普利斯特里和倫福德伯爵的對話

胡紫霞

同學們，相信你們對“熱”都很熟悉的。經(jīng)驗告訴我們：在夏天會感覺到熱;在太陽光下、篝火邊也能感覺到熱。很多人會說：“熱，不就代表了溫度高嘛！”其實，關(guān)于“熱”的知識有很多，科學家們一直在思考研究“熱”到底是什么，并且先后提出了“熱質(zhì)說”和“熱動說”，其代表人物分別是普利斯特里和倫福德伯爵，當然還有他們各自的支持者。讓我們一起來聽聽他們之間展開的辯論。

普利斯特里：大家好！我是來自18世紀英國的一位化學家。我聽說你們之前討論過“燃素說”和“氧化說”，本人就是“燃素說”的資深信徒。

要知道，在熱力學發(fā)展的過程中，對熱的解釋常常和燃燒有關(guān)，所以咱們今天關(guān)于“熱”的話題，不得不又提起之前說過的“燃素說”。

普利斯特里：后世的人們都認為我的最大貢獻是發(fā)現(xiàn)了氧，其實，我覺得不僅僅如此，因為我還提出了“熱質(zhì)說”。

1774年，普利斯特里在實驗中發(fā)現(xiàn)了氧氣（當時稱為“脫燃素空氣”），在后來的論文中，他認為“燃素說”和他的實驗結(jié)果不吻合，因此提出“熱質(zhì)”的說法。而“熱質(zhì)說”是指在18世紀被科學界用來解釋關(guān)于燃燒和熱現(xiàn)象的一種理論，在拉瓦錫用實驗推翻“燃素說”后開始盛行。

普利斯特里：我認為，熱是一種物質(zhì)，是一種沒有重量的氣體，能夠流動，可以穿過固體或液體的孔隙。物體吸收熱質(zhì)后溫度會升高。一個物體是“熱”還是“冷”，由它所含熱質(zhì)的多少決定。冷熱不同的兩個物體接觸時，熱質(zhì)便從較熱的物體流到較冷的物體，直到兩者的溫度相同為止。宇宙間熱質(zhì)的總量是不變的。

拉瓦錫：我堅決反對“燃素說”，但是對于“熱質(zhì)說”還是支持的。它可以成功地解釋許多物理現(xiàn)象，例如熱茶在室溫下冷卻，熱茶的溫度高，表示熱質(zhì)濃度較高，因此熱質(zhì)會自動流到濃度較低的區(qū)域，也就是周圍較冷的空氣中。一個物體所減少的熱質(zhì)，恰好等于另一物體所增加的熱質(zhì)。我的《化學基礎(chǔ)》一書就把熱列在基本物質(zhì)之中。

“熱質(zhì)說”支配著18世紀后期的熱學，可以解釋一些熱的現(xiàn)象，但它卻無法解釋一些只要持續(xù)做功就可以持續(xù)產(chǎn)生熱的現(xiàn)象（如摩擦生熱），是種錯誤和受局限的科學理論。直到18世紀末，一個英國物理學家對“熱質(zhì)說”提出了挑戰(zhàn)，他就是本杰明·湯姆遜，后人常稱他為倫福德伯爵。

倫福德伯爵：1798年，我在監(jiān)督大炮鏜孔工作時發(fā)現(xiàn)，被加工的黃銅炮身在短時間內(nèi)溫度上升很多，只要持續(xù)加工，炮身就會持續(xù)加熱，其產(chǎn)生的熱甚至可以使水沸騰。按照“熱質(zhì)說”，這些生出來的熱量全部來自大炮內(nèi)部的熱質(zhì)，那大炮自身的熱質(zhì)就會減少，因此發(fā)熱量就會下降，但事實并非如此。這就說明這么多的熱量并不像“熱質(zhì)說”所設(shè)想的那樣，以熱質(zhì)的形式由它自身包含著?！盁豳|(zhì)說”是有問題的。摩擦生熱的實驗促使我得出：熱是由機械功產(chǎn)生的，熱是物質(zhì)的一種運動形式，是粒子振動的宏觀表現(xiàn)。我相信“熱質(zhì)說”和“燃素說”將一起被埋葬在墳墓中。

倫福德伯爵的研究，引起了戴維和焦耳等其他科學家的興趣，進而進行了相關(guān)的研究。戴維在一個絕熱裝置里，讓兩塊冰互相摩擦，結(jié)果兩塊冰都融化了，在這里“熱質(zhì)守恒”的關(guān)系不成立了。戴維由此斷言，熱質(zhì)是不存在的，并認為熱是物體微粒的振動。另外，焦耳在1843年提出一種理論，認為熱只是一種能量的形式。1850年時，克勞修斯發(fā)表論文，指出“熱質(zhì)說”中提到的“熱質(zhì)守恒”可以用“能量守恒”取代。隨后，“熱動說”這一名詞逐漸被新的“熱力學”這一名詞取代，這一學說在19世紀被用來解釋與熱相關(guān)的大量概念、理論、定律、關(guān)系以及實驗現(xiàn)象等。