无规世界出奥妙──热学的故事

热现象与热运动什么是热？

人类在原始时代就学会用火，接触到了热现象。关于热是什么的问题，很早就成为人们探讨的对象，形成两种截然相反的见解。

一种见解把热看成是自然界的特殊物质。我国殷朝形成的“五行说”，把热（火）看做和金、木、水、土一样的东西，是构成宇宙万物的物质元素。在古希腊产生的物质元素论中，也把热（火）看做是一种独立的物质元素，赫拉克利特认为，世界就是火。

另一种见解把热看成是物质粒子运动的表现，我国古代朴素唯物主义思想家提出的“元气论”，就认为热（火）是物质元气聚散变化的表现。在古希腊和古罗马，也有一些学者，特别是原子论者，把冷热看成是物质微粒（原子）在虚空中运动的一种表现。卢克莱修就曾经说过，运动可以使一切东西都变得很热，甚至燃烧起来。

不过，在科学不发达的古代，这两种见解都只是直觉的猜测。

在漫长的中世纪，热学几乎毫无进展。直到 17 世纪以后，一些著名科学家根据摩擦生热的现象，恢复了古人关于热是物质粒子的特殊运动的猜测，比如，英国的培根就曾说过，热是一种运动。法国的笛卡儿更把热看成是物质粒子的一种旋转运动。当时，牛顿、胡克、罗蒙诺索夫等人都相信和支持热是运动的观点。但是由于没有充分可靠的实验依据，这种正确的观点还没有形成系统的理论，更没有赢得学术界的普遍承认。

到了 18 世纪，人们对热的本质的认识，奇怪地走上了一条弯曲的道路，复活了古人把热看成是特殊物质的错误猜测。英国的布拉克提出了系统的“热质说”，又叫做“热素说”。他认为热是一种看不见、没有重量的流质，叫做热质。热质可以渗透在一切物体之中，物体的冷热取决于它所含热质的多少。热质可以从比较热的物体流到比较冷的物体，就像水从高处流向低处一样。自然界存在的热质数量是一定的，它既不能创造，也不会消灭。

热质说能够顺利地解释许多人所共知的热现象。比如，说物体受热膨胀是热质流入物体的结果，热传导是热质的流动，对流是载有热质的物质的流动，太阳光经过凸透镜聚焦生热是热质集中的结果，等等。因此它压倒了热是运动的观点，获得了广泛的承认。1789 年，法国的拉瓦锡把热列入他的化学元素表里，用 T 表示，属于气体元素类，物理学中常用的热量概念和它的单位卡路里（简称卡），也是在热质说的基础上建立的。当时，热量就表示热质的多少。

热质说取得胜利，成为热学的正统理论后，仍旧不时受到一些新的实验事实的冲击。比如在冰熔解成水和水沸腾变成蒸汽的过程中，只吸收热量，温度并不升高的事实，就向热质说提出挑战，按照热质说，物质含的热质越多，温度应该越高。给冰加热，就是把热质注入到冰里去，所以冰的温度应该逐渐升高。然而冰熔解的时候，尽管每 1 千克冰吸收了 80 千卡热，冰的温

度没有升高，同样，水沸腾的时候，每 1 千克水虽然吸收了 539 千卡的热，水的温度也没有升高，冰或者水吸收的热质跑到哪里去了呢？

还是布拉克提出了一种“巧妙”的解释，说这些热质“束缚”到物质内部去了，或者说“潜伏”起来了。他把这部分热质叫做“潜热”。虽然这种

解释不能叫人满意，但是也能搪塞过去。就这样，热质说在热学中称雄了近一百年。

热质说究竟是不是真理呢？只有科学实验才能做出权威的判断。

1798 年，从美国移居欧洲的的科学家汤姆生，后来被封为伦福德伯爵，在用钻头钻炮筒的时候看到，钻头、炮筒和铁屑的温度都升高了，而且产生的热量和钻磨量或多或少成反比。他发现，钝钻头比锐利的钻头能够给出更多的热，但是切削反而少了。这和热质说的观点是矛盾的。根据热质说，锐利的钻头应当更有效地磨削炮筒的金属，放出更多的和金属结合的热质。伦福德还用一只几乎不能切削的钝钻头，在 2 小时 45 分钟里使大约 8 千克的水达到了沸点。实验使伦福德得到了“热是由运动产生的，它决不是一种物质” 的正确结论。

热质说的维护者人多势众，对伦福德的发现进行了种种刁难和歪曲，讥笑他违反“常识”。他们说，钻炮时候的热是其他化学变化产生出来的。伦福德经过仔细检查，没有发现在钻孔过程中有任何东西发生了化学变化。热质说的维护者们又声称，热是由于钻头把组成炮筒的金属中的“潜热”钻出来了。伦福德又经过反复检验，没有发现金属发生了从液态到固态或者从气态到液态的转变。因此“钻出了潜热”的说法纯属胡扯。极力维护热质说的人又说什么这是由于金属的比热发生了变化。在激烈的唇枪舌剑中，虽然热质说理屈词穷，但仍不甘失败，最后宣称热是由“外面的热质跑进来的”，千方百计把新发现纳入自己的框框。

为了驳倒热质说，1799 年，戴维做了冰的摩擦实验。他在真空中用一只钟表机件使两块冰相互摩擦，整个实验仪器的温度正好是冰的冰点温度。实验结果，两块冰在摩擦的地方不断熔解成水。大家知道，水的比热比冰的比热还要大。这个实验驳倒了“外边的热质跑进来的”谬论，也证明了所谓热质不生不灭的守恒定律是错误的。根据确凿的实验事实，戴维大胆否定了热质的存在，认为热是一种特殊的运动，可能是各个物体的许多粒子的一种振动。

做功能够产生热，消耗热也能做功，功和热之间有没有确定的关系呢？为了寻找这个关系，就是测定所谓热功当量，英国酿酒匠出身的物理学家焦耳，从 22 岁开始，花了近 40 年时间，一共做了 400 多次实验，他历尽艰难，遭受过压制，终于创建了辉煌业绩。

在 19 世纪 40 年代头几年，默默无闻的焦耳埋头实验，用不同的方法初步测出了热和功之间的数量关系，指出只要做了一定数量的机械功，总能得到和这个功相应的热。这个新人耳目的发现，在科学界引起轰动，有的赞同，但更多的是遭到怀疑和反对，甚至无理地拒绝他在皇家学会宣读实验论文。

焦耳不畏困难，决心继续实验，用更精确的实验来驳倒反对派。1847 年，他精心设计了一个迄今认为是最好的实验，就是在下降重物的作用下，使转动着的叶片和水发生摩擦而产生热。焦耳坚信，自己的实验结论是正确的。

在这一年六月举行的英国学术会议上，焦耳要求宣读论文，又遭到阻拦，他费了一番口舌，才被同意做简要介绍。然而，他的介绍遭到信奉热质说的科学权威汤姆生等的强烈反对，连法拉第也表示怀疑。

直到 50 年代，由于其他国家的科学家从不同角度也得出了热功当量的数量，焦耳的成就才得到普遍承认，他本人也被选为英国皇学会会员。

1878 年，年已花甲的焦耳对热功当量做了最后一次测定，得到的结果是

423.9 千克米/千卡，和三十年前的测定结果相差极小。为了纪念他，人们用他名字的第一个大写母 J 来表示热功当量，J=427 千克米/千卡。意思是，1 干卡的热量和 427 千克米的功相当，假如功用焦耳做单位，热量用卡做单位， J=4.18 焦/卡。

热功当量的测得，标志着热质说被彻底摧毁，热的运动说取得完全胜利，也导致了自然界的一条普遍规律——能量守恒和转化定律的建立。

通过长期反复较量，在实践中经受了考验的热的运动说终于赢得了胜利。

热的运动说指出，热量是物质运动的一种表现。它的本质就是物质内部大量实物粒子——分子、原子、电子等的杂乱无规则运动。这种热运动越剧烈，由这些粒子组成的物体就越热，它的温度也越高。物质的运动总是和能量联系在一起的。实物粒子的热运动所具有的能量，叫做热能。热运动越剧烈，它所具有的热能也越大。所以，温度其实就是无数粒子的热运动平均能量的量度。

19 世纪中叶以后，热学的理论和实践都取得了突飞猛进的发展。