谈关于热本质的争论.doc

谈关于热本质的争论 人类对热现象的认识和利用由来已久，从古至今，一直在不断深入，《探索热的本质》一书从计温学的诞生谈起,向我们介绍了历史上“热质说”和 “热动说”长期的争论以及热力学第一定律和第二定律建立的过程,宣告了两类永动机幻想的破灭,最后,通过这些热现象的探索,从微观上揭示了热的本质。 热是一种常见的自然现象,但对热的本质的认识从遥远的古代一直延续到近代才被人们所逐步认识。关于热的本质,存在两种不同的观点:一种是以布莱克、伽桑狄等为代表的热质说,认为热是一种没有重量的特殊物质(流体),基数量是守恒的,热质粒子之间相互排斥,但却受到普遍物质粒子的吸引,而且不同的普通物质对热流体的吸引力不同;一种是以培根、笛卡儿为代表的热动说,认为热是组成物质的微观粒子运动的表现,它可由物体的机械运动转化而来。 在量热学的研究上做出了重大贡献的布莱克，很自然地成为热的物质说的重要倡导者。对于历史上关于热的本性的两种观点的争论，布莱克是十分清楚的。他完全相信最终将发现热的本性“不是化学的，而是力学的”。说明他对热的物质说是有所怀疑的；但是他又觉得热的运动说还有不少困难，仅仅根据摩擦和碰撞而产生的热的现象就断言热是运动，那时过于简单和肤浅了。 伽桑狄认为，原子乃是原始的、最简单的、不可分割和不可消灭的世界的要素。火焰、烟味和灰烬等等本来就以不同的形式的原子存在于木头之中，所以当木头燃烧时这些东西就显现出来；同样，冷和热也都是由特殊的“冷”原子和“热”原子所引起的，它们非常细致，有球的形状，十分活泼，因而能渗透到一切物体之中。这个观点以其简单性和直观性把一些人热的认识引上了“热质说”。 热质说已经能简易地解释当时发现的大部分热学现象:对流是含有热质的物质的流动;传导是热质粒子间相互排斥,热质应从热的物体流向冷的物体,达到新的热平衡;热辐射是物质的直接辐射。物体受热膨胀是由于热质粒子的排斥作用所致;关于物质的固、液、气三态,认为取决于物质中含有热质粒子的多少,较多的热质粒子并呈自由状态,物质处于气态;当物质处于固态或液态时,物质所含的热质粒子较少。而量热学在一定特定条件下得到的实验结果与热质说预言相吻合,为热质说提供了实验依据和支持。到18世纪末,在欧洲明显占了统治地位。 早期热动说的支持者有笛卡尔、培根、波义耳、胡克、牛顿等。培根从摩擦生热等现象得出:热是一种膨胀的、被约束的而在其斗争中作用于物体的较小粒子之上的运动。这种看法影响了许多科学家。当时认为热是一种运动的观点,因缺乏足够的实验根据,欠说服力。 1799年,英国化学家戴维(1778-1829)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。伦福德和戴维的实验与验证令人信服,为以后热质说的最终崩溃和热动说的确立提供了最早的论据。1857年克劳修斯在研究理想气体的分子的热运动时,证明气体的绝对温度由其分子的平均平动能所决定,对热力学定律作出了动力学描述。1878年焦耳最后确定了热功当量,迈尔、焦耳、亥姆霍兹等人发现了能量守恒与转化定律。这时期,热质说被彻底抛弃了。人们认识到热运动是宏观物体内部分子、原子等微观粒子的一种永不停息的无规则运动,是物质的一种基本运动形式。 虽然热质说已被否定了一百多年，但值得重提的是，在18世纪基于热质说所获得的一些结论至今仍然是正确的，例如拉普拉斯等用全微分等概念为热质说所建立的数学分析表述，并由此得到的绝热声速公式，以及卡诺用热质说观点论证了卡诺定理等。我们认为，既然以前的热质说能导出一些正确的结果，想必有其合理的部分。对于具有一定温度的物体，其内能中包含分子(或原子)的热运动的能量。对于理想气体，由于忽略分子间的相互作用力，所以它的内能就是分子热运动的能量，它实际上是组成气体的大量分子无规运动机械能的总和。气体的质量通常看作是组成气体的大量分子质量的总和，它与温度无关，这就意味着这里指的是分子静质量的总和。由于分子是作热运动，所以把分子的时均动能对应的时均质量，称之为分子的热质量。 在物理学发展史上, 不同假设的争论从来没有停止过, 即使是同一问题也可能出现几种不同假说。对于科学发展来说, 有一种假设,哪怕是一个错误假设也比没有假设要好得多, 因为假设就标志着对自然的一种认识。公正地说, 无论是正确假说, 还是错误假说, 都在人类认识的漫长里程中留下了深深的足迹, 这就是人类在探索和追求真理过程中的认识。 热是物质运动的一种表现，具体地说是构成物质系统的大量微观粒子无规则混乱运动的宏观表现。就系统的单个粒子而言，其运动是无规则的，具有极大的偶然性；但系统总体所表现的宏观性质