認(rèn)識(shí)熱本質(zhì)

華慶富

人們已在實(shí)踐中熟悉了摩擦生熱。但摩擦為什么會(huì)生熱？熱是什么？人們很久也沒(méi)有弄清楚。古代人們對(duì)熱有兩種不同的看法，一種把熱看成是一種特殊物質(zhì)，一種認(rèn)為熱是物質(zhì)的某種運(yùn)動(dòng)形式。

17世紀(jì)以后，多數(shù)人根據(jù)摩擦生熱的現(xiàn)象，認(rèn)為熱是一種特殊的運(yùn)動(dòng)形式，不少物理學(xué)家都相信這一點(diǎn)，但是這種看法由于缺乏精確的實(shí)驗(yàn)根據(jù)，還不能形成科學(xué)的理論。

到了18世紀(jì)，對(duì)熱的研究走上了實(shí)驗(yàn)科學(xué)的道路。把熱看成是一種特殊物質(zhì)的熱質(zhì)說(shuō)，由于能夠解釋某些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因而在當(dāng)時(shí)獲得了承認(rèn)。熱質(zhì)說(shuō)將熱看成一種沒(méi)有質(zhì)量或不可稱(chēng)量的流質(zhì)——熱質(zhì)，它不生不滅，存在于一切物體之中，物體的冷熱程度，決定于其中所含熱質(zhì)的多少。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。

1798年，英國(guó)學(xué)者倫福德（1753～1814）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并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)的傳統(tǒng)地位開(kāi)始動(dòng)搖了。

1799年，英國(guó)的戴維做了更加嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)。他在0℃以下的露天里，在抽成真空的玻璃罩內(nèi)，使金屬輪子和盤(pán)在鐘表裝置的帶動(dòng)下相互摩擦，結(jié)果使金屬盤(pán)上的蠟熔化了。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，熱不可能是由周?chē)矬w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)化成與熱相關(guān)的能量。焦耳的工作，表明熱不是一種特殊物質(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)理論的發(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)部的能量就是物體的內(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。

責(zé)任編輯/蔡華杰