热质说 - Wikiwand
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热质说

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热质说(又名热素说Caloric theory)是种错误和受局限的科学理论,曾用来解释的物理现象。此理论认为热是一种称为“热质”(caloric)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。热质说在拉瓦节1772年用实验推翻燃素说后开始盛行,拉瓦节的《化学基础》一书就把热列在基本物质之中[1]

热质说可以解释一些热的现象,不过无法解释一些只要持续做功就可以持续产生热的现象(如摩擦生热)。19世纪中,热质说被机械能守恒所取代;之后,热质说仍然在许多科学文献中出现,一直到19世纪末才消失[2]。目前常用的热量单位卡路里(Calorie)即起源自热质(caloric)。

早期历史

世界上第一个冰量热器,拉瓦锡及拉普拉斯在18世纪末用冰量热器量测各种化学反应需吸收或释放的热,量测热的方式是以约瑟·布拉克所发现的潜热为基础。此试验也开始了热化学的相关研究。
世界上第一个冰量热器,拉瓦锡拉普拉斯在18世纪末用冰量热器量测各种化学反应需吸收或释放的,量测热的方式是以约瑟·布拉克所发现的潜热为基础。此试验也开始了热化学的相关研究。

热力学发展的过程中,对热的解释常常和燃烧有关。化学家贝歇尔施塔尔在17世纪提出燃素说,试图解释燃烧现象,当时也将燃素解释为“热的实体物质”。

热质说是由普利斯特里提出的。普利斯特里在1770年代用氧(当时称为“去燃素空气”)来解释燃烧现象。在1783年的论文《Réflexions sur le phlogistique》中,普利斯特里认为燃素说和他的实验结果不吻合,因此提出“热质”的说法。热质是热的实体物质,以流体的形式存在。依普利斯特里的理论,宇宙中热质的总量为一定值,热质会由温度高的物体流到温度低的物体。

1770年代时,有些科学家认为也是一种物质,不过皮埃尔·普瑞弗斯特英语Pierre Prévost认为冷只是一个缺乏热的现象而已。

在热质说中,热是一种物质,无法产生或消灭,因此热的守恒就成了这种理论中的一个基本假设[3]

热质说也影响了约瑟·布拉克一些有关物质热力学性质的实验。在十八世纪时,除了热质说以外还有一个理论可以说明热的现象-分子运动论。分子动力论是较新的理论,其中有些概念是来自原子论,可以解释燃烧及热量测定,不过当时将分子动力论和热质说视为二个等效的理论。

热质说的成功

热质说可以成功的解释许多物理现象。例如热茶在室温下冷却就可以用热质说解释: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英语Gas laws

道尔顿的气体分子模型中就包括了热质[4]尼古拉·卡诺提出了卡诺循环及相关的定律,形成了热机理论的基础,而卡诺的分析就是架构在热质的基础上。

不过,热质说的重大成就之一就是拉普拉斯修正牛顿的音速公式。拉普拉斯在热质说的基础上,在牛顿的公式中增加一个常数,此常数即为气体的绝热指数[5]。上述的修正大幅的修正了音速的理论预测值。

后续发展

1798年时,英国科学家伦福德提出《探讨摩擦生热之来源》(An Experimental Enquiry Concerning the Source of the Heat which is Excited by Friction)的论文,其中描述他观察加农炮制作时所产生的热。他发现在加农炮镗孔英语Boring_(manufacturing)时,只要持续加工,加农炮就会持续加温,其产生的热甚至可以使水沸腾,而且单位时间的发热量不会下降[6]。若依热质说的理论,若热质从加农炮中释出,加农炮的热质就会减少,因此发热量就会下降,依他观察到的情形,加农炮中的热质没有减少,因此提出热质不是一种满足守恒定律的物质,不过他实验的不确定性也广被质疑。

由于当时将热质说视为和分子运动论等效的理论,因此伦福德的论文并未视为对热质说的威胁[7]。事实上当时的科学家利用伦福德的论文来增加他们对热质说的了解。

焦耳量测热功等效的设备
焦耳量测热功等效的设备

伦福德的研究引起了詹姆斯·焦耳及其他科学家的兴趣,进而进行相关的研究。在1799年时汉弗里·戴维在《论热、光和光的复合》论文中,描述了一个实验:在一个和周围环境隔绝的真空容器中,使二块冰互相摩擦,最后变成水,以当时的理论来看,只可能是冰的热容降低,释放出热质。但水的热容比冰大[8],冰变为水不可能会释放热质。戴维恩此导出热质不存在的结论,并认为热是物体微粒的振动。不过他的实验并未得到当时的重视[6]

焦耳在1840年进行多次导体发热的实验,发现其发热量和电流的平方成正比。并在1843年提出理论,认为热只是一种能量的形式。后来为确认热和能量之间的关系。焦耳用以下实验来量测热和能量单位间的转换系数-热功当量:在一量热器中加水,量热器中有叶片,经过转轴连到量热器外,量热器外利用下降的重物带动叶片旋转,使叶片及水的温度上升。量测重物重量、落下距离、水(及叶片)的温度、质量及比热即可计算热功当量,后来将液体由水改为鲸油及水银,进行并改进实验达40年之久。此实验也确认热及能量之间的关系[9]

1850年时,鲁道夫·克劳修斯发表论文提出热质说及分子运动论其实不相容,热质说中提到的热质守恒可以用能量守恒取代。热可以等效为物质中粒子(如原子或分子)的动能,热质说成为历史,也开始了现代的热力学研究。不过热和粒子的运动在频谱还是有不同之处:频谱上尖锐的频谱对应粒子的运动,而热会以类似噪声的连续频谱出现在频谱上。

相关条目

参照及备注

  1. ^ 瓦锡拉的《化学概要》. 中国化学资源网. [2010-09-05]. 
  2. ^ 《A Guide to the Scientific Knowledge of Things Familiar》是19世纪的科学教育书籍,其1880年版本中,仍然用热质的流动来说明热的传递。
  3. ^ 例如尼古拉·卡诺在1824年的著作《Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu》。
  4. ^ 翁宝山. 第一章. 原子的世界. 台湾新竹: 国立清华大学出版社. 2006. ISBN 9868181208. 
  5. ^ Laplace, P.-S. (1816). Sur la vitesse dus son dans l'air et dans l'eau. In 《Annales de Chimie et de Physique》
  6. ^ 6.0 6.1 向义和. 大学物理导论,上册. 清华大学出版社. 1999: 351. ISBN 7302032246. 
  7. ^ Lavoisier, A.-L. de (1783). 《Mémoire sur la chaleur, lu à l'Académie royale des sciences, le 28 juin 1783, par MM. Lavoisier et de La Place》
  8. ^ 水和冰的比热为4200 J/(kg·K)及2060 J/(kg·K),在相同质量的条件下,水的热容比冰大
  9. ^ 公元1889年10月11日 英国物理学家焦耳逝世. 历史上的今天. [2010-09-06]. 
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