能量的规律，对热的探索

在第一次工业革命中，蒸汽机的发明、改进和应用，极大地推动了社会 的发展。同时，蒸汽机的使用引起人们对热现象的广泛兴趣，推动 J 人们对 热学、热力学和能量转化方面的基础理论的研究。能量转化和守恒定律的发现，是 19 世纪的三大科学成就之一。这一成就 是人们经历长期的实验研究和理论探索的结果。

人们在长期的生活实践中经常接触到热现象，逐步积累了关于热的知 识。但是由于缺乏测量手段和实际应用的迫切性，人们对热的认识水平还是 相当的落后，除了定性地发现热传递、透镜能聚焦生热等现象，还没有对热 现象规律进行定量的研究。自从伽利略制造了第一支温度计，就开始了对热进行定量研究。伽利略 是热量概念的创立者，为了测量热的量度，在 1593 年发明了温度计，主要靠 空气膨胀来度量温度的变化，不太准确。自此之后，人们对热有了较为明确 的量度概念。人们相继对温度计进行了改进。1642 年，意大利的西门图学院制出了酒精温度计，能比较方便地度量热。

1714 年，德国物理学家华伦海特发明了水银温度计。他把水的沸点定为212°，冰、纯水和食盐的混合温度为 60°。后来他发现液体的沸点，随着气压的升高而升高，随着气压的降低而降低。华伦海特的温度计，就是人们通常所称的“华氏温标”。到 1742 年，瑞典物理学家摄尔希斯把水的沸点作为 0°，冰点作为 100°，制成了百分温标，后来这种划分被颠倒过来，成为通用的“摄氏温标”。

热量概念的产生和量热仪表的不断精密，使热学不断向前发展。随着化学中对燃烧现象的研究，诞生了热化学。这时，人们在生活中和生产实践中已经认识到较热的和较冷的物体的不同，认识到具有不同冷热程序的物体相互接触后使原来较热的物体变冷，原来较冷的物体变热，最后具有同样程度的热。但是人们还不能正确区分温度和热量这两个概念。正是在热化学的研究中，英国化学家布莱克最先把温度和热量这样两个不同的热学概念区分开来，分别称为热的强度和热的分量。布莱克发现熔解、汽化时要吸收热量而不改变温度，提出了“比热”和“潜热”的概念，形成了量热学的基础。

比热是比热容的简称，指单位质量的某种物质，温度升高 1℃吸收的热量。潜热即熔解热，即单位质量的某种晶体在熔点变成同温度的液体时吸收热量。汽化时潜热，是单位质量的液体变成同温度的气体时吸收的热量。布莱克创立了比热的理论，来解释不同物体升高相同的温度所需热量的不同。关于热的本质，布莱克也进行过探讨。他认为“热”和物体燃烧时的“燃素”一样，是一种由特殊的“热粒子”组成的“热流体”。这种“热粒子”后来被称为“热素”或“热质”。这就是关于热的本质的“热质说”。 热质说是 18 世纪占统治地位的观点。它认为热本身是一种没有质量、没有体积、具有广泛渗透性的物质。热从一种物体渗透到另一种物体中去，在 热交换之前和之后，热质量是守恒的。

用这种理论可以解释当时已知的热现象。物体的温度高是由于热质多， 受热膨胀是由于热质进人物体所造成，热的传递是热质由高温物体到低温物 体的流动，太阳光通过透镜聚焦是热质的集中，辐射则是热质的扩散。布莱克还根据热质说解释潜热现象。他认为固体的融化、液体的蒸发是 热质参与化学变化的结果，即热质与冰化合生成水，也可与水化合生成汽。 因此，在冰融为水和水蒸发为汽时，虽然要吸收大量的热质，由于热质被化 合掉，温度并没有升高。热质说是一个错误的理论，但它力图从自然本身去说明自然，并且成功 地解释了许多热现象，因此在理解热的本质方面一直占据统治地位。关于热的本质的另一种解释，认为热是一种运动，即热是看不见的物质 分子的运动或是其他粒子的运动。18 世纪前的培根和笛卡尔都持这种观点，

18 世纪 40 年代，俄国的罗蒙诺索夫也认为热是分子的转动引起的。但这些 都是极个别人的观点，没有引起重视。直到 18 世纪末，才有一些人开始对热质说表示怀疑。从美国移居到法国的汤普森，即后来的朗福尔德伯爵是最早从物理学角度论证热与运动相联系的人。

1798 年，他在一家兵工厂做了著名的“朗福尔德热学实验”。用锐钻头和钝钻头同时钻造炮膛，并测量它们产生的热量。在相同时间内锐钻头钻得深，但锐钻头比钝钻头产生的热量少。根据热质说，钝钻头产生的热量多，释放了更多的热质，应该钻进的深度更深。但事实正好相反。另外，他还发现从钻炮膛发出巨量的热，但周围环境却没有变冷。这些都是热质说解释不通的，朗福尔德经过分析，认为能够连续不断产生出来的热不可能是物质，热是机械运动的一种形式，它的本质在于机械运动，运动产生热。他还进一步认识到，运动所产生的热的量与所做的功成正比。

这样，他就提出了“热之唯动说”，也就是与热质说对立的热动说。同一时期，另一位研究热与运动关系的人是英国化学家戴维。1799 年，他进行了摩擦冰块的实验。在杜绝热源的装置中，使两块冰相互摩擦，结果冰融化了。

实验证明，两块冰在摩擦运动中产生了热，将冰融化了。朗福尔德和戴维的实验是令人信服的，为以后热质说的崩溃和热动说的确立提供了最早的实验证据。但这个问题一直到 19 世纪热力学第一定律问世时，才真正得到解决。在热动说和热质说的论争中，包含着力学、热学和化学的相互渗透，促进了热力学这门新兴学科的产生。