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第2章 热和温度

1.热是什么

我们自身可以感知到热是什么,但是要准确说出什么是热,恐怕大家就莫衷一是了,自古以来人们对这一概念就有不同的看法。

一直以来,各国科学家围绕着什么是热进行了一系列的研究。在16世纪以后,热的本质问题引起了科学家和业余研究人员的注意。

有人说热是一种运动。培根从摩擦生热等现象中得出结论:“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。”后来,许多科学家受这一看法的影响,认为热就是一种运动。

不过总的说来,热是运动的观点还缺乏足够的实验根据,还不能形成科学理论。随着古希腊原子论思想的复兴,热是某种特殊的物质实体的观点也得到流传。于是又有一些人站出来认为“热”是一种物质。

最典型的就是法国科学家和哲学家伽桑狄认为,运动着的原子是构成万物的最原始的、不可再分的世界要素。同样,热和冷也都是由特殊的“热原子”和“冷原子”引起的。它们非常细致,有球的形状,非常活泼,因而能渗透到一切物体之中。此后这一说法,便逐渐形成了一种广泛深远的“热质说”。

在众多“热质说”的倡导者中,布莱克算是“热质说”的一个重要倡导者。他虽然相信最终会被认可的“热将不是化学的,而是力学的”观点,但他又很难否定“热质说”。他觉得热是运动的学说还有不少缺乏证据的地方。“热质说”简单通俗地解释了当时发现的大部分热学现象。比如:物体温度的变化是吸收或放出热质引起的;热传导是热质的流动;对流是载有热质的物体的流动;辐射是热质的传播;物体受热膨胀是因为热质粒子间的相互排斥;物质状态变化时的“潜热”是物体的粒子与热质发生“准化学反应”的结果,等等。由于热质的物质性,所以它也遵从物质守恒定律,这是混合量热法的理论根据。

当时“热质说”受到科学界大力肯定和支持,在“热质说”观点的指导下,热学研究取得了一定的进展。例如:布莱克发现了比热和潜热;瓦特从理论上分析了旧蒸汽机的主要缺陷并改进了蒸汽机;傅立叶依据这一物理图象建立了热传导理论;卡诺从热质传递的观点出发于19世纪初提出了消耗从热源取得热量而得到功的理论。从此“热质说”在18世纪到19世纪初居于统治地位。但是好景不长,到了18世纪末,“热质说”受到了严重的挑战。

1798年,出生在美国,属英国国籍的物理学家本杰明·汤普逊向英国皇家学会提出了一个报告。报告中说他在慕尼黑监督炮筒钻孔工作时,注意到当炮筒温度升高,钻削下的金属屑温度就更高的现象,他提出了大量的热是从哪里来的这一问题。后来,在很多的试验后他在笔记中写道:“看来在这些实验中,由摩擦产生热的源泉是不可穷尽的。不用说,任何与外界隔绝的物体或物体系,能够无限制地提供出来的东西,绝不可能是具体的物质实体;在我看来,在这些实验中被激发出来的热,除了把它看作是‘运动’以外,似乎很难把它看作为其他任何东西。”

1812年,英国化学家戴维在进行了一系列的实验之后明确提出:“热现象的直接原因是运动,它的转化定律和运动转化定律一样,同样是正确的。”从另一方面来说戴维的实验支持了热是运动的看法,但是这种看法并没有结束“热质说”的历史。

现在我们常这样解释热的含义,就是所谓的热,属于一种热象。而湿热中的热是与湿同时存在的。夏秋季节天热湿重,湿与热合并入侵人体,或因湿久留不除而化热,或因“阳热体质”而使湿“从阳化热”。由此可见,湿与热同时存在是很常见的。

2.如影随形的温度

在茫茫宇宙当中,温度无处不在。无论在地球上还是在月球上,也无论是在炽热的太阳上还是在阴冷的冥王星上,都存在着不同的温度。

一般来说温度是表示物体冷热程度的物理量。从微观上来讲,温度是物体分子热运动的剧烈程度。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量,而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标,用。F来表示;摄氏温标,用℃来表示;热力学温标和国际实用温标都用K来表示。

在微观上,温度是物体内分子间平均动能的一种表现形式。分子的运动越快,物体就会越热,也就是温度会越高;反之如果分子运动越慢,物体就越冷,温度会越低。这种现象被描述为一个物体的热势,或能量效应。如果拿数值表示温度,就会被称为温度度数。值得注意的是,少数几个分子甚至是一个分子构成的系统,由于缺乏统计的数量要求,是没有温度意义的。

3.两种温度单位——华氏度和摄氏度

自从科学家提出了温度这一概念,不少科学家发现,水结冰时的温度和水沸腾时的温度都是不变的。只要在这两个标准温度点之间等分出多少间隔,就可以用来进行度量了。

1714年,从德国迁居荷兰的华伦海特选定了两个标准点,把盐水混合物结冰的温度定位成0度,把人体的正常温度定位为96度。后来又补充了两个标准点,就是水的冰点为32度,水的沸点为212度,单位叫做“华氏度”,用“F”表示。今天我们用的华氏表,只保留了水的冰点为32°F、水的沸点为212°F两个标准点。

之后在这一规定下,人的正常体温为98.6°F。1742年,瑞典天文学家摄尔修斯采用了百分刻度法,把水的沸点定为100度,冰水混合物定为0度。就是我们现在用到的摄氏温标。它的温度单位叫“摄氏度”,用“℃”来表示。人的正常体温为37℃,现在在我们的生活中,一直使用着。

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