《人類科學技術史-239》熱質說與熱動說

熱質說與熱動說

在進行量熱學的研究中，布萊克曾對熱的本質進行過初步探討。布萊克是"燃素說"的信奉者之一，在研究熱的本質時，他認為"熱"和"燃素"一樣，是一種由特殊的"熱粒子"組成的"熱流體"。布萊克所說的這種"熱粒子"，后來也被人們稱為"熱素"和"熱質"。這樣，布萊克就提出了關于熱的本質的"熱質說"。根據這一假說，他把熱看成是一種特殊的物質，他認為熱是一種流體，它可以滲透到物體中去并在熱交換的過程中從一個物體流向另一個物體，水是"熱質與冰的結合"。盡管在熱交換前后，熱質在不同物體中的含量有所改變，但是它們的總量是守恒的。很顯然，熱質說只不過是"燃素說"在熱學中的推衍而已。熱質說能夠解釋許多已知的熱現象，因而成為18世紀占統治地位的一種觀點。

拉瓦錫推翻了"燃素說"，在1780年又與拉普拉斯合作，完成了正確測定物質熱容量的課題。在進行這一實驗時，拉瓦錫說：關于熱的本質，有人認為是一種物質，有的認為是物質分子的微小運動。只要是以熱量保持恒定為前提，那么采用哪一種說法都是不錯的。如果采用熱是一種物質的觀點，就可用熱物質不生不滅來解釋熱量的守恒。如果采用熱是分子運動的觀點，就可用能的守恒來解釋，因此各有各的道理。但是，不管表面上如何，拉瓦錫是傾向于把熱當作一種物質來處理的。他在1789年所寫的《化學綱要》一書中清楚地引入了熱物質，把它作為元素之一，取名為熱質。他論述道：所有物體由相互吸引的分子所組成，通過加熱，固態會變為液態、液態會變為氣態。從這兩種現象來看，我們不得不承認存在著一種極易流動的物質實體，它具有充填分子間的空間，擴大分子間的距離的作用。這一物體實體——熱質，根據其狀態可分為"自由"熱質和"束縛"熱質。束縛熱質被束縛在物質中間(束縛在分子上），形成該實質的一部分。而自由熱質沒有任何束縛狀態，它從一個物體移向另一個物體，成為各種熱現象的載體。拉瓦錫把將一定質量的物體加熱到一定溫度所需要的熱質也取名為比熱。比熱取決于物質分子間的距離和分子間結合的強弱，而且分子之間的空間的大小決定該物質的熱容量。

這樣，由布萊克提出，拉瓦錫明確歸納而成的熱質說，在18世紀末到19世紀前30年左右在物理學上占了統治地位。正是在這種情況下，熱學有了相當大的發展。這里需要注意的是：第一，正如人們在拉瓦錫時代已經看到的，熱質這一觀點和把熱看作為運動的觀點不能看作為二者絕對相斥、互相對立的，而應看作為同一事物的兩個側面；第二，以熱質說為基礎的研究，在某些范圍內還是取得了很大成果的。這是因為熱量守恒在某種范圍的一些現象是成立的，另外，也因為熵在無增減的過程中，根據熱量觀點，在理想情況下可以獲得熵。

18世紀末，開始有一些人對"熱質說"表示懷疑。1798年，從美國移居歐洲的科學家湯普森(即倫福德伯爵，1753-1814年）在德國的一家兵工廠進行了著名的"倫福德熱學實驗"。湯普森用銳鉆頭和鈍鉆頭這樣兩種不同的鉆頭鉆造炮膛，并測量兩種鉆頭所產生的不同的熱量。他發現，在相同的時間內，鈍鉆頭比銳鉆頭鉆進的深度要小得多，但鈍鉆頭所產生的熱量比銳鉆頭所產生的熱量反而要大得多。而根據"熱質說"，鈍鉆頭產生的熱量更大，釋放出來的熱質更多，因而鉆進的深度也應更大。但事實卻與由"熱質說"所推出的結論完全相反。湯普森還發現，一只簡直不能再用于鉆孔的鈍鉆頭，在用它鉆孔時，它所產生的熱量竟能在2小時45分鐘內使18磅左右的溫水熱到接近沸點。根據上述熱學實驗，湯普森認識到，熱不過是機械運動的一種形式，它的本質在于機械運動，運動產生熱。這樣，他就提出了最初的熱的唯動說，即與"熱質說"對立的"熱動說"。湯普森提出熱動說以后，即以熱動說為理論武器，對熱質說進行了最初的批駁。1799年，他在《倫敦哲學學報》上發表了一篇論文中說："什么是熱？它不可能是物質的實體。對我來說，熱除了是那種在這個實驗(給大炮鉆孔）中當熱出現時不斷傳給金屬屑的東西即運動以外，似乎難以設想它是別的什么東西。"湯普森最先發現了熱運動與機械運動的本質聯系，使熱學與力學實現了最初的滲透和結合，這就為熱力學的誕生在實驗上和理論上邁開了第一步。

但是，由于布萊克的熱質說在那時仍具有廣泛而深遠的影響，因此湯普森的熱動說發表之后，并未立即產生顯著的影響。在熱動說發表之初，只有一個人立即接受了湯普森的熱動說，這個人就是英國青年電化學家戴維。

1799年，戴維進行了一次摩擦冰塊的實驗。他在一個可靠人力操縱的真空裝置中讓兩塊冰相互摩擦。由于冰被密封在真空裝置中，不可能有另外的熱源給冰塊加熱。在實驗開始之前，戴維斷言，兩塊冰在相互摩擦中將會產生一定的熱，而它們在摩擦中產生熱的標志即是它們都將在相互摩擦中溶化。實驗結果，他的預言成了事實。這一實驗，使湯普森的熱動說進一步得到了實驗上的證實。

繼戴維之后，曾重建光波學說的英國物理學家托馬斯.楊氏從光與熱的關系出發，在1807年對熱動說進行過研究。瓦特在革新紐可門蒸汽機時，雖然他既利用了布萊克的量熱學成就，同時也接受了布萊克的熱質說的理論，但他在革新成功蒸汽機以后，也曾在19世紀初接觸過一些熱力學問題。他曾繪制過一張蒸汽壓力與汽缸容積的分析圖，這說明他對熱力學問題已有所認識。

顯而易見，正是在力學、熱學、化學的相互滲透中，發生了熱動說與熱質說的論爭。雖然熱動說直到1826年才為蘇格蘭植物學家布朗(1773-1856年）所發現的分子熱運動最后證實，但正是熱動說與熱質說進行的論爭，不僅為熱學與力學的相互滲透、從而產生熱力學這門新興的邊緣學科創造了條件，而且為以后能量定律的發現奠定了一塊基石。