《人类科学技术史-239》热质说与热动说

热质说与热动说

在进行量热学的研究中，布莱克曾对热的本质进行过初步探讨。布莱克是"燃素说"的信奉者之一，在研究热的本质时，他认为"热"和"燃素"一样，是一种由特殊的"热粒子"组成的"热流体"。布莱克所说的这种"热粒子"，后来也被人们称为"热素"和"热质"。这样，布莱克就提出了关于热的本质的"热质说"。根据这一假说，他把热看成是一种特殊的物质，他认为热是一种流体，它可以渗透到物体中去并在热交换的过程中从一个物体流向另一个物体，水是"热质与冰的结合"。尽管在热交换前后，热质在不同物体中的含量有所改变，但是它们的总量是守恒的。很显然，热质说只不过是"燃素说"在热学中的推衍而已。热质说能够解释许多已知的热现象，因而成为18世纪占统治地位的一种观点。

拉瓦锡推翻了"燃素说"，在1780年又与拉普拉斯合作，完成了正确测定物质热容量的课题。在进行这一实验时，拉瓦锡说：关于热的本质，有人认为是一种物质，有的认为是物质分子的微小运动。只要是以热量保持恒定为前提，那么采用哪一种说法都是不错的。如果采用热是一种物质的观点，就可用热物质不生不灭来解释热量的守恒。如果采用热是分子运动的观点，就可用能的守恒来解释，因此各有各的道理。但是，不管表面上如何，拉瓦锡是倾向于把热当作一种物质来处理的。他在1789年所写的《化学纲要》一书中清楚地引入了热物质，把它作为元素之一，取名为热质。他论述道：所有物体由相互吸引的分子所组成，通过加热，固态会变为液态、液态会变为气态。从这两种现象来看，我们不得不承认存在着一种极易流动的物质实体，它具有充填分子间的空间，扩大分子间的距离的作用。这一物体实体——热质，根据其状态可分为"自由"热质和"束缚"热质。束缚热质被束缚在物质中间(束缚在分子上），形成该实质的一部分。而自由热质没有任何束缚状态，它从一个物体移向另一个物体，成为各种热现象的载体。拉瓦锡把将一定质量的物体加热到一定温度所需要的热质也取名为比热。比热取决于物质分子间的距离和分子间结合的强弱，而且分子之间的空间的大小决定该物质的热容量。

这样，由布莱克提出，拉瓦锡明确归纳而成的热质说，在18世纪末到19世纪前30年左右在物理学上占了统治地位。正是在这种情况下，热学有了相当大的发展。这里需要注意的是：第一，正如人们在拉瓦锡时代已经看到的，热质这一观点和把热看作为运动的观点不能看作为二者绝对相斥、互相对立的，而应看作为同一事物的两个侧面；第二，以热质说为基础的研究，在某些范围内还是取得了很大成果的。这是因为热量守恒在某种范围的一些现象是成立的，另外，也因为熵在无增减的过程中，根据热量观点，在理想情况下可以获得熵。

18世纪末，开始有一些人对"热质说"表示怀疑。1798年，从美国移居欧洲的科学家汤普森(即伦福德伯爵，1753-1814年）在德国的一家兵工厂进行了著名的"伦福德热学实验"。汤普森用锐钻头和钝钻头这样两种不同的钻头钻造炮膛，并测量两种钻头所产生的不同的热量。他发现，在相同的时间内，钝钻头比锐钻头钻进的深度要小得多，但钝钻头所产生的热量比锐钻头所产生的热量反而要大得多。而根据"热质说"，钝钻头产生的热量更大，释放出来的热质更多，因而钻进的深度也应更大。但事实却与由"热质说"所推出的结论完全相反。汤普森还发现，一只简直不能再用于钻孔的钝钻头，在用它钻孔时，它所产生的热量竟能在2小时45分钟内使18磅左右的温水热到接近沸点。根据上述热学实验，汤普森认识到，热不过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。这样，他就提出了最初的热的唯动说，即与"热质说"对立的"热动说"。汤普森提出热动说以后，即以热动说为理论武器，对热质说进行了最初的批驳。1799年，他在《伦敦哲学学报》上发表了一篇论文中说："什么是热？它不可能是物质的实体。对我来说，热除了是那种在这个实验(给大炮钻孔）中当热出现时不断传给金属屑的东西即运动以外，似乎难以设想它是别的什么东西。"汤普森最先发现了热运动与机械运动的本质联系，使热学与力学实现了最初的渗透和结合，这就为热力学的诞生在实验上和理论上迈开了第一步。

但是，由于布莱克的热质说在那时仍具有广泛而深远的影响，因此汤普森的热动说发表之后，并未立即产生显著的影响。在热动说发表之初，只有一个人立即接受了汤普森的热动说，这个人就是英国青年电化学家戴维。

1799年，戴维进行了一次摩擦冰块的实验。他在一个可靠人力操纵的真空装置中让两块冰相互摩擦。由于冰被密封在真空装置中，不可能有另外的热源给冰块加热。在实验开始之前，戴维断言，两块冰在相互摩擦中将会产生一定的热，而它们在摩擦中产生热的标志即是它们都将在相互摩擦中溶化。实验结果，他的预言成了事实。这一实验，使汤普森的热动说进一步得到了实验上的证实。

继戴维之后，曾重建光波学说的英国物理学家托马斯.杨氏从光与热的关系出发，在1807年对热动说进行过研究。瓦特在革新纽可门蒸汽机时，虽然他既利用了布莱克的量热学成就，同时也接受了布莱克的热质说的理论，但他在革新成功蒸汽机以后，也曾在19世纪初接触过一些热力学问题。他曾绘制过一张蒸汽压力与汽缸容积的分析图，这说明他对热力学问题已有所认识。

显而易见，正是在力学、热学、化学的相互渗透中，发生了热动说与热质说的论争。虽然热动说直到1826年才为苏格兰植物学家布朗(1773-1856年）所发现的分子热运动最后证实，但正是热动说与热质说进行的论争，不仅为热学与力学的相互渗透、从而产生热力学这门新兴的边缘学科创造了条件，而且为以后能量定律的发现奠定了一块基石。