弹性气态流体或气体的形成

一切物体，无论是固体还是流体，由于其显热的增加而使整个体积增大，这在很久以前已被著名的波尔哈夫（Boerhaave）完全确立为一条物理公理或全称命题。曾经被人们用来反驳这个原理的普遍性的各种论据，所提供的只是些靠不住的结果，至少，这些论据由于无关的情况而被弄得非常复杂，以致于使判断误入岐途：不过，当我们分别考虑这些结果，以根据它们分别所属的原因演绎出各个结果时，就容易看出，热引起粒子的分离，乃是一条恒定而普遍的自然规律。

如果我们已经把某个固态物体加热到一定程度，使其粒子彼此分离，然后再让该物体冷却，其粒子就会按与升高温度使它们彼此分离相同的比例而彼此靠近；该物体以它原先扩展时相同的膨胀程度恢复原状；而且，如果温度恢复到我们在实验开始时所测定的相同温度，它就会完全恢复到它以前所拥有的体积。但是，由于我们仍然远远不能达到绝对零度或者排除一切热，而且不知道我们难以推测的能够进一步增大的冷却程度，因此，我们仍然不能使物体的终极粒子尽可能地彼此靠近，所以，一切物体的粒子不会在迄今尚不知道的任何状态下彼此接触，尽管这是一个奇特的结论，但却是不可否认的。

假定由于物体的粒子就这样不断地受热推动而彼此分离，它们就会失去彼此之间的联系，那么自然界就不会有固体了，除非有某种另外的力使它们结合起来，或者说是把它们束缚起来；这种力，无论其作用的原因或方式是什么，我们均将其称为吸引。

因此，可以认为一切物体的粒子皆受两种相反力的作用，一种是排斥力，另一种是吸引力，它们在这二者之间处于平衡。只要吸引力较强，物体必定仍然处于固态；但若反之，热使这些粒子彼此远远脱离，置其与吸引范围之外，它们失去了原先所具有的彼此粘附力，该物体也就不再是固体了。水给我们提供了这类事实的一个普通、常见的例子；当温度在法式温度

计零下①或华氏 32°以下时，它是固体，称为冰。在该温度以上，其粒子不再相互吸引而结合在一起，它就成为液体；当我们将其温度升高到 80°（212

°）以上时，热引起的排斥便会起作用，水就变成气态流体。

可以肯定地说，自然界的一切物体都与此相同：随其粒子内在的吸引力与作用于粒子的热斥力之间的比例不同，它们不是固体，液体，就是处于弹性气态蒸气状态；或者说，与它们所受之热度相比，其结果仍然一样。

① 本书中出现的热度，是作者根据列氏温标陈述的。括号中的度数是译者所加的相应的华氏温标度数。—

—E

不承认这些现象是巧妙地潜入物体粒子之间使其彼此分离的某种真实有形的物质，或极为细微的流体的结果，就难以理解这些现象；即使承认这种流体的存在是假说性质的，我们在后面也将看到，它也以一种极为令人满意的方式解释了这类自然现象。

无论这种物质是什么，它总是热的原因，或者换言之，我们称之为暖和的感觉就是由这种物质的积聚引起的，所以按照严格的语言，我们不能用热这个术语来表示它，因为这同一个名称既表示原因又表示结果不太合适。因此之故，我在 1771 年发表的学术论文中①，把它命名为火流体（igneous fluid）和热质（matter of heat）：自那以后，在德·莫维先生、贝托莱先生、德·佛克罗伊先生和我本人发表的论述化学命名法的改革的著作②中，我们认为，必须排除一切转弯抹角的表达方式，这种表达方式既拖长了自然语言，又使自然语言更加使人厌烦、更加不清楚，甚至常常不能充分转达人们对于所考虑的问题的恰当想法。因此，我们已经用热素（caloric）这个术语来表示热的原因，或者使热得以产生的极富弹性的流体。这种表达方式除了在我们采纳的体系中达到了我们的目的之外，还具有另一个优点，即它与每一种看法都一致，因为严格地讲，我们不必假定这是一种真实的物质；这种表达方式是充分的，因为不管这种东西是什么，都可以把它看作是排斥的原因，这样我们就仍然可以自由地用一种抽象的和数学的方式去探查其结果，在本书的后一部分还将更清楚地看到这一点。

就我们目前的知识状态，我们还不能确定光是热素的变体，还是相反，热素是光的变体。然而无可争辩的是，在只可能接受明确的事实，并且尽可能地避免设想有什么我们并不真正知道其是否存在的东西的体系之中，我们应当暂时用独特的术语来区别那些已知是引起不同结果的东西。因此，我们把热素与光区别开来；尽管我们并不因此而否认它们具有某些共同的质，不否认它们在某些情况下几乎以同样的方式与其他物体化合，而且在某种程度上还引起同样的结果。

我所讲过的这些话，也许足以确定赋予热素一词的观念；但是，要给出一个恰当的概念，说明热素借以作用于其他物体的方式，仍须做出更艰难的努力。由于这种细微的物质渗透了所有已知物质的微孔；由于没有什么器皿它不能够穿透逃逸，因此也就没有什么东西盛留住它，所以，我们只能通过稍纵即逝、难以弄清的结果去获得有关其性质的知识。对于那些看不见摸不着的东西，特别需要防止过度的想象，过度的想象总是跨越真理的范围，极难以限制在狭小的事实限度之内。

我们已经明白，同一种物体呈固体、流体还是气态，取决于其渗入的热素的数量；或者严格地讲，取决于热素所施加的推斥力是等于，强于还是弱

① 当年的《法国科学院文集》，第 420 页。

② 《化学命名法》。

于受热素作用的物体粒子的吸引力。

不过，假若只存在这两种力，物体成为液体的温度区间就会十分微小，而且几乎在一瞬之间就由固体聚集态转化为气体弹性状态。例如，水在它不再是冰的那一瞬间就会开始沸腾，转变成为气态流体，通过周围空间使其粒子无限地扩散开来。这种现象没有发生，就意味着必定有某种另外的力在起作用。大气压阻止这种分离，使水在温度升至法式温度计零上 80°（212°）之前一直处于液态，它所得到的热素的量不足以克服大气压。

由此看来，没有这种大气压，我们就不会有任何永久液体，只能在熔化的瞬间见到各种物体处于这种存在状态，因为增加的极少热素会很快使它们的粒子分离开来，并通过周围的介质使其消散。而且，没有这种大气压，我们甚至不会有任何气态流体，因为严格地讲，在热素的排斥力超过吸引力的瞬间，粒子就会无限地自相分离，没有任何东西限制它们的扩展，除非它们自身的重力能够使它们聚集起来，形成气体。

对于最普通的实验的简单思考，足以表明这些看法的真实性。这些看法尤为我发表于 1777 年《法国科学院文集》第 426 页的以下实验所证实。

盛满硫醚①的一个小而严密的玻璃瓶 A（图版Ⅶ，图 17），瓶脚 P 立地，玻璃瓶直径为十二至十五吩（line），瓶子要用潮湿的膀胱盖住，用结实的线在瓶颈处绕几圈扎住；为了更加保险，在第一张膀胱上再蒙一张膀胱。瓶子要盛满硫醚，在这种液体与膀胱之间不应留有极少量的空气。现在将玻璃瓶置于带有气泵的容器 BCD 之下，容器的上部 B 应当配有一个皮质盖子，穿透盖子的是金属丝 EF，金属丝的 F 端非常尖利；而且，在这同一个容器中应当装一个气压计 GH。整个装置这样安排好后，把容器抽空，然后把金属丝 EF 往下按，在膀胱上穿一个孔。硫醚立刻开始激烈沸腾，变成弹性气态流体，充满容器。如果硫醚的量足够多，在蒸发结束之后小瓶里还剩那么几滴，那么产生的弹性流体就将使与气泵相连的气压计里的汞冬天维持八或十吋，夏天维持二十至二十五吋② 。为了使这个实验更完善，我们可以把一个小温度计插入盛有硫醚的瓶 A，蒸发时温度将会明显下降。

这个实验的唯一作用，就是消除大气的影响，而大气在通常情况下会对硫醚表面施加压力；而且，消除大气影响的结果，显然证明在地球上的通常温度下，如果没有大气的压力，醚总是会以气态方式存在，还证明醚由液态向气态的转化，伴随着热相当大的减少；因为一部分热素在蒸发前处于游离状态，或者起码在周围物体中处于平衡状态，而在蒸发时则与醚化合，使其呈气态。

用各种挥发性流体，譬如酒精、水甚至汞，做这个实验也是成功的，所

① 由于我在后面要下一个定义，解释被叫做醚的这种液体，因此在这里就只先提到，这是一种极易挥发的易燃液体，其比重比水甚或酒精要小得多。——A

② 要是作者详细说明了气压计中产生汞的这个高度时的温度计度数，那就更加令人满意了。

不同的只是酒精形成的气氛仅仅使附加的气压计在冬天大约维持一吋，夏天大约维持四或五吋；水形成的气氛在相同情况下只会使汞上升几吩，而水银形成的气氛则使汞上升不到一吩。因此，由酒精气化的流体比由硫醚气化的流体少，由水气化的比由酒精气化的少，而由汞气化的则比由酒精和水气化的更少；所以，花费的热素较少，产生的冷也较少，这就使这些实验的结果完全一致起来。

另一种实验非常明显地证明，气态是物体靠温度以及物体所受压力而引起的物体形变。在德·拉普拉斯先生和我于 1777 年在科学院宣读，迄今尚未刊行的一篇学术论文中，我们已经阐明，当醚受到与气压计二十八吋相等的压力或普通大气压时，它就会在约 32°（104°）或 33°（106.25°）的温度沸腾。德·吕克（de Luc）先生用酒精做了一个类似的实验，发现酒精在 67°（182.75°）沸腾。而且举世皆知，水在 80°（212°）沸腾。由于沸腾只是液体的气化，或者是它由这种流体向气态转化的瞬间，那么很明显，如果我们使醚持续地处于 33°（106.25°）的温度和普通大气压下，我们就会使其一直处于弹性气体状态；酒精在 67°（182.75°）以上，水在 80

°（212°）以上，也会发生同样的事情；这一切都与下述实验完全一致。① 我把一个大容器 ABCD（图版Ⅷ，图 15）盛满 35°（110.75°）或 36°

（113°）的水；假定该容器是透明的，我们可以看见实验中所发生的事；而且在这个温度的水中可以毫不费力地手握着手而没有什么不便。我将两个小颈瓶 F 和 G 放入容器中，灌满水，然后将其翻转以使瓶口置于容器底部。接下来往瓶颈 abc 有两个弯曲部分（如图）的一个很小的长颈卵形瓶放进水中，使瓶颈插入其中一个小颈瓶 F 的瓶口内。一接触到容器 ABCD 中的水传给它的热，它就开始沸腾；而且热素开始与其化合，使其变成弹性气态流体，我用这种流体连续装满了 F、G 等等好几个瓶子。

这里不是着手研究这种极易燃烧的气态流体的本质和属性的地方；不过，由于现在所考虑的目的，并不是期望研究那些我料想读者尚不知道的细节，我将讨论的只是，根据这个实验，醚在我们这个世界上几乎只能以气态存在；因为，假若大气的重量只相当于气压计的 20 至 24 吋而不是 28 吋的话，我们决不可能得到液态的醚，起码夏天如此；而且在中等高度的山上也就不可能形成醚了，因为它一旦产生就会迅速转变成为气体，除非我们所采用的容器强度特别大，再加上进行冷冻和压缩。最后，由于血液的温度差不多就是醚由液体转变成气态的温度，它必定在第一管（the primaeviae）中蒸发，因此这种流体的医疗性能很可能主要取决于其机械作用。

用亚硝醚做这些实验更为成功，因为它的蒸发温度比硫醚的蒸发温度低。要得到气态的酒精则较为困难，因为使其变成蒸气需要 67°（182.75

°），浴器中的水差不多就沸腾了，因此不可能把手伸进这个温度的水中。

① 参见《法国科学院文集》，1780 年，第 335 页。——A

显然，假若在上述实验中用的是水，那么它在经受比它沸腾的温度更高的温度时，就会变成气体。尽管确信这一点，但德·拉普拉斯先生以及我本人仍然认为有必要通过下述直接实验来加以确证。我们将一个玻璃广口瓶 A

（图版Ⅶ，图 5）盛满汞，使其口朝下放在一个盘子 B 中，同样盛满汞，并往广口瓶中加进大约两格罗斯的水，其升至汞的顶部 CD 处，然后我们将整个装置放入铁质蒸煮器 EFGH 中，蒸煮器中盛满温度为 85°（223.25°）的沸腾海水，并置于炉子 GHIK 上。汞上面的水一达到 80°（212°）的温度，就开始沸腾；它转变成气态流体充满整个广口瓶而不仅仅是 ACD 这个小空间；汞甚至下降到盘子 B 中汞的表面以下；如果广口瓶不是很厚、很重并且被铁丝固定在盘子上，那么它必定会翻倒。把装置从蒸煮器上移开以后，广口瓶中的蒸汽立即开始凝结，汞又回升到它原来的位置；但将装置置于蒸煮器内几秒钟之后，它就再次变成气态。

因此，我们有一定数量的物质可以在不比大气温度高很多的温度作用下变成弹性气态流体。后面我们还将发现另外的几种物质，譬如盐酸或海酸、氨或挥发性碱、碳酸或固定空气以及亚硫酸等等，在类似条件下也发生同样的变化。这些物质在通常的大气温度和大气压力下总是弹性的。

如有必要，增加这类事实倒也容易，不过以上所有这些事实赋予我充分的权力设想有这样一条基本原理，即几乎自然界的每一种物体都可以有三种不同的存在状态，也就是固态、液态和气态，而且这三种存在状态均取决于与物体化合的热素的量。以后，我将用气体（gas）这个一般性术语表示这些弹性气态流体；而且我将把每一种气体中的热素与实物加以区分，热素部分地起溶剂作用，实物则与热素化合构成气体的基。

对于这些已知极少的不同气体的基，我们已经不得已给它们指定了名称；我说明了物体的加热和冷却所伴随的现象，并且确立了与我们大气的组成有关的精确观念之后，将在本书第四章指出这些基。

我们已经指出，自然界每种物质的粒子，都处于有助于使这些粒子结合起来并保持在一起的吸引，与使它们分离的热素的作用之间的某种平衡状态。因此，热素不仅到处都包围着一切物体的粒子，而且填满了物体粒子彼此之间留下的一切空隙。我们可以这样设想，即假定有一个装满小铅丸的器皿，倒进一些细沙，细沙慢慢渗入铅丸之间，将会填满每个空隙。铅丸之相对于包围它们的沙粒所处的情况，与物体粒子之相对于热素的情况，恰恰相同；不同之处仅仅在于铅丸被设想为处于彼此接触状态，而物体的粒子由于热素使它们彼此之间隔开一点距离，因此并不处于接触状态。

如果我们用六面体、八面体或者其他任何形状规则的固体代替铅丸，那么它们之间空隙的容量就将减小，因此也就不再容纳等量的沙。就自然物体而论，情况亦相同；由于物体粒子的形状和大小不同，由于粒子保持的距离随其内在吸引力与热素对其施加的排斥力之间实际比例的不同而不同，粒子之间剩下的空隙并不具有相等的容量，而是有所不同。

按这种方式，我们必定会理解英国哲学家们所提出的下列措辞，他们使我们对这个问题有了极为确切的了解：物体容纳热质的容量（the capacity of bodies for containing the matter of heat）①。由于与可感觉到的客体的比较在帮助我们形成对于抽象观念的清晰见解方面极为有用，我们将把被水浸湿和渗透的物体与水之间所发生的现象作为例子，加上一些见解，尽力对此进行说明。

如果我们把不同种类但大小相同的木块，譬如每块一呎大小，浸入水里，那么这种流体就会逐渐渗入其微孔之中，木块在重量和大小上都会增加：不过每块木头吸收的水量则不相同；较轻和多孔的木头吸收的量较大，木纹致密和紧实的则吸收的较少；因为被木块吸收的相应的水量取决于木头的组成粒子的本质以及粒子与水之间亲和力的大小。譬如，富树脂性木头尽管它同时是多孔的，也吸收不了多少水。因此我们可以说，不同种类的木头容纳水的容量不同；我们甚至可以通过其重量的增加来确定它们实际上所吸收的水量；不过，由于我们不知道它们在浸透前含有多少水，我们就不能确定从水中取出之后它们所含的绝对水量。

毋庸置疑，对于浸入热素之中的物体来说，会发生同样的情况；然而，考虑到水是一种不可压缩的流体，而热素则相反，它有非常大的弹性；换言之，热素的粒子在受到其他任何趋近力的作用时，具有极大的彼此分离倾向；在就这两种物质所做的各种实验的结果中，这个不同之处不可避免地会引起各种相当大的差异。

由于确立了这些清楚而简单的命题，对于下列措辞应当包含的观念进行解释就十分容易了，这些措辞决不是同义的，它们各自具有下列定义中严格而明确的含意：

游离热素（free caloric）是没有以任何方式与其他任何物体化合的热素。不过，由于我们生活于热素对其有极强的粘着力的系统之中，因此我们决不会获得处于绝对游离状态的热素。

化合热素（combined caloric）是被亲和力或有择吸引力固定在物体内，以致成为物体的物质的一部分，甚至是其体积的一部分的热素。

我们可以通过物体的比热素（specific caloric）这一措辞，了解使具有相同重量的许多物体升到某个相同温度各自所必须的热素的量。热素的这种相应的量取决于物体的组成粒子之间的距离以及结合程度的大小；这种距离，或者更确切地说，由它形成的空间或空隙，正如我们已经说过的，称为物体容纳热素的容量（capacity ofbodies for containing caloric）。

被认为是一种感觉的热（heat），或者换言之，可感觉到的热，只是由于脱离了周围物体的热素的运动或流通，作用于我们的感觉器官所产生的结果。一般说来，我们只是由于运动的缘故才得到各种印象，我们也许可以把

① 在英语中，“capacity”一词既指“容量”，又有“能力”，尤其是“接受能力”的意思。——C

它确立为一条公理，即没有运动就没有感觉。这条一般原理非常准确地适用于热和冷的感觉；当我们接触一个冷物体时，在所有物体中总是趋向于 in equilibrio①的热素，便从我们的手进入我们所接触的物体，给我们以冷的知觉或感觉。当我们接触一个暖和的物体时，正好相反的事情就会发生，热素从物体进入我们的手，引起热的感觉。如果手与接触的物体温度相同或者极为接近，我们就得不到什么印象，不论是热是冷，因为没有热素的运动或流通；因此，没有引起感觉的相应运动，就不可能产生感觉。

当温度计上的温度上升时，就表明游离的热素正在进入周围物体：温度计不可避免地会得到与其质量以及容纳热素的容量相应的一份热素。因此，由温度计上所发生的变化，仅仅知道在那些物体中热素位置的变化，而温度计则是这些物体当中的一部分；这种变化仅仅表明得到的部分热素，并不是离析、取代和吸收了的总量的量度。

确定后一项的最简单、最精确的方法，也就是德·拉普拉斯先生在 1780

年《科学院文集》第 364 页所描述的方法，在本书快要结尾的地方可以找到对此方法的扼要解释。这个方法就在于，把一个物体或者使热素由之分离的数个物体的组合置于一个中空冰球的最中间；而熔化的冰量就是被分离的热素的精确量度。依靠我们按照这个办法所构造的装置测定的，可能不是所谓物体容纳热的容量，而是被测定的温度所引起的容量的增加或减少的比例。很容易用同样的装置，把若干个实验配合起来，去测定使固体物质转变成液体或者使液体物质转变成弹性气态流体所需要的热素的量；反过来，测定弹性蒸气变成液体时逃逸出来的热素的量，情况也一样。或许，在足够精确地做了实验之后，我们也许有一天能够测定制造几种气体所必需的热素的比例量。我将在后面的一个专章中说明在这一方面所做的那类实验的主要结果。

在结束这一章之前，尚须就气体的弹性和处于蒸气状态的流体的弹性交待几句。理解这一点并不难，即这种弹性依赖于热素的弹性，热素似乎是自然界最优良的弹性物体。而更易于理解的就是，一个物体通过与另一个具有弹性的物体化合，会变得富于弹性。我们必须承认，这只是用弹性假定对弹性作出的一种解释，因此我们仅仅把困难向前移动了一步，而弹性的本质以及热素具有弹性的原因尚未得到解释。抽象地讲，弹性不过是物体的粒子在被迫压到一起时用以使彼此恢复到原状的属性。热素粒子的这种分离倾向甚至发生在相当远的距离上。当我们考虑到空气可以被大大地压缩，这就必须假定其粒子原来相隔很远时，我们就会确信这一点；因为靠近到一起的能力必然意味着原先的距离至少与靠近的程度相等。因而，本来就相距甚远的这些空气粒子势必会进一步彼此分离。事实上，如果我们在一个大容器中制造波义耳真空（Boyle’s vacuum），那么最后剩下的一点空气自身就会均匀地扩散，占满该容器的全部容量，不论容器有多大，空气都会完全将其充满，

① 拉丁文，意为“处于平衡状态”。——C

并且冲压四处，撞击器壁。然而，不假定这些粒子到处都在尽力自相分离就不能解释这种效应，我们完全不知道这些粒子在多远的距离上或者稀薄到何种程度这种自相分离的努力才会不再起作用。

因此，在这里，弹性流体的粒子之间存在着真正的排斥力；至少情况确实发生了，就仿佛排斥力实际上存在过似的；我们完全有权断定，热素的粒子彼此推斥。当一旦允许我们假定有这种推斥力的时候，对气体或气态液体形成的理论阐述（rationale）就变得十分简单；不过我们必须同时承认，就作用于彼此离得很远的微小粒子的这种推斥力，形成一个精确的思想，是极为困难的。

也许，更为自然的，是假定热素粒子比任何其他物质粒子具有更强的相互吸引力，是假定后一种粒子由于热素粒子之间的这种较强的吸引力而被迫分离，这种吸引力作用于其他物体粒子之间的热素，使它们能够彼此再结合起来。干海绵吸水时所发生的现象，与这个思想有些类似：海绵膨胀了；其粒子彼此分离；全部空隙都充满了水。显然，海绵在膨胀时所获得的容纳水的容量比它干燥时所具有的容量更大。但是我们不能肯定认为，水进入海绵粒子之间，就给它们赋予了推斥力，有助于使它们彼此分离；正相反，所有这些现象都是靠吸引力所产生的；这些吸引力第一是水的重力，以及与所有其他流体相同的那种到处都起作用的力；第二是产生于水粒子之间，使其结合在一起的吸引力；最后是存在于海绵粒子与水粒子之间的吸引力。容易理解，对这个事实的解释，有赖于对这几种力的强度及其之间的联系作出恰当的估价。由热素引起的物体粒子的分离，很可能以类似的方式依赖于各种吸引力的某种结合。与我们知识的不完善性相一致，我们力图通过热素传递对物体粒子的某种推斥力这一假定，去表示这种结合。