验，比较了钻孔前后金属和碎屑的比热，发现钻磨不会改变金属的比热。他还用很钝的钻头钻炮筒，半小时后炮筒从60度F升温到130度F，金属碎屑只有五十多克，相当于炮筒质量的九百四十八分之一，这一小部分碎屑能够放出这么大的“潜热”吗?他在笔记中写道：“看来在这些实验中，由摩擦产生热的源泉是不可穷尽的。不待说，任何与外界隔绝的物体或物体系，能够无限制地提供出来的东西，决不可能是具体的物质实体;在我看来，在这些实验中被激发出来的热，除了把它看作是‘运动’以外，似乎很难把它看作为其他任何东西。”