來點物理NO.35|什麼是熱?

什麼是熱?

歷史上關於熱的爭論,歸根到底是關於熱是物質還是分子運動的表現。

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古希臘的赫拉克利特認為火是萬物之源;古希臘的亞里士多德提出四元素說,認為萬事萬物是由土元素、水元素、火元素、氣元素所組成。固體在加熱狀態下變為液體,可認為固體中的土元素獲得了火元素,火元素和土元素按一定比例混合形成水元素,水元素如果再度吸收熱量,當裡面火元素達到一定值時,便會轉化為氣元素。氣元素遇冷時,火元素便跑出來,氣元素又重新變為水元素、土元素。

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隨後,古希臘的柏拉圖根據摩擦生熱現象,認為火是一種運動的表現。我國東漢時期的王充的“元氣”說,把熱視為“氣”的運動與變化。可見早在古代,人們對熱究竟是物質還是運動的表現存在爭議。

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英國的布萊克及其學生歐文透過冰融化的現象提出比熱和潛熱概念。從18世紀60年代起,布萊克等人對熱流體理論作了深入探討,他建立了一種熱流體模型:①熱質是由自身彼此排斥而為普通物質粒子所吸引的、無重量的微粒所組成的流體,它不生不滅;②熱質能擴散到所有普通物質的“空隙”中,並在普通物質粒子周圍形成一氣層,這氣層的密度隨溫度的升高而增加。這樣,熱質說得到了明確的理論表示。這一模型對於熱傳導、熱膨脹和量熱學的一些實驗結果,都能給予相當成功的解釋。於是,自18世紀 80 年代起,幾乎在整個歐洲,熱質說佔了統治地位。

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在熱質說蓬勃發展的同時,關於熱是微觀粒子運動的表現的研究也在蓬勃發展。英國的培根、伽利略和玻意耳等人則認為熱的流體理論是不可信的,他們試圖把熱解釋為受熱物體的微粒的機械振動。熱是與微觀粒子速度有關的一個物理量。倫福德伯爵在炮筒鏜孔實驗過程中觀察到鑽頭越鈍產生的熱越多,熱幾乎是取之不盡的。這明顯與熱質說有本質的區別(因為熱質說第一條就認為熱質是一種粒子,它不生不滅),他的結論是:“不消說,任何與外界隔絕的物體或物體系所能無限制地持續提供的某種東西不可能是實物性的物質,而且在我看來,除非它是運動。”

德國醫生邁爾在“論無機界的力”的論文中認為熱與機械能可以轉換,並建立起量值上具有相當性的概念。

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其後,焦耳從1840年起花了近 40年時間,用電的、機械的等各種方法精益求精地做實驗,證明:要使一磅水的溫度升高 1 華氏度,需做功 772 英尺磅。這個數值相當於 1cal = 4。157 J .這與目前國際公認的熱功當量的精確值4。1868焦非常接近。焦耳實驗以雄辯的事實說明熱和功是能量傳遞與轉換的兩種不同形式,並可以一定的當量關係相互轉換。

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人們對熱的探索起始與對冷熱的認知,從古代元素說到熱質說,再到微觀領域,從量子的角度去解釋。歸根結底,熱是一種能量的形式,其微觀本質是大量分子的無規則運動。

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