熱是什么？

江蘇省豐縣初級中學 劉慶賀

熱是什么？

江蘇省豐縣初級中學 劉慶賀

人們很早就注意到了摩擦生熱，但熱是什么？為什么會產生熱？這些問題人們很久也沒有弄清楚，歷史上對此還有過長期的爭論。

從史前時期直到18世紀初，雖然人們對熱現象的本質進行過許多探索，但由于掌握的知識不夠豐富，方法不夠科學，因而對熱的本質的認識只是一些設想。其中以古希臘時期產生過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、水當作自然界的四種獨立元素的“四元素說”，認為自然界的一切物質都由這四種元素組成。這種看法同中國古代的“五行說”相似。五行說認為萬事萬物的根本是金、木、水、火、土五種氣。另一種是柏拉圖根據摩擦生熱現象提出的，認為火是一種運動的表現形式。

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

不過，整個17世紀和18世紀初葉，無論是熱的流體說，還是熱的運動說，都因缺乏實驗基礎而未能牢固建立起來。1741年，華倫海特改良了溫度計并制定出華氏溫標，建立起測溫學；1756年，英國的布萊克及其學生歐文提出比熱和潛熱概念，奠定了量熱學的基礎，從此，熱學走上了實驗科學的道路。人們將不同溫度物體混合在一起進行量熱實驗時，發(fā)現熱量守恒。若聯想到當時已被公認的質量守恒，自然會想到熱是某種物質，這使熱流體觀點占了上風。

從18世紀60年代起，布萊克等人提出了熱質說。熱質說將熱看成是一種沒有質量的能流動的特殊物質，它不生不滅，存在于一切物體之中。含有熱質多的物體溫度高，含有熱質少的物體溫度低。熱質說能很好地解釋熱傳遞、熱膨脹和量熱學的一些實驗結果。于是，自18世紀80年代起，幾乎在整個歐洲，熱質說占了統治地位。熱質說對摩擦生熱的解釋是，摩擦并沒有改變熱質的總量，但物質在摩擦時比熱容降低了，因此摩擦可以使物體的溫度升高。正是這一解釋使反對者抓住了把柄。

1798年，英國學者倫福德在從事槍炮制造時，發(fā)現鉆孔鉆下的金屬屑具有極高的溫度，用水來冷卻時，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道，由摩擦所生的熱，來源似乎是無窮無盡的，要用熱質說解釋摩擦生熱現象，鉆下的金屬屑的比熱容要改變很大才行。于是他

設計并做了一系列實驗，發(fā)現鉆下的金屬屑的比熱容在摩擦時并沒有降低。根據實驗結果，倫福德斷言熱質說不足為信，應當把熱看成是一種運動形式，熱質說的統治地位開始動搖了。

培根

玻意耳

伽利略

次年，英國的戴維做了更加嚴格的實驗。他在零攝氏度以下的露天里，在抽成真空的玻璃罩內，使金屬輪子和盤在鐘表裝置的帶動下相互摩擦，結果使金屬盤上的蠟熔化了。在這個實驗中，熱不可能是由周圍物體傳遞給蠟的，而且倫福德的實驗已經證明，金屬也不會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動加快了。戴維的實驗有力地打擊了熱質說。

此后，科學家進一步研究了熱和做功的關系，特別是英國科學家焦耳從1840年起花了近40年的時間，做了大量實驗，定量地研究了熱和功的關系，證明做了多少機械功，就有多少機械能轉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，同時為能量守恒定律奠定了基礎。

能量守恒定律的建立，徹底否定了熱質說，同時為分子運動論的發(fā)展開辟了道路。經過科學家的長期研究，關于熱是一種運動形式的設想，終于成為公認的真理。人們認識到：宏觀的熱現象原來是物體內部大量分子的無規(guī)則運動的表現，物體內部的能量就是內能。熱量不是表示物質所含熱質的多少，而是表示在熱傳遞過程中傳遞的能量的多少。

可見，在這場關于熱的本質的爭論中，實驗是決定性的因素。