第四次科技革命的理论（热是物质还是一种运动）

从远古时期人类早就学会了取火和用火，人们就注意探究热、冷现象本身，在17、18世纪时，热质说非常盛行，此理论认为热是一种称为“热质”的物质，热质是一种无质量的气体，物体吸收热质后温度会升高，热质会由温度高的物体流到温度低的物体，也可以穿过固体或液体的孔隙中。

著名物理学家布莱克建立了系统的热质说理论，他以热质说为理论基础，在热学研究方面做出了两个重大的贡献。他证实了相同重量的两份不同温度的水相混合，混合后水的温度正好是它们温度的中间值;可是把相同重量的热水与冷的水银混合在一起，混合后的温度却不是它们温度的中间值，而是更接近于水的温度。

为了解释这一疑难,布莱克主张把热量和温度两个概念分开，一个是指热质的量”一个是指“热的强度或集度”。这就如同把物质的量即质量，与物质的集度即密度分开一样。对不同的物质改变相同的温度，所需要的热量是不同的，这种不同就在于物质“对热的亲和性”或‘接受热的能力”的 不同。热学中的重要概念热容量和比热，就是在这一基础上建立的。

热质说可以解释生活中的许多现象，比如热茶的温度高，表示热质浓度较高，因此热质会自动流到热质浓度较低的区域，也就是周围较冷的空气中。热质说也可以解释空气受热的膨胀，因空气的分子吸收热质，使得其体积变大。若再进一步分析在空气分子吸收热质过程中的细节，还可以解释热辐射、物体不同温度下的相变化，甚至到大部分的气体定律。所以在当时，人们对热质说深信不疑。

1785年著名物理学家汤普森试图用实验来发现热质的重量，当他确认无法做到时，便开始反对热质说。

汤普森后来在慕尼黑指导军工生产时发现，用钻头加工炮筒时，炮筒在短时间内就会变得非常热。为了弄清热的来源，1796～1797年他做了一系列的炮筒钻孔实验。他精心设计了一套仪器，以保证在绝热条件下进行钻孔实验。

汤普森发现只要钻孔不停，就会不断地产生出热，好像物体里含有的热是取之不尽的。有人认为这是由于铜屑比铜炮身比热大，铜屑脱落时把“热质”给了炮身。

汤普森又认真测定了比热，证明钻孔前后金属与碎屑比热没有改变。他曾用数匹马带动一个钝钻头钻炮筒，并把炮筒浸在温度为60oF的水中，发现经过1小时，水温升高了47oF，两个半小时后，水就沸腾了。

在场的人都感到非常讶异，因为不用火就能让物体沸腾，这实在是超乎想象。在经过多次试验后，汤普森将实验结果进行总结，在1798年1月25日发表了题为《论摩擦激起的热源》的论文。

汤普森认为：摩擦产生的热是无穷尽的，与外部绝热的物体不可能无穷尽地提供热物质。热不可能是一种物质，只能认为热是一种运动。

摩擦生热

汤普森的实验结果直接否定了热质说，确立了热动说的诞生。由此，科学史著名的三大论战之一，关于热是物质还是运动现象的大讨论由此展开。

1799年英国化学家戴维也做了实验，来确认热质是否存在，戴维认为如果热是一种物质的话，它只能是由于冰的热容减少，或者是两物体的氧化，或者是从周围的物体吸引了热质而产生，所以戴维在一个同周围环境隔离开来的真空容器里，利用钟表机件使里面的29°F的两块冰互相摩擦最终熔解为水。

要知道，水的热容比冰的热容大得多，而冰一定要加上一定量的热才能变成水，所以摩擦并没有减少冰的热容，而且这肯定也不是由物体氧化引起的，因为冰根本不能吸引氧气，所以，戴维得出了结论，热质是不存在的。

他明确指出热是物体微粒的运动。他说:物体因摩擦而膨胀，则很明显，它们的微粒一定会运动或相互分离.既然物体微粒的运动或振动是摩擦和撞击必然产生的结果，那么，我们就可以做出合理的结论:热是物体微粒的运动或振动。

戴维用实验论证了热质说是不成立的，支持了热动说。然而，在当时热质说是科学界的主流，1789年，拉瓦锡在他出版的《化学原理教程》一书中，把“热素”和“光”一起列入无机界23种化学元素中。他认为，热质是“没有重量不可称量”的流体。傅立叶还建立了热传导理论；卡诺从热质传递的物理图像及热质守恒规律得到了卡诺定理来说明说明热机的最大热效率只和其高温热源和低温热源的温度有关；瓦特在热质说的启示下给蒸汽机加上了冷凝器，完成了一项重大的技术改造。

热质说的成功，使人们相信它是正确的。后来，可见，热质说已经达到了它的鼎盛时期，再加上当时，“以太”、“电流质”等不可称量的物质假说盛行，汤普森和戴维的实验并没有对热质说造成致命打击，他们的论争被宣告失败。

然而，在热质说观点的指导下，瓦特改进的蒸汽机却给了热质说致命一击，随着蒸汽机技术的不断发展和自然科学各领域研究的不断进展，在19世纪40年代前后，人们已经形成了这样的观念:自然界的各种现象间都是相互联系和转化的。人们对热的研究也不再是孤立地进行，而是在热与其他现象发生转化的过程中认识热，特别是在热与机械功的转比中认识热。

德国物理学家迈尔从1840年起就开始研究自然界各种现象间的转化和联系。在他的论文《与有机运动相联的新陈代谢)中，把热看作“力”(能量)的一一种形式，他援引燕汽机车的例子指出"热是能够转比为运动的力“。他还根据当时的气体定压和定容比热的资料,计算出热的机械功当量值为367kgm/千k。

在论文中，迈尔详细考察了当时已知的儿种自然现象的相互转化，提出了“力“不灭思想，得出了否认热质和其他无重量物质的结沦，1842年，他用一匹马拉机械装置去搅拌锅中的纸浆，比较了马所做的功与纸浆的温升，给出了热功当量的数值。他的实验比起后来焦耳的实验来，显得粗糙，但是他深深认识到这个问题的重大意义，并且最早表述了能量守恒定律也就是热力学第一定律。

后来英国物理学家J.焦耳做了大量实验，用各种不同方法求 热功当量 ，所得的结果都是一致的。也就是说，热和功之间有一定的转换关系。以后经过精确实验测定得知1卡=4.184焦。佐证了迈尔的看法。

而这个时候，德国科学家亥姆霍兹在1847年发表了著作《论力的守恒》。提出了一切自然现象都应该用中心力相互作用的质点的运动来解释，这个时候热力学第一定律已经有了一个模糊的雏形，热质说正摇摇欲坠。

1850年，克劳修斯发表了《论热的动力和能由此推出的关于热学本身的定律》的论文。他认为单一的原理即“在一切由热产生功的情况，有一个和产生功成正比的热量被消耗掉，反之，通过消耗同样数量的功也能产生这样数量的热。” 加上一个原理即“没有任何力的消耗或其它变化的情况下，就把任意多的热量从一个冷体移到热体，这与热素的行为相矛盾”来论证。把热看成是一种状态量。

由此克劳修斯最后得出热力学第一定律的解析式：dQ=dU-dW

从1854年起，克劳修斯作了大量工作，努力寻找一种为人们容易接受的证明方法来解释这条原理。经过重重努力，1860年，能量守恒原理也就是热力学第一定律开始被人们普遍承认。能量守恒原理表述为一个系统的总能量的改变只能等于传入或者传出该系统的能量的多少。总能量为系统的机械能、热能及除热能以外的任何内能形式的总和。

热力学第一定律也就是能力守恒定律的提出彻底否认了热质说，并且宣告了永动机的破产，因为永动机违反了能量和质量的守恒定律。热质说与热动说长达 100 年的论战，也促成了蒸汽机的诞生，直接导致了第一次工业革命的诞生，人类由此迈入了蒸汽时代，机械化生产时代开始到来。

热质说虽然是错误的，但是它对于科学的发展起到了促进作用在把一系列实验事实和个别规律用一个统一的观点联系起来加以系统化方面起了一定的积极作用。比如瓦特由此发明了蒸汽机、傅立叶得到了热传导理论、还有卡诺定理的诞生等。

而克劳修斯在提出了热力学第一定律之后，他和英国人开尔文在热力学第一定律建立以后重新审查了卡诺定理，意识到卡诺定理必须依据一个新的定理，从而提出了热力学第二定律。热力学第二定律是指热永远都只能由热处转到冷处(在自然状态下)。它是关于在有限空间和时间内，一切和热运动有关的物理、化学过程具有不可逆性的经验总结。

由此热动说进一步发展成为较为完备的热力学理论，热力学正式成为了一门独立的分支。热力学第一定律和第二定律共同构成了热力学的基础。热力学的建立推动了社会生产力的发展，促进了科技大发展，和后来的热力学第三定律以及第零定律一起推动了三次工业革命的进程，热力学如今广泛应用于国防军事、农业生产、医疗卫生、食品保鲜等各大领域。可以说极大地便携了我们的生活。