關(guān)于熱的本性的爭(zhēng)論與能量轉(zhuǎn)換和守恒定律的發(fā)現(xiàn)

賈澤昊

(山東省青島西海岸新區(qū)第一高級(jí)中學(xué) 山東 青島 266555)

1 運(yùn)動(dòng)說和熱質(zhì)說

和關(guān)于光的本性的爭(zhēng)論一樣，關(guān)于熱的本性歷史上也進(jìn)行過很長(zhǎng)時(shí)間的爭(zhēng)論.關(guān)于熱的本性，人們提出過各種假設(shè)，但最終可歸納為兩種基本假設(shè)[1].一種是運(yùn)動(dòng)說：熱的本性就是構(gòu)成物體的原子或構(gòu)成物體的微粒的看不到的一種運(yùn)動(dòng).17世紀(jì)英國哲學(xué)家培根，科學(xué)家笛卡爾，俄國的科學(xué)家羅蒙諾索夫等持有這種觀點(diǎn).另一種是熱質(zhì)說：熱是一種熱素，熱素是一種特殊形式的、沒有重量的物質(zhì)微粒，熱素可以像液體那樣由一個(gè)物體流向其他物體，得到熱素的物質(zhì)會(huì)變熱.在流動(dòng)過程中，熱素的總量守恒.17世紀(jì)的科學(xué)家伽利略和哲學(xué)家伽桑迪等持有這種觀點(diǎn).在熱質(zhì)說的基礎(chǔ)上，規(guī)定了熱量的單位卡，建立了量熱學(xué)和傳熱學(xué),并在生產(chǎn)和科研中成功應(yīng)用.但由于量熱學(xué)和傳熱學(xué)不實(shí)際涉及熱功轉(zhuǎn)換，在19世紀(jì)初以前，熱質(zhì)說一直占統(tǒng)治地位.

2 運(yùn)動(dòng)說的興起

18世紀(jì)末，英國物理學(xué)家倫福德伯爵做了大量摩擦生熱的實(shí)驗(yàn)，反對(duì)熱質(zhì)說.1798年1月25日在英國皇家學(xué)會(huì)宣讀他的論文中說[2]：“最近我應(yīng)約去慕尼黑兵工廠領(lǐng)導(dǎo)鉆制大炮的工作.我發(fā)現(xiàn)，銅炮在鉆了很短的一段時(shí)間后，就會(huì)產(chǎn)生大量的熱；而被鉆頭從大炮上鉆下來的銅屑更熱(像我在實(shí)驗(yàn)中所證實(shí)的，發(fā)現(xiàn)它們比沸水還要熱).”“由摩擦所產(chǎn)生熱的來源似乎是無窮無盡的.”英國化學(xué)家戴維曾在1799年發(fā)表了《論熱、光及光的復(fù)合》的論文，介紹了他所做的冰塊摩擦實(shí)驗(yàn)，這個(gè)功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬膶?shí)驗(yàn)熱質(zhì)說無法解釋，但由于缺乏定量數(shù)據(jù)，加上認(rèn)識(shí)上的慣性，戴維的實(shí)驗(yàn)并沒有改變學(xué)者們對(duì)熱的本性的看法.

17世紀(jì)末，英國人塞維制成了用于礦井抽水的蒸汽水泵.1782年英國發(fā)明家詹姆士·瓦特建造了可以連續(xù)工作的蒸汽機(jī)，并很快在紡織、輪船、火車等方面得到廣泛應(yīng)用.蒸汽機(jī)是把熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ臋C(jī)械.

蒸汽機(jī)的廣泛應(yīng)用，促使對(duì)蒸汽機(jī)的工作原理、熱功轉(zhuǎn)換的過程理論和如何提高其效率的研究.法國年輕的工程師沙地·卡諾(1796-1832)給自己提出了上述任務(wù).卡諾提出了熱機(jī)循環(huán)的理想模型——卡諾循環(huán)；提出并證明了卡諾定理，為熱力學(xué)第二定律的建立提供了重要基礎(chǔ).1827年，31歲的卡諾寫成了一篇題為《論火的動(dòng)力》的著作.但是，卡諾在書中是使用熱質(zhì)說的觀點(diǎn)論述熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ睦碚摰腫3].早期的運(yùn)動(dòng)說，甚至熱機(jī)廣泛應(yīng)用的事實(shí)并沒有撼動(dòng)熱質(zhì)說的地位.

3 能量轉(zhuǎn)化和守恒定律的發(fā)現(xiàn)

在很多對(duì)能量轉(zhuǎn)化和守恒定律的發(fā)現(xiàn)做出了貢獻(xiàn)的科學(xué)家中，要首推三位科學(xué)家.他們是德國醫(yī)生羅伯特·邁耶(Robert Mayer，1814-1878)，赫爾曼·赫姆霍茲(Hermann von Helmholtz，1821-1894)和英國的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家詹姆士·普列斯考特·焦耳(1818-1889).

3.1 邁耶的貢獻(xiàn)

邁耶是一位醫(yī)生，1842年發(fā)表題為《熱的力學(xué)的幾點(diǎn)說明》，論述了熱和機(jī)械能的相當(dāng)性和可轉(zhuǎn)化性.他的結(jié)論是“因此，力①①在邁耶那個(gè)時(shí)代，還沒有“能量”這個(gè)詞.“力”有兩個(gè)不同的含義.一是現(xiàn)在的力；二是“物體做功的本領(lǐng)”，即能量.作者注.(即能量)是不滅的、可轉(zhuǎn)化的、不可稱量的客體.”這是能量轉(zhuǎn)化和守恒定律的最早完整表達(dá).

邁耶在1845年發(fā)表第二篇論文《有機(jī)運(yùn)動(dòng)及其與新陳代謝的聯(lián)系》，系統(tǒng)地闡述了能量轉(zhuǎn)化和守恒的思想，他指出：“無不能生有，有不能變無”.他主張：“熱是一種力(即能量)，它可以轉(zhuǎn)化為機(jī)械效應(yīng).”論文還具體地論述了熱和功的聯(lián)系，推導(dǎo)出了氣體定壓比熱Cp和定容比熱CV的關(guān)系：Cp-CV=R，此公式現(xiàn)在稱為邁耶公式.

邁耶首先提出熱和功的相當(dāng)性，根據(jù)狄拉洛希等科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，第一個(gè)計(jì)算出熱功當(dāng)量的數(shù)值為367 kg·m/kCal，換算成國際單位制為3.597 J/Cal.這個(gè)數(shù)值與現(xiàn)代的精確數(shù)值4.187 J/Cal雖有較大差別，但邁耶的推導(dǎo)過程是正確的，因?yàn)榈依逑５瓤茖W(xué)家的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的.

邁耶還考察了“機(jī)械效應(yīng)和電的轉(zhuǎn)化.”他認(rèn)為“下落的力(即重力勢(shì)能)可以用重量和(下落)高度的乘積來量度.”“與下落的力轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)或者運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為下落的力無關(guān)，這個(gè)力或機(jī)械效應(yīng)始終是不變的常量.”

邁耶還證明了生命過程中氧和食物轉(zhuǎn)化為熱，隕石的發(fā)光是由于在大氣中損失了動(dòng)能.他還用能量守恒原理解釋了潮汐的漲落.

3.2 赫姆霍茲的工作

赫姆霍茲是德國醫(yī)生，曾在著名生理學(xué)家繆勒的實(shí)驗(yàn)室工作多年，研究過動(dòng)物熱，深信所有生命現(xiàn)象都必須遵守物理和化學(xué)規(guī)律.他有良好的數(shù)學(xué)訓(xùn)練，熟悉牛頓、達(dá)朗貝爾、拉格朗日等科學(xué)家的著作.他是康德哲學(xué)的信徒，把自然界大統(tǒng)一作為自己的信條.他認(rèn)為如果自然界的“力”(即能量)是守恒的，則所有的“力”都應(yīng)和機(jī)械“力”有同樣的量綱，并可還原成機(jī)械“力”.1847年，26歲的赫姆霍茲寫成了論文《力的守恒》，充分論述了這一命題，把能量從機(jī)械運(yùn)動(dòng)推廣到所有變化過程，并論述了普遍的能量轉(zhuǎn)化和守恒定律.

赫姆霍茲在結(jié)束語中寫道：“通過上面的論述已經(jīng)證明了我們所討論的定律沒有和任何迄今所知的自然科學(xué)事實(shí)相矛盾，反而卻引人注目地為大多數(shù)事實(shí)所證實(shí)……這定律的完全驗(yàn)證，也許必須看成是物理學(xué)最近和將來的主要課題之一.”

3.3 焦耳的實(shí)驗(yàn)研究

焦耳是釀酒廠主的兒子，家庭富有.從小由家庭教師教授學(xué)業(yè)，16歲起與兄弟一起到化學(xué)家道爾頓那里學(xué)習(xí).道爾頓的指導(dǎo)對(duì)他起了關(guān)鍵性的作用，使他對(duì)科學(xué)產(chǎn)生了濃厚興趣.20歲時(shí)，焦耳已具有很好的實(shí)驗(yàn)條件，后來焦耳就在家里做起了各種實(shí)驗(yàn)，逐漸成為著名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家.

4 熱運(yùn)動(dòng)說的確立

1845年，焦耳在分析了他的大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果后得出結(jié)論：熱素是不存在的，熱就是運(yùn)動(dòng).他認(rèn)識(shí)到，熱和運(yùn)動(dòng)等價(jià)性的最有力證據(jù)，莫過于熱功當(dāng)量的直接實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).從1843年到1878年，焦耳采用不同實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法，先后做實(shí)驗(yàn)四百余次，以日益精確的數(shù)據(jù)，為熱和功的相當(dāng)性提供了可靠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，使能量轉(zhuǎn)化和守恒定律確立在牢固的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上.1849年6月，焦耳作了《熱功當(dāng)量》總結(jié)報(bào)告，給出的熱功當(dāng)量數(shù)值，換算成國際單位制為4.145 J/Cal，與現(xiàn)代公認(rèn)的數(shù)值4.186 8 J/Cal非常接近.

能量轉(zhuǎn)化和守恒定律的確立、熱功當(dāng)量的精確測(cè)定，使熱的運(yùn)動(dòng)說可定量處理量熱學(xué)和傳熱學(xué)有關(guān)物理問題，這樣一來，熱質(zhì)說的優(yōu)勢(shì)消失了,而困難(功熱轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的解釋)更為突出.從此熱質(zhì)說逐漸退出歷史舞臺(tái)，熱的運(yùn)動(dòng)說得以確立.

致謝：感謝中國石油大學(xué)(華東)理學(xué)院應(yīng)用物理系2015級(jí)劉杰(2018年7月已被北京大學(xué)免試錄取為碩博連讀研究生)師兄，幫助我選書、借書，一起討論問題，交流觀點(diǎn)，并提出修改建議.