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热质说

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熱質說Caloric theory)是種錯誤和受局限的科學理論,曾用來解釋的物理現象。此理論認為熱是一種稱為「熱質」(caloric)的物質,熱質是一種無質量的氣體,物體吸收熱質後溫度會升高,熱質會由溫度高的物體流到溫度低的物體,也可以穿過固體或液體的孔隙中。熱質說在拉瓦錫1772年用實驗推翻燃素說後開始盛行,拉瓦錫的《化學基礎》一書就把熱列在基本物質之中[1]

熱質說可以解釋一些熱的現象,不過無法解釋一些只要持續作功就可以持續產生熱的現象(如摩擦生熱)。19世紀中,熱質說被機械能守恆所取代;之後,熱質說仍然在許多科學文獻中出現,一直到19世紀末才消失[2]。目前常用的熱量單位卡路里(Calorie)即起源自熱質(caloric)。

早期歷史[编辑]

世界上第一個冰量热器拉瓦錫拉普拉斯在18世紀末用冰量热器量測各種化學反應需吸收或釋放的,量測熱的方式是以約瑟·布拉克所發現的潛熱為基礎。此試驗也開始了熱化學的相關研究。

熱力學發展的過程中,對熱的解釋常常和燃燒有關。化學家貝歇爾施塔尔在17世紀提出燃素說,試圖解釋燃燒現象,當時也將燃素解釋為「熱的實體物質」。

熱質說是由普利斯特里提出的。普利斯特里在1770年代用氧(當時稱為「去燃素空氣」)來解釋燃燒現象。在1783年的論文《Réflexions sur le phlogistique》中,普利斯特里認為燃素說和他的實驗結果不吻合,因此提出「熱質」的說法。熱質是熱的實體物質,以流體的形式存在。依普利斯特里的理論,宇宙中熱質的總量為一定值,熱質會由溫度高的物體流到溫度低的物體。

1770年代時,有些科學家認為也是一種物質,不過皮埃尔·普瑞弗斯特英语Pierre Prévost認為冷只是一個缺乏熱的現象而已。

在熱質說中,熱是一種物質,無法產生或消滅,因此熱的守恒就成了這種理論中的一個基本假設[3]

熱質說也影響了約瑟·布拉克一些有關物質熱力學性質的實驗。在十八世紀時,除了熱質說以外還有一個理論可以說明熱的現象-分子運動論。分子動力論是較新的理論,其中有些概念是來自原子論,可以解釋燃燒及熱量測定,不過當時將分子動力論和熱質說視為二個等效的理論。

熱質說的成功[编辑]

熱質說可以成功的解釋許多物理現象。例如熱茶在室溫下冷卻就可以用熱質說解釋:熱茶的溫度高,表示熱質濃度較高,因此熱質會自動流到熱質濃度較低的區域,也就是周圍較冷的空氣中。熱質說也可以解釋空氣受熱的膨脹,因空氣的分子吸收熱質,使得其體積變大。若再進一步分析在空氣分子吸收熱質過程中的細節,還可以解釋熱輻射、物體不同溫度下的相變化,甚至到大部份的氣體定律

道爾頓的氣體分子模型中就包括了熱質[4]尼古拉·卡諾提出了卡諾循環及相關的定律,形成了熱機理論的基礎,而卡諾的分析就是架構在熱質的基礎上。

不過,熱質說的重大成就之一就是拉普拉斯修正牛頓的音速公式。拉普拉斯在熱質說的基礎上,在牛頓的公式中增加一個常數,此常數即為氣體的绝热指数[5]。上述的修正大幅的修正了音速的理論預測值。

後續發展[编辑]

1798年時, 英國科學家伦福德伯爵提出《由摩擦產生熱的來源探討》(An Experimental Enquiry Concerning the Source of the Heat which is Excited by Friction)的論文,其中描述他觀察加農砲製作時所產生的熱。他發現在加農砲鏜孔時,只要持續加工,加農砲就會持續的熱,其產生的熱甚至可以使水沸騰,而且單位時間的發熱量不會下降[6]。若依熱質說的理論,若熱質從加農砲中釋出,加農砲的熱質就會減少,因此發熱量就會下降,依他觀察到的情形,加農砲中的熱質沒有減少,因此提出熱質不是一種滿足守恆定律的物質,不過他實驗的不確定性也廣被質疑。

由於當時將熱質說視為和分子運動論等效的理論,因此伦福德的論文並未視為對熱質論的威脅[7]。事實上當時的科學家利用伦福德的論文來增加他們對熱質說的了解。

焦耳量測熱功等效的設備

伦福德的研究引起了詹姆斯·焦耳及其他科學家的興趣,進而進行相關的研究。在1799年時漢弗里·戴維在《論熱、光和光的複合》論文中,描述了一個實驗:在一個和周圍環境隔絕的真空容器中,使二塊冰互相摩擦,最後變成水,以當時的理論來看,只可能是冰的熱容降低,釋放出熱質。但水的熱容比冰大[8],冰變為水不可能會釋放熱質。戴維因此導出熱質不存在的結論,並認為熱是物體微粒的振動。不過他的實驗並未得到當時的重視[6]

焦耳在1840年進行多次導體發熱的實驗,發現其發熱量和電流的平方成正比。並在1843年提出理論,認為熱只是一種能量的形式。後來為確認熱和能量之間的關係。焦耳用以下實驗來量測熱和能量單位間的轉換係數-熱功當量:在一量熱器中加水,量熱器中有葉片,經過轉軸連到量熱器外,量熱器外利用下降的重物帶動葉片旋轉,使葉片及水的溫度上昇。量測重物重量、落下距離、水(及葉片)的溫度、質量及比熱即可計算熱功當量,後來將液體由水改為鲸油水銀,進行並改進實驗達40年之久。此實驗也確認熱及能量之間的關係[9]

1850年時,魯道夫·克勞修斯發表論文提出熱質說及分子運動論其實不相容,熱質說中提到的熱質守恆可以用能量守恆取代。熱可以等效為物質中粒子(如原子或分子)的動能,熱質說成為歷史,也開始了現代的熱力學研究。不過熱和粒子的運動在頻譜還是有不同之處:頻譜上尖銳的頻譜對應粒子的運動,而熱會以類似雜訊的連續頻譜出現在頻譜上。

相關條目[编辑]

參照及備註[编辑]

  1. ^ 瓦錫拉的《化學概要》. 中國化學資源網. [2010-09-05]. 
  2. ^ 《A Guide to the Scientific Knowledge of Things Familiar》是19世紀的科學教育書籍,其1880年版本中,仍然用熱質的流動來說明熱的傳遞。
  3. ^ 例如尼古拉·卡諾在1824年的著作《Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu》。
  4. ^ 翁寶山. 第一章//原子的世界. 台灣新竹: 國立清華大學出版社. 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. ^ 水和冰的比熱為4200 J/(kg·K)及2060 J/(kg·K),在相同質量的條件下,水的熱容比冰大
  9. ^ 公元1889年10月11日 英国物理学家焦耳逝世. 歷史上的今天. [2010-09-06].