熱質(zhì)說與熱動說

在進(jìn)行量熱學(xué)的研究中，布萊克曾對熱的本質(zhì)進(jìn)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(zhì)時，他認(rèn)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(zhì)"。這樣，布萊克就提出了關(guān)于熱的本質(zhì)的"熱質(zhì)說"。根據(jù)這一假說，他把熱看成是一種特殊的物質(zhì)，他認(rèn)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(zhì)與冰的結(jié)合"。盡管在熱交換前后，熱質(zhì)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(zhì)說只不過是"燃素說"在熱學(xué)中的推衍而已。熱質(zhì)說能夠解釋許多已知的熱現(xiàn)象，因而成為18世紀(jì)占統(tǒng)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(zhì)熱容量的課題。在進(jìn)行這一實驗時，拉瓦錫說：關(guān)于熱的本質(zhì)，有人認(rèn)為是一種物質(zhì)，有的認(rèn)為是物質(zhì)分子的微小運(yùn)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(zhì)的觀點，就可用熱物質(zhì)不生不滅來解釋熱量的守恒。如果采用熱是分子運(yùn)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(dāng)作一種物質(zhì)來處理的。他在1789年所寫的《化學(xué)綱要》一書中清楚地引入了熱物質(zhì)，把它作為元素之一，取名為熱質(zhì)。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(tài)會變?yōu)橐簯B(tài)、液態(tài)會變?yōu)闅鈶B(tài)。從這兩種現(xiàn)象來看，我們不得不承認(rèn)存在著一種極易流動的物質(zhì)實體，它具有充填分子間的空間，擴(kuò)大分子間的距離的作用。這一物體實體——熱質(zhì)，根據(jù)其狀態(tài)可分為"自由"熱質(zhì)和"束縛"熱質(zhì)。束縛熱質(zhì)被束縛在物質(zhì)中間(束縛在分子上），形成該實質(zhì)的一部分。而自由熱質(zhì)沒有任何束縛狀態(tài)，它從一個物體移向另一個物體，成為各種熱現(xiàn)象的載體。拉瓦錫把將一定質(zhì)量的物體加熱到一定溫度所需要的熱質(zhì)也取名為比熱。比熱取決于物質(zhì)分子間的距離和分子間結(jié)合的強(qiáng)弱，而且分子之間的空間的大小決定該物質(zhì)的熱容量。

這樣，由布萊克提出，拉瓦錫明確歸納而成的熱質(zhì)說，在18世紀(jì)末到19世紀(jì)前30年左右在物理學(xué)上占了統(tǒng)治地位。正是在這種情況下，熱學(xué)有了相當(dāng)大的發(fā)展。這里需要注意的是：第一，正如人們在拉瓦錫時代已經(jīng)看到的，熱質(zhì)這一觀點和把熱看作為運(yùn)動的觀點不能看作為二者絕對相斥、互相對立的，而應(yīng)看作為同一事物的兩個側(cè)面；第二，以熱質(zhì)說為基礎(chǔ)的研究，在某些范圍內(nèi)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(xiàn)象是成立的，另外，也因為熵在無增減的過程中，根據(jù)熱量觀點，在理想情況下可以獲得熵。

18世紀(jì)末，開始有一些人對"熱質(zhì)說"表示懷疑。1798年，從美國移居歐洲的科學(xué)家湯普森(即倫福德伯爵，1753-1814年）在德國的一家兵工廠進(jìn)行了著名的"倫福德熱學(xué)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(chǎn)生的不同的熱量。他發(fā)現(xiàn)，在相同的時間內(nèi)，鈍鉆頭比銳鉆頭鉆進(jìn)的深度要小得多，但鈍鉆頭所產(chǎn)生的熱量比銳鉆頭所產(chǎn)生的熱量反而要大得多。而根據(jù)"熱質(zhì)說"，鈍鉆頭產(chǎn)生的熱量更大，釋放出來的熱質(zhì)更多，因而鉆進(jìn)的深度也應(yīng)更大。但事實卻與由"熱質(zhì)說"所推出的結(jié)論完全相反。湯普森還發(fā)現(xiàn)，一只簡直不能再用于鉆孔的鈍鉆頭，在用它鉆孔時，它所產(chǎn)生的熱量竟能在2小時45分鐘內(nèi)使18磅左右的溫水熱到接近沸點。根據(jù)上述熱學(xué)實驗，湯普森認(rèn)識到，熱不過是機(jī)械運(yùn)動的一種形式，它的本質(zhì)在于機(jī)械運(yùn)動，運(yùn)動產(chǎn)生熱。這樣，他就提出了最初的熱的唯動說，即與"熱質(zhì)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(zhì)說進(jìn)行了最初的批駁。1799年，他在《倫敦哲學(xué)學(xué)報》上發(fā)表了一篇論文中說："什么是熱？它不可能是物質(zhì)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(dāng)熱出現(xiàn)時不斷傳給金屬屑的東西即運(yùn)動以外，似乎難以設(shè)想它是別的什么東西。"湯普森最先發(fā)現(xiàn)了熱運(yùn)動與機(jī)械運(yùn)動的本質(zhì)聯(lián)系，使熱學(xué)與力學(xué)實現(xiàn)了最初的滲透和結(jié)合，這就為熱力學(xué)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(zhì)說在那時仍具有廣泛而深遠(yuǎn)的影響，因此湯普森的熱動說發(fā)表之后，并未立即產(chǎn)生顯著的影響。在熱動說發(fā)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(xué)家戴維。

1799年，戴維進(jìn)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(chǎn)生一定的熱，而它們在摩擦中產(chǎn)生熱的標(biāo)志即是它們都將在相互摩擦中溶化。實驗結(jié)果，他的預(yù)言成了事實。這一實驗，使湯普森的熱動說進(jìn)一步得到了實驗上的證實。

繼戴維之后，曾重建光波學(xué)說的英國物理學(xué)家托馬斯.楊氏從光與熱的關(guān)系出發(fā)，在1807年對熱動說進(jìn)行過研究。瓦特在革新紐可門蒸汽機(jī)時，雖然他既利用了布萊克的量熱學(xué)成就，同時也接受了布萊克的熱質(zhì)說的理論，但他在革新成功蒸汽機(jī)以后，也曾在19世紀(jì)初接觸過一些熱力學(xué)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(xué)問題已有所認(rèn)識。

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