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什么是“热”

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1 什么是热
热是自然界最常见的一种能量之一。热量的重要性不言而喻,甚至可以说,整个人类文明史就是人类对热利用技术不断提升的历史。
约公元62年前后古希腊亚力山大里亚的希罗发明了一种汽转球。它是由一个空心的球和一个装有水的密闭锅子以两个空心管子连接在一起,在锅底加热使水沸腾变成水蒸气后由管子进入到球中,最后水蒸气会由球体的两旁喷出并使得球体转动。这是人类有记载的首次热动力应用的案例。
同其他所有的学科一样,直到近代,人类才在认识热的物理本质上取得了明显的进展。古代人对热的认知基本完全停留在感性的基础上,被宗教人员委以各种神话色彩,这不在本文的讨论之列,故不详述。本文对近代热学和现代热学做一个概述,帮助读者理解热的本质。

什么是热,热的定义

1.1 热动说
近代热学是近代物理学的一个分支。关于热的解释,近代热学充满经典的笛卡尔-牛顿知识体系色彩。
早期关于热的本质的学说分为热是一种运动和热是一种物质两类。
热动学说由牛顿,笛卡尔等人提出,且其在微观上有动量守恒定律的解释。笛卡尔把热看作是物质粒子的一种旋转运动。胡克用显微镜观察了火花,认为热“并不是什么其他的东西,而是一个物体的各个部分的非常活跃和极其猛烈的运动”。牛顿也指出,物体的粒子“因运动而发热”。洛克甚至还认识到“极度的冷是不可觉察的粒子的运动的停止”。俄国学者罗蒙诺索夫进一步细化了热是一种什么运动:“热的根源在于运动”,运动着的是组成物质的那些肉眼不可分辨的细小微粒。热量从高温物体传给低温物体的原因,是由于高温物体中的微粒把运动传给低温物体中的微粒造成的,而且给出的运动量与接受的运动量相等。按照热动说,传热现象可以很好地从微观上与动量守恒定律匹配起来。

1.2 热质说
与热动说几乎同一时代,热质说也在相当长的一段时间得到普遍认同,而且在热质学说的理解下,还衍生了许多新的、目前仍被认为在经典时空中是正确的概念和定理。法国科学家和哲学家伽桑狄认为,运动着的原子是构成万物的最原始的、不可再分的要素,同样,热和冷也都是由特殊的“热原子”和“冷原子”组成的。它们非常微小,性质极为活泼,能够渗透到一切物体之中。这个观念,把人们引向“热质说”。热质说简易地解释了当时发现的大部分热学现象:物体温度的变化是吸收或放出热质引起的;热传导是热质的流动,对流是载有热质的物体的流动,辐射是热质的传播;物体受热膨胀是因为热质粒子间的相互排斥;物质状态变化时的“潜热”是物持粒子与热质发生“准化学反应”的结果;摩擦或碰撞的生热现象,是同上于“潜热”被挤压出来以及物质的比热变小的结果,等等。由于热质的物质性,所以它也遵从物质守恒定律。

可以说,在解释常见的物理现象上,热质说更加直观。在热质说观点的指导下,热学研究所取得的主要进展有:布莱克发现了比热和潜热;瓦特从理论上分析了旧蒸汽机的主要缺陷而引导他改进了蒸汽机;傅立叶依据这一物理图象建立了热传导理论;卡诺从热质传递的观点出发于十九世纪初提出了消耗从热源取得热量而得到功的理论。
在实践中,人们根据热质说创造出的大量成果,使人们相信它是一个正确的学说,从而压倒了热是运动的看法而在十八世纪到十九世纪初居于统治地位。


从现代热学角度上看,热质说和热动说都是片面的。大家更认同哪一种解释?

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