量热学的发展热的传递

大量现象表明，热可以从一处向另一处传递，这种过程称为热传递。热传递有三种明显不同的基本方式：热传导、对流和辐射。

人们早就从生活和生产实践中熟悉了热传递现象。在我国古代的《尚书·洪范》篇中有“火曰炎上”的说法，指出火有炎热向上的基本性质。这里所说的“向上”特性，其实就是对于大量存在的自然对流现象的一种概括。东汉的王充在《论衡·寒温》篇中写道：“夫近水则寒，近火则温，远则渐微。何则？气之所加，远近有差也。”他认为热的传递是靠“气”的作用进行的，这种作用和距离成反比。实际上王充所揭示的这一现象中既包含有热传导、对流，也包含有热辐射。

热传导和对流现象由于比较直观，所以人们早就利用实验方法对它们进行了多方面的研究，掌握了这两种热传递过程的一些具体规律。但是，对于热辐射的了解和研究却开始得比较晚。

早在 1673 年，英国科学家波义耳就发现在真空容器中放入炽热物体时， 器壁上仍然能够感到热。当然，他不了解这是热辐射的作用。“辐射热”这个术语是瑞典出生的化学家卡尔·威廉·舍勒最先提出来的。他在 1777 年出版的《论空气与火的化学》中，在叙述他所发现的氧（“火空气”）时曾经提及热辐射现象，指出热辐射可以穿过空气，玻璃镜不反射热辐射，但金属镜却能反射热辐射。在舍勒之前，德国的天文学家和光学家兰伯在 1760 年出版的《光度测定法》中，根据冶金工人利用眼镜保护眼睛免遭强光灼伤的经验，曾指出玻璃能够挡住热辐射。

法国的皮克泰特对热辐射作了进一步的实验研究。他用金属做了两个凹面镜，彼此相距二十五米远面对面地放置。在一个镜的焦点放一支灵敏的温度计，在另一个镜的焦点轮换地放置被加热的和未被加热的没有光泽的金属球，两镜之间放一隔板。当拿走隔板后，温度计的读数就随着所放的金属球的温度迅速升高或下降。如果将温度计的小球涂成黑色，这个效应将更明显。但如果将温度计放在焦点之外附近处，它却指示着不变的读数。这个实验使皮克泰特确信存在着和光线相同的“热线”，辐射热就是热线的传播。皮克泰特还证明，上述实验中的凹面镜不能用玻璃镜代替，玻璃板还会阻断热线的传播。

1791 年，瑞士的普雷沃斯特在皮克泰特实验的基础上建立了他的“火的平衡”理论。他认为每个物体都放出热辐射并从周围的物体吸收这种辐射； 当物体的温度高于周围环境的温度时，它因辐射而失去的热就多于它从周围介质所吸收的热；相反，较冷的物体从周围介质吸收的热则多于它辐射出去的热，从而实现了热从较热物体向较冷物体的传递。在热平衡时，这种通过辐射而在物体之间进行的热交换仍在进行着，但每个物体吸收的热恰好等于它所辐射出去的热，所以物体的温度保持不变。普雷沃斯特从火同时产生热和光的事实中，得出了热辐射和光线相类似的思想，指出这种辐射按照普通光线的规律传播。

十年以后，普雷沃斯特的理论得到了英国人威廉·赫舍尔的实验证实。赫舍尔用灵敏温度计检验了太阳光谱中不同部分的加热能力，结果发现，越向光谱的红端移动，升温效应就越强，在光谱的红端之外，仍然发现了温度的升高。赫舍尔由此得出了存在着不可见射线的结论，这种射线按照光线的规律传播，并产生很强的热效应，红外线就是这样被发现的。接着李特尔和沃拉斯顿又发现了紫外区不可见的射线，即紫外线。

赫舍尔关于存在着不可见的热射线的结论受到了爱丁堡的约翰·莱斯利等一些人的反对。莱斯利是一个热质说的拥护者，所以他不接受辐射热和光之间类似性的见解。他把红外区的热效应看作是来自可见光光谱部分的空气流。但是戴维却用实验证明，在部分真空中的辐射要比在正常压力下的空气中大两倍，而这里显然不会存在什么明显的空气流，这就以实验事实有力地反驳了莱斯利的见解。

辐射热的知识通过意大利的梅隆尼的研究而取得了明显的进展。他在1850 年发表的《热色，或者热质的颜色》这本巨著里，叙述了他对辐射热的研究。他用更为灵敏的温差电堆代替温度计对热辐射进行研究，使他明确认识到，热辐射也象光线一样具有多样性。1843 年他就说道：“对视觉器官而言，光仅仅是一系列能被感知的热的征状；反之也一样，不发亮的热辐射可以证明是不可见的光辐射。”由此必然得出结论，光线必然伴有辐射热，因而月光也应当显示出热效应。经历了初期的失败，1846 年他在维苏威山上用一个直径为一米的多区域光带透镜，一个温差电堆和一个电流计，终于从月光中得到了微弱的热的征状。

梅隆尼以类比于“透明度”之于可见光，而创造了“透热性”一词用于热辐射，并用实验检验了各种物质的透热性能。他的实验表明，岩盐对于热射线具有很大的“透明度”，而冰和玻璃却强烈地吸收各种辐射热。他还测定了不同厚度的各种固体和液体的热透射率。梅隆尼的工作后来又为英国物理学家约翰·丁铎尔所发展。这方面研究的进展，最终导致了“黑体辐射” 的研究，并成为“量子”概念产生的前提。当然，现在我们知道，“热辐射” 的现象并不属于通常的“热学”研究的范围，因为它和我们通常所理解的热

——大量微观粒子的杂乱运动——在本质上是有区别的。只是在考察热的传递时，我们才需要考虑热辐射这种方式。