什麼是熱的本質

人類在生活和生產中最早接觸到的自然現象之一就是熱現象。熱究竟是什麼，歷史上對此有過長期的爭論。

歷史的回顧

人類在史前時期就使用火。中國北京周口店和山西芮城西侯度舊石器時代遺址中，先後發現50萬年和180萬年以前的用火遺蹟;公元前7000～前6000年，中國仰韶文化時期就已有陶窖及手製、模製的陶器；上古時期的各種銅器、鐵器都顯示了古代人類不僅利用火取暖、加熱食物，還能用以製造簡單的工具。從史前時期直到18世紀初，雖然人們對熱現象的本質進行過許多探索，但由於掌握的知識不夠豐富，方法不夠科學，因而對熱的本質認識只是一些設想。其中以古希臘時期產生過的兩種不同看法為代表。一種是大約公元前 500年赫拉克利特提出的，把火、土、氣、水當作自然界的四種獨立元素的四元素說，認為自然界的一切物質都由這四種元素組成。這種看法同中國古代的五行說相似。五行說認為萬事萬物的根本是金、木、水、火、土五種氣。另一種是柏拉圖根據摩擦生熱現象提出的，認為火是一種運動的表現形式。

18世紀初到19世紀中葉，蒸汽機的出現和廣泛使用促進了工業迅速發展。人們為進一步提高熱機效率（見熱力學第二定律），對物質的熱性質作了深入研究，從而推動了熱學實驗的發展。18世紀初建立了系統的測溫學和量熱學。從此，對熱現象的研究走上了實驗科學的道路。為了定量地解釋實驗結果，一些學者根據片面的實驗事實，將古希臘火元素學說發展成為熱質說，認為熱是一種沒有質量的流質，叫熱質，它不生不滅，可透入一切物質之中，一個物質是冷還是熱就看它所含的熱質多少。熱質說能夠解釋有關熱傳導和量熱學的一些實驗結果，但它把熱現象孤立起來，因而不能解釋摩擦生熱、撞擊生熱等現象。儘管熱質說這一錯誤學說曾流行一時，但它並沒有得到科學界的一致承認。

與熱質說相對立，一些科學家認為熱不是一種流質，而是物質運動的一種表現。М.Β.羅蒙諾索夫在《論熱與冷的原因》(1744～1747)這篇論文中斷言：熱是分子運動的表現。他還肯定了運動守恆原理在分子運動中的正確性，建立了現代分子運動論的許多基本概念。並指出溫度是分子運動強度的量度。由於當時熱質說佔統治地位，羅蒙諾索夫的工作沒有受到重視。1798年朗福德把一個炮筒固定在水中，用馬拖動鈍鑽使其與炮筒內壁摩擦，基本上沒有鑽下鐵屑，但能使大量的水沸騰。這個實驗說明：熱只能是物質的一種運動。1799年H.戴維又以兩塊冰摩擦而使之完全熔化的事實支援熱是物質運動的學說。但朗福德和戴維沒有找出熱量同機械功之間的數量關係。他們的實驗事實沉重打擊了熱質說，但未能徹底推翻它。1842年德國醫生J.R.邁爾的論文提出能量守恆的學說，他認為熱是一種能量，能夠和機械能互相轉換。此後，19世紀中葉J.P.焦耳前後用了幾十年的時間做了許多實驗，測定熱功當量，得到了完全一致的結果，從而給能量守恆和轉換定律奠定了堅實基礎（見焦耳熱功當量實驗）。在能量守恆定律被科學界公認是自然界的普遍規律之後，熱質說才最終被徹底推翻，關於熱的本質的爭論也宣告結束。

熱的本質

熱是物質運動的一種表現，具體地說是構成物質系統的大量微觀粒子無規則混亂運動的巨集觀表現。就係統的單個粒子而言，其運動是無規則的，具有極大的偶然性；但系統總體所表現的巨集觀性質是整個粒子系的集體行為，存在著確定的規律性，這是物質的熱運動區別於其他運動形式的基本特徵。實踐證明，物質的熱運動和其他運動形式之間可以相互轉換，但在轉換過程中各種運動形式在量上必須守恆。反映熱運動形式同其他運動形式轉換中守恆的量不是什麼“熱質”，而是同機械能、電磁能等相應的熱運動形式的能量，此能量決定於系統內部分子的特徵以及熱運動狀態，因而稱之為內能。如果能量的轉換或傳遞過程通過傳熱方式實現，傳遞著的能量則稱之為熱量。所以熱量不是什麼“熱質”，而是由於系統與外界間或系統各部分間存在溫度差而發生傳熱時被傳遞的能量。