江蘇省豐縣初級(jí)中學(xué) 劉慶賀

熱是什么？

江蘇省豐縣初級(jí)中學(xué) 劉慶賀

人們很早就注意到了摩擦生熱，但熱是什么？為什么會(huì)產(chǎn)生熱？這些問(wèn)題人們很久也沒(méi)有弄清楚，歷史上對(duì)此還有過(guò)長(zhǎng)期的爭(zhēng)論。

從史前時(shí)期直到18世紀(jì)初，雖然人們對(duì)熱現(xiàn)象的本質(zhì)進(jìn)行過(guò)許多探索，但由于掌握的知識(shí)不夠豐富，方法不夠科學(xué)，因而對(duì)熱的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)只是一些設(shè)想。其中以古希臘時(shí)期產(chǎn)生過(guò)的兩種不同看法為代表。一種是大約公元前500年赫拉克利特提出的，把火、土、氣、水當(dāng)作自然界的四種獨(dú)立元素的“四元素說(shuō)”，認(rèn)為自然界的一切物質(zhì)都由這四種元素組成。這種看法同中國(guó)古代的“五行說(shuō)”相似。五行說(shuō)認(rèn)為萬(wàn)事萬(wàn)物的根本是金、木、水、火、土五種氣。另一種是柏拉圖根據(jù)摩擦生熱現(xiàn)象提出的，認(rèn)為火是一種運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)形式。

在歐洲，人們探索自然界的熱情在文藝復(fù)興后重新興起。古希臘原子論者猜想熱是一種特殊的、不可直接察覺(jué)的物質(zhì)：當(dāng)不同溫度的物體接觸時(shí)，溫度總要趨于相同，這種現(xiàn)象被解釋為一種物質(zhì)從高溫物體流向低溫物體。不過(guò)，英國(guó)的培根、玻意耳和意大利的伽利略等人則認(rèn)為熱的流體理論是不可信的，他們?cè)噲D把熱解釋為受熱物體的微粒的機(jī)械振動(dòng)。

不過(guò)，整個(gè)17世紀(jì)和18世紀(jì)初葉，無(wú)論是熱的流體說(shuō)，還是熱的運(yùn)動(dòng)說(shuō)，都因缺乏實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)而未能牢固建立起來(lái)。1741年，華倫海特改良了溫度計(jì)并制定出華氏溫標(biāo)，建立起測(cè)溫學(xué)；1756年，英國(guó)的布萊克及其學(xué)生歐文提出比熱和潛熱概念，奠定了量熱學(xué)的基礎(chǔ)，從此，熱學(xué)走上了實(shí)驗(yàn)科學(xué)的道路。人們將不同溫度物體混合在一起進(jìn)行量熱實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)熱量守恒。若聯(lián)想到當(dāng)時(shí)已被公認(rèn)的質(zhì)量守恒，自然會(huì)想到熱是某種物質(zhì)，這使熱流體觀點(diǎn)占了上風(fēng)。

從18世紀(jì)60年代起，布萊克等人提出了熱質(zhì)說(shuō)。熱質(zhì)說(shuō)將熱看成是一種沒(méi)有質(zhì)量的能流動(dòng)的特殊物質(zhì)，它不生不滅，存在于一切物體之中。含有熱質(zhì)多的物體溫度高，含有熱質(zhì)少的物體溫度低。熱質(zhì)說(shuō)能很好地解釋熱傳遞、熱膨脹和量熱學(xué)的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。于是，自18世紀(jì)80年代起，幾乎在整個(gè)歐洲，熱質(zhì)說(shuō)占了統(tǒng)治地位。熱質(zhì)說(shuō)對(duì)摩擦生熱的解釋是，摩擦并沒(méi)有改變熱質(zhì)的總量，但物質(zhì)在摩擦?xí)r比熱容降低了，因此摩擦可以使物體的溫度升高。正是這一解釋使反對(duì)者抓住了把柄。

1798年，英國(guó)學(xué)者倫福德在從事槍炮制造時(shí)，發(fā)現(xiàn)鉆孔鉆下的金屬屑具有極高的溫度，用水來(lái)冷卻時(shí)，甚至可以使水沸騰。他懷疑金屬屑具有極高溫度不是由于比熱容降低造成的。倫福德在他的筆記中寫(xiě)道，由摩擦所生的熱，來(lái)源似乎是無(wú)窮無(wú)盡的，要用熱質(zhì)說(shuō)解釋摩擦生熱現(xiàn)象，鉆下的金屬屑的比熱容要改變很大才行。于是他

設(shè)計(jì)并做了一系列實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鉆下的金屬屑的比熱容在摩擦?xí)r并沒(méi)有降低。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，倫福德斷言熱質(zhì)說(shuō)不足為信，應(yīng)當(dāng)把熱看成是一種運(yùn)動(dòng)形式，熱質(zhì)說(shuō)的統(tǒng)治地位開(kāi)始動(dòng)搖了。

培根

玻意耳

伽利略

次年，英國(guó)的戴維做了更加嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)。他在零攝氏度以下的露天里，在抽成真空的玻璃罩內(nèi)，使金屬輪子和盤在鐘表裝置的帶動(dòng)下相互摩擦，結(jié)果使金屬盤上的蠟熔化了。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，熱不可能是由周圍物體傳遞給蠟的，而且倫福德的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，金屬也不會(huì)由于比熱容的降低而放熱，那就只能是由于摩擦生熱使蠟粒子的運(yùn)動(dòng)加快了。戴維的實(shí)驗(yàn)有力地打擊了熱質(zhì)說(shuō)。

此后，科學(xué)家進(jìn)一步研究了熱和做功的關(guān)系，特別是英國(guó)科學(xué)家焦耳從1840年起花了近40年的時(shí)間，做了大量實(shí)驗(yàn)，定量地研究了熱和功的關(guān)系，證明做了多少機(jī)械功，就有多少機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱這種形式的能量。焦耳的工作，表明熱不是一種特殊的物質(zhì)，同時(shí)為能量守恒定律奠定了基礎(chǔ)。

能量守恒定律的建立，徹底否定了熱質(zhì)說(shuō)，同時(shí)為分子運(yùn)動(dòng)論的發(fā)展開(kāi)辟了道路。經(jīng)過(guò)科學(xué)家的長(zhǎng)期研究，關(guān)于熱是一種運(yùn)動(dòng)形式的設(shè)想，終于成為公認(rèn)的真理。人們認(rèn)識(shí)到：宏觀的熱現(xiàn)象原來(lái)是物體內(nèi)部大量分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)，物體內(nèi)部的能量就是內(nèi)能。熱量不是表示物質(zhì)所含熱質(zhì)的多少，而是表示在熱傳遞過(guò)程中傳遞的能量的多少。

可見(jiàn)，在這場(chǎng)關(guān)于熱的本質(zhì)的爭(zhēng)論中，實(shí)驗(yàn)是決定性的因素。