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第15章 热动说是怎样形成与发展的?

随着热学的发展,在17世纪,以有限的实验事实为基础,对于热现象的本质的探讨又较广泛地开展起来。在一些著名的学者中间如培根、笛卡儿、波义耳、胡克、牛顿、惠更斯、欧拉和拉普拉斯等都把热看作是一种看不见的微粒的运动,即热的运动说,简称热动说。波义耳曾经做过用力学方法产生热的实验,他认为钉子被敲打之后能变热,是由于运动被阻而产生的。

弗兰西斯·培根(1561年~1626年)是一位唯物主义的哲学家。培根的热动说观点也是十分明确的。他认为热具有以下特点:①热是一种扩大的运动,它可以使物体膨胀;②热是一种上升运动,热向上传导;③热不是整个物体的一律运动,而是较小部分的运动;④热是一种较快的分子运动。培根说:“我所以说运动是类,热是种,我并不是说热能生运动,或运动能生热(在一些情形下自然是如此的),乃是说热的本质就是运动,并不是别的。”所以培根的热的运动说观点是十分明显的。

在17世纪科学发展水平影响下,科学家对热的运动的论证手段还不是强有力的,而且还缺乏足够的实验根据,所以不能形成科学理论。在此后的18世纪,热质说发展起来,热动说处于低潮时期,但热质说也遇到了许多问题,如热质是否有重量,人们众说纷纭,莫衷一是。伦福德经过反复实验则确认热没有重量,他指出,如果把热看作是一种运动,那热量的变化就不会引起重量的变化。

伦福德的研究过程是这样的:1798年伦福德在慕尼黑兵工厂负责制造大炮的工作。他发现,用钻头钻炮筒时,炮筒的温度会升得很高,这使他非常惊讶。于是他想通过实验来弄清热的来源问题。他的实验是这样进行的:他用一个钝钻头钻一个炮筒,半小时转了960圈,炮筒的温度就由60°F升高到130°F。伦福德想伦福德是怎样用实验证实摩擦生热的?

所产生的热量是否来自周围的空气?他接下去进行的实验是用活塞把钻头周围空气隔离开来,结果所生的热并未减少。他又考虑到活塞是同空气接触的,那同活塞直接接触的这部分空气对热的产生是否有影响呢?于是他又把钻头、活塞和炮筒都放在一个密封的箱子里,箱内还盛了水。钻头钻了两个半小时,箱内的水就沸腾了。当他看到不用火烧水就会沸腾时,感到十分兴奋。于是得出结论:这热不是从空气中来的,也不可能来自于水,因为在这里水是吸收热的物体;也不可能来自比热的减少或化学变化,因为在这种情况下比热和化学性质都没有发生变化;结论只能有一个,即热量是从摩擦中产生的。热质说是建立在热质的守恒概念的基础上的,而正是在这一点上,伦福德的实验以确凿的证据证明,摩擦不但能生热,而且能产生任意数量的热,这使热质说在普遍的热量守恒定律的有效性方面遭到了失败,从而动摇了热质说的统治地位。

在伦福德完成实验的第二年,21岁的戴维(1778年~1829年)完成了一个独创性的实验,这一实验的设计别具匠心、巧妙高超,他在真实装置中使两块冰相互摩擦,并使周围的温度比冰还低。实验发现,冰块摩擦后就逐渐融化了。戴维分析指出,使冰块融化的热不可能从周围的空气中来,因为周围空气的温度比冰还低;这热也不可能来自潜热,因为冰融化时是吸收潜热,而不是放出潜热。由此戴维得出了同伦福德相同的结论:热质是不存在的,热现象的直接原因是运动,戴维的真空中冰块摩擦实验被称为判决实验,它由此而判决了热质说的“死刑”,为热动说提供了有力的实验证据,并为热动说的发展铺平了道路。

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