书城教材教辅中学理科课程资源-探寻物理起源
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第24章 第一定律与能量守恒定律(2)

“燃素说”与“火粒子说”对燃烧现象的解释是不相同的,玻意耳的“火粒子说”认为煅烧是金属与火粒子的结合过程,而燃素说则认为燃烧是物体与燃素粒子分离的过程。燃素说为了能自圆其说,不得不让燃素具有“负重量”的奇特性质。不管怎么说,“燃素说”与“火粒子说”都是把火(热)看作是独立的物质粒子。

关于燃烧现象的这种基本思想促进了热质说的发展。荷兰科学家波尔哈夫根据对热交换过程的研究,提出热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,彼此之间有排斥性,而且弥漫于全宇宙。当时虽然还没有明确地给这种物质粒子命名为“热质”,但是把热看作是一种物质粒子的基本思想已经确立。

在量热学的研究方面作出了重大贡献的英国物理学家布莱克,也对热质说的发展起了推动作用。布莱克对在热的本性上的两种不同看法之间的争论是有所了解的,但他对热的运动说存有疑虑。他认为,如果说是由于在物体内部粒子相互碰撞使它们的运动加剧而发生热,那么为什么同样锤击一块软铁与弹性钢球,软铁会变得很热而钢球却一下热不起来?另外,他还想到,如果热是由物体内部粒子的运动造成的,由于密度大的物质中粒子之间的相互吸引力大,让它们振动起来也就比较难,因而它的比热应该比较大。但是实际上有些密度大的物质的比热却比密度小的物质的比热要小。例如,水银的密度比水大,但是实际上水银的比热小于水的比热。这样布莱克就成了热质说的主要倡导者。他以热质说为理论基础,在热学研究方面做出了两个重大的贡献。他重复了波尔哈夫等人的实验,再次证实了相同重量的两份不同温度的水相混合,混合后水的温度正好是它们温度的中间值;可是把相同重量的热水与冷的水银混合在一起,混合后的温度却不是它们温度的中间值,而是更接近于水的温度。为了解释这一疑难,布莱克主张把热量和温度两个概念分开,一个是指“热质的量”,一个是指“热的强度或集度”,这就如同把物质的量即质量与物质的集度即密度分开一样。对不同的物质改变相同的温度,所需要的热量是不同的,这种不同就在于物质“对热的亲和性”或“接受热的能力”的不同。热学中的重要概念热容量和比热就是在这一基础上建立的。布莱克的另一个贡献是提出了“潜热”的概念,他从实验中发现:冰在熔解时需要吸收热量,而温度计的指示数值却不变,进而发现所有的物质在物态发生变化时都有这种效应。为了回答那些热量哪里去了的问题,他把热质的作用分为两类,一类是“自由热”,用以改变物体的温度;另一类是“潜热”,不改变物体的温度却可以改变物态。“潜热”就是可以“隐藏的热”,通过物态变化可以存放,也可以取出。布莱克曾在他编写的《化学原理讲义》中写道:“大量的热或热物质进入溶水以后,除了给它以流动性之外,并没有产生想象效应,也没有增加它的温度;这种热好像被溶水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。”

从热质说出发,使得许多热现象得到了统一的解释,就使热质说逐渐成为在热学研究中占统治地位的理论。到18世纪80年代,几乎整个欧洲都相信热质说是正确的。法国著名化学家拉瓦锡于1777年写出了《燃烧理论》,全面地阐述了燃烧的氧化学说,推翻了燃素说。但是,他依然把热看成是一种特殊的物质元素,并于1787年同他人一起把这种特殊的物质元素命名为“热素”(热质)。1789年,拉瓦锡在他出版的《化学原理教程》一书中,把“热素”和“光”一起列入无机界23种化学元素中。他认为,热质是“没有重量不可称量”的流体。可见,热质说已经达到了它的鼎盛时期。

不过,对于热的本性的认识始终是存在两种不同观点的争论。近代科学诞生之后,形成了一个总的思想是:物理世界仅仅是由运动着的物质构成的,热的、光的、声的、电的各种自然现象,都是由物质和运动这两个基本要素决定的。所以对热到底是什么这个问题,也是从物质和运动这两方面来考虑的。除了热质说把热看作是一种物质以外,从近代科学开始就有人认为热是一种运动。

被称为“实验科学始祖”的英国哲学家培根,就较早地提出热是一种运动的观点。作为近代归纳法的创立者,在归纳了大量经验事实的基础上,培根对热的本质进行了分析。他看到,火焰和正在燃烧的物体固然是热的,但温泉和沸腾的水也是热,而水里并没有火,这说明热同火有联系却并不是一回事。另外,火石同钢块碰击会发热,铁砧被锤打会发热,石头、树木被摩擦也会发热,甚至动物剧烈运动后也会散发出大量的热。从这些事实中,培根认识到热是在物体作剧烈运动或碰撞摩擦时所激起的。所以他认为,“热的本质和实质就是运动,而不是别的什么”。为了进一步解释热现象,他还得出这样的结论:“热是一种膨胀的、被约束的而在其斗争中作用于物体内部较小的粒子之上的运动。”

培根的观点影响了当时英国的一些科学家,玻意耳早期也曾认为热是由物质的机械运动构成的;胡克于1665年在他的《显微术》一书中提到,热不是什么想象东西,而是“一个物体的各个部分的非常活跃和极其猛烈的运动”;牛顿也曾发表过类似的看法,他认为物体内部各微小部分的振动正是“它们的热和活动性的由来”。在英国以外的地方,法国哲学家和自然科学家笛卡儿在他的宇宙学说中,表达了热是由最精细的物质粒子的旋转运动产生的想法。俄国的罗蒙诺索夫在他的《论热与冷的原因》中,认为热是由分子的转动引起的。这些关于热是运动的观点,虽然提出了与热质说不同的见解,也对热质说表示了异议,但是由于两个主要的原因使这种观点未能成为主导理论。一个原因是,一些科学家所表达的热是运动的观点,较多的是猜测而缺乏足够的实验依据;另一个原因是,他们所提到的运动仅是指机械运动,还难以真正揭示出热的本质。

热质说与热的运动说之间的激烈交锋是在18世纪后期。这是由于两个方面的发展带来的,一方面是随着认识的深入,热质说遇到了一些难以解释的问题;另一方面随着科学的进步,有了支持热的运动说的实验。

按照热质说,热质粒子之间是彼此互相排斥的,因此物体在吸热时体积一定膨胀,冷却时体积一定收缩。但是发现了有少数物质却表现出“热缩冷涨”的反常特性,例如4℃以下的水就如此。这种反常令热质说难以解释。另外,关于热质是否同燃素一样具有重量的问题,也给热质说带来了麻烦。玻意耳认为“火粒子”具有重量;波尔哈夫则认为热粒子是没有重量的;还有一位英国医生提出热质的重量是负的。在热质有没有重量的问题上,赞成热质说的科学家们也没有统一。正是从这个问题入手,英籍物理学家伦福德对热质说进行了挑战。他用当时最精密的天平测量了物质在温度变化前后质量的变化。他把同样质量、同样温度而不同比热的水和水银放在天平两端,由于水的比热比水银大得多,水放出的热量就应远比水银多,若热质有重量,降温后水的重量要比水银轻得多,可实际上天平始终保持平衡。这个实验虽然否定了关于热质具有质量的设想,但是对热质说还不构成致命的打击。

真正使热质说受到威胁的是关于摩擦生热问题的争论。1797年,伦福德在兵工厂监制大炮镗孔工作中,发现大炮被钻削时,在短时间会产生大量的热使金属的温度急剧上升,所以必须不断地向炮孔里注水以降低温度。他从这个偶然的发现中得到了启发,于1798年1月25日在英国皇家学会宣读的一份题为“论摩擦激起的热源”的报告中,他写道:“最近我在慕尼黑兵工厂车间监督大炮钻孔工作时,对于铜炮于钻腔时能在很短时间获得大量的热,和钻腔机从炮上切下金属片所获得的更大的热(我从实验中发现,这热比沸水的热大得多)感到十分惊奇。”伦福德敏锐地觉察到彻底研究这一课题,对于热的本质可望获得进一步的认识,从而可以对于热质存在与否这个自古以来众说纷纭的问题,作出合理的推测。接着他提出了这大量的热是从哪里来的问题。他说:“热是否来自钻孔机所切开的金属片?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。但是这种变化并没有发生……”他通过实验比较了钻腔前后金属和碎屑的比热,发现钻削并不改变金属的比热。

为了进一步考察热量的来源,伦福德做了这样一个实验:利用大炮底座铸成一个重112磅到113磅的圆形铸件,中间钻一个圆孔。把一根钻头的钻齿磨掉,插入铸件的圆孔里,通过传动装置让一匹马带动钝钻头不断旋转,使之与铸件摩擦。结果在半个小时内,铸件的温度就从60℉升高到130℉,削出的金属屑只有约0.12磅,相当于铸件重量的1/948。按热质说很难回答清楚,从这么少的金属屑中能放出这么多的热量。在另一个实验中,伦福德把铸件放入装有18.77磅的水箱里,让马带动钝钻头旋转,在一个小时内水的温度升高到107℉,在一个半小时内升高到142℉,在二个半小时内竟使水箱里的水沸腾起来。

在一系列实验的基础上,伦福德作出结论:“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,……”在这篇报告的结尾处,他写道:“看来在这些实验中,由摩擦产生的热的源泉是不可穷尽的。毋庸赘言,任何与外界隔绝的物体或物体系统,能够无限制地提供出来的东西绝不可能是具体的物质实体;在我看来,在这些实验中被激发出来的热,除了把它看作是‘运动’以外,似乎很难把它看作为想象任何东西。”伦福德所作的实验以及建立在这些实验基础上的观点,无疑是对热质说一个有力的打击。因为热质说是建立在热质的守恒的基础上的,而伦福德的实验证明摩擦不但能生热而且能产生任意数量的热。但是,科学上的争论往往并不是一下子就可以解决的。伦福德的观点受到了热质说者的种种非议,有人说给大炮钻腔出现的热来源于化学变化;还有人说一切物体都被热质的海洋所包围,在受到摩擦切削时,金属的比热会变小,热质会从金属里挤压出来,但摩擦切削一停止,外界的热质就被吸入金属和金属屑,造成金属与金属屑的比热仍相同;等等。

1799年,一位年轻的英国物理学家戴维发表了一篇题为《论热、光和光的复合》的论文。在这篇论文中,他叙述了一个巧妙而富于独创性的实验。他把两块温度为29℃下的冰固定在一个由钟表改装的装置上,然后把它们放进抽成真空的大玻璃罩内。外面用低于29℃下的冰块与周围环境隔离开,两块冰在玻璃罩里通过相互摩擦而慢慢地融解为水。戴维在论文中写道:“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。”从这个实验来看,“热质”的这几种产生方式都是无法实现的,由此他断言:“既然这些实验表明,这几种方式不能产生热,那么热就不能当作物质。所以热质是不存在的。”他认为,摩擦和碰撞引起了物体内部微粒的特殊运动或振动,这种运动或振动就是热。

伦福德和戴维的实验与论证是极具说服力的,可以说是为以后热质说的彻底崩溃与热的运动说的确立奠定了坚实的基础。至此,关于热的本性的两种不同学说的争论就告一段落。当然热质说的历史也并未即刻结束,仍有些科学家坚持热质说。直到19世纪,能量守恒与转化定律确立后,热动说才取得了最后的胜利。

三、能量转化与守恒定律的获得