(二)热的运动说的发展

在通向能量理论结构的途程上，热的运动说的实验证明，对能量守恒定律的建立有密切的关系。热是组成物体的粒子的运动这一学说，使得热和机械功的等效性在概念上是可以理解的，并为机械功和热的相互转化提供了一个解释的基础。在对热的本质的认识上，历史上有热质说与热的运动说之争。古希腊哲学家亚里士多德(Aristotle,公元前 384—322 年)提出宇宙是由土、水、气、火四种元素组成，把火看作四元素之一。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(Pierre Gassendi,1592—1655)认为，运动着的原子是构成万物的原始的、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”。[4]

热质说的倡导者们称热是由无重量的某种特殊物质组成的。荷兰物理学家波尔哈夫(H.Boerhaave,1668—1738)认为，热的本原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，彼此间有排斥性，而且弥漫于宇宙。1789 年，化学家拉瓦锡还将“热质”和“光”列入无机界二十三种“元素”之中。[4]

在热质说观点指引下，热学研究取得了一定的进展。波尔哈夫在作混合物的实验时断言“热不能创造也不能消灭”，提出了混合时热量守恒的思想。1757 年前后，热质论的主要倡导者，英国化学家布莱克(JosephBlack1728—1799)主张把热和温度两个概念区分开来。他在研究热传导时发现，同重量而不同温度的两种物质混合在一起时，它们的温度变

化是不相同的。他把物质在改变相同温度时的热量变化叫做这些物质的“对热的亲和性”、“接受热的能力”，并由此提出了“比热”概念，引进了“热容量”概念，得出了量热学的基本公式△Q＝Cm△T。布莱克在研究冰和水的混合温度时发现，在冰的溶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这种效应，他由此引进了“潜热”的概念。布莱克在他的化学原理讲义中写道：“大量的热或热物质进入溶冰以后，除了给它以流动性之外，并没有产生其它效应，也没有增加它的温度；这种热好象被溶冰吸收或潜伏在冰水之中，因此，用温度计去量也无法予以发现。”他指出使冰溶解的过程是潜热发生的过程，使水凝固的过程是潜热移出的过程。[8]

热质说对热学的发展又起着严重的阻碍作用。既然把热看成一种物质，而不是物质的一种运动形态，那就不可能有各种物质运动形态的转化。在热质论者看来，摩擦所以生热，只是由于摩擦把热逼出来而已，使摩擦后物体的比热比摩擦前小，所以温度计升高，而热质的量并没有增加。因此，在热质说占统治地位的 18 世纪，人们就不可能正确理解由蒸汽机的发明所揭示的热和机械运动之间的关系。

关于热的本质的另一种解释则认为热是一种运动。这种热的运动说认为热是组成物体的细小微粒的运动或分子的运动。18 世纪前英国的哲学家和学者培根、法国的笛卡尔都持有这种观点。18 世纪 40 年代，俄国学者罗蒙诺索夫在他的“论热与冷的原因”里，认为热现象是分子的转动引起的，对热质说提出了异议。但是，在那时热是运动的观点尚缺乏足够的实验依据，所以还不能形成为科学理论。

18 世纪末，由于实验材料的增多，越来越表明热质说不能说明物体因摩擦力作功而生热的现象。 1798 年英国物理学家本·汤普孙(BenjaminThompson,即伦福德伯爵，1753—1814)向英国皇家学会提出了一个报告《论摩擦激起的热源》，叙述了他的著名实验，这一实验导致了后来具有深远意义的发现。他写道：

“我确信，如果一个人对于生活中的一切日常事务，随时加以注意， 这种习惯就往往象人们在最普通事情上突动灵机或戏运遐思那样，可以导致种种有益的疑问和合理的研究与改进的方法，而且比哲学家们在专门研究时所作的一切深思更为有效。”

“出于偶然，我进行了下述实验⋯⋯我最近在慕尼黑兵工厂车间监督大炮镗孔工作时，对于铜炮在钻腔时能在短时间内获得大量的热，和钻腔机从炮上切下的金属片所获得的更大的热感到十分惊奇(我由实验发现，这温度超过水的温度)。”[9]

这是一个极平常的观察，但由于产生的温度异乎寻常之高和伦福德的特殊的观察天赋而变得引人注目。他敏锐地感觉到彻底研究这一课题，对于热的本质可望获得进一步认识，从而对于热质存在与否这个自古以来哲学家们众说不一的问题作出合理的推测。

接着，他提出了大量热是从哪里来的问题。他说：“热是否来自钻腔机所切开的金属片？如果情形确是这样的话，那么，根据现代的潜热和热质学说，则金属片的热容量不仅应该变化，而且此变化还应该大到足以成为产生所有热的源泉。”但是，通过实验他比较了钻孔前后金属和碎屑的比热，发现钻削不会改变金属的比热。他还用很钝的钻头钻炮筒，半小时

后炮筒升高 70°F，金属碎屑只有 54 克，相当于炮筒质量的 1/948，这一小部分碎屑能够放出这么大的“潜热”吗？于是，他作出结论：“这些实验所产生的热，或者宁可说所激发的热，不是来自金属的潜热或综合热质。”他在论文的末尾写道：

“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它任何东西。”[9]

1799 年，英国化学家戴维(HumphreyDavy，1778—1829)在《论热、光和光的复合》的论文里描述了这样的实验：在一个同周围环境隔离开来的真空容器里，利用钟表机件使里面的 29°F 的两块冰互相摩擦而溶解为水。他在论文中写道：“如果热是一种物质的话，它一定是从这几种方式之一产生的。或者是由于冰的热容量减少；或者是两物体的氧化；或者是从周围的物体吸引了热质。”可是明显的事实是，水的热容量比冰的热容量大得多，而冰一定要加上一个绝对量的热才能变成水，所以摩擦并没有减少冰的热容量。”“也不是由于热体的氧化引起的，因为冰根本不能吸引氧气”。最后，他得出结论：“既然这些实验表明，这几种方式不能产生热质，那么，热就不能当作物质。所以，热质是不存在的。”他明确指出热是物体微粒的运动。他说：物体既因摩擦而膨，则很明显，它们的微粒一定会运动或相互分离。既然物体微粒的运动或振动是摩擦和撞击必然产生的结果，那么，我们就可以作出合理的结论：热是物体微粒的运动或振动。”[10]

伦福德和戴维的实验与论证是令人信服的，可以说为以后热质说的最终崩溃和热的运动说的确立提供了最早的论据。但是，尽管如此，热质说在当时并没有被推翻，他们的实验没有被人们所重视，大多数学者并没有因此而改变自己关于热的本性的观点。这个问题一直到 19 世纪热力学第一定律问世时，才真正得到了解决。