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热和电的奥秘（第1页）

热和电的奥秘

牛顿对物理定律，特别是对引力的研究，在18世纪初由于对地球形状的测量活动而得到巨大推动。与此同时，物理学在两个领域出现巨大进展，继工业革命之后，不久就引发一场变革，这两个领域就是热学和看似神秘的电学。

什么是热

热向来是物理学的巨大奥秘之一，在18世纪以前，还无人接近于解决这个奥秘。古希腊人对它的特性曾经提出三种猜测——它是一种物质；它是一种性质；它是普通物质的一种偶然属性（粒子运动的结果）。类似第一种和第三种的说法在18世纪仍然在一争高低。这是很难掌握的概念，原因之一就是一直没有找到一种方法去测量热的量或者度。

因此，第一道障碍就是要建立一种好的测量系统，以便对不同环境中的热进行定量比较。1708年，丹麦天文学家罗迈（OlesenRoemer，1644—1710）最早认识到，温度计需要两个固定点，于是，他设定两个可观测的温度，作为一定范围内的顶端和底端——一端是雪融，另一端是水沸腾。荷兰的华伦海特在1714年对罗迈的刻度作了一些修改，并且在他设计的温度计中，酒精换成了汞。这就意味着水的沸点以上的温度也可以测量，因为汞的沸点比酒精高得多。与此同时，瑞典的天文学家摄尔修斯（AndersCelsius，1701—1744）利用同样的两个固定点，把其区间分成100个单位，这就是1742年他设计的所谓摄氏温标。他的同胞，生物学家林奈把他的温度计掉了一个头，让沸点为100，熔点为0，今天使用的就是这种摄氏温度计，全世界的科学家都在用它。

18世纪，受到认可的热理论是由波尔哈夫（HermannBoerhaave，1668—1738）建立的，他认为热是一种特殊物质。这一学说和燃素说极为吻合。就像光与电一样，燃素被认为是“没有重量的”的流体。尽管拉瓦锡粉碎了燃素说，不过他却继续认为，热是某种流体，可以从一种物质流到另一种物质，他称之为热质。拉瓦锡于1789年出版的《化学基础论》一书中就有这些内容。这个理论在18世纪表现不错，但到了18世纪末，拉普拉斯使热质概念成为一种新的复杂的一般物质观，他的数学分析又大大提高了这一理论的威望。

布莱克博士和他的朋友瓦特

18世纪60年代，苏格兰化学家布莱克教授也对热的本质很感兴趣。在工业化的格拉斯哥和爱丁堡，热这个问题尤为重要，因为苏格兰和英格兰在1707年的合并带来了富庶的经济，这就为当地威士忌酒工业开发了良好市场。大型酿酒厂用大量燃料，产生大量的热，把**转变为蒸气，然后又不得不释放这些热量，使蒸汽凝聚成**。为了经济地管理酿酒厂，绝对需要知道在这些过程中究竟涉及多少热量。实际上，需要从蒸汽中释放大量热，这直接影响了酿酒厂的收益。

英国化学家布莱克第一个分离出二氧化碳并演示了二气化碳的特性（他称之为“固定空气”）。

布莱克常常说，他不能理解为什么酿酒厂的经理们不更多关注有关的科学原理，这些原理显然对他们的生计有非常重要的影响。但是在传统上，纯粹科学和技术进步之间的联系却很少被意识到，也很少得到支持。甚至今天，每当生意需要紧缩开支时，研究和开发部门经常是首先被削减的对象，经济衰退时，大学也经常是缩减预算的对象。

布莱克从未发表他的讲演稿，在讲演中他透彻地讨论了自己的思想，但是他的编辑罗比孙（JohnRobison，1739—1805）却发表了选自布莱克的笔记本和自己记录的材料：

“鉴于阳光充足的冬日山峦上的积雪并不立即融化，严寒的夜晚也不是立刻使池塘水面覆盖厚冰，因此布莱克博士确信，大量热已经被吸收，并且固定在从雪花里缓慢融化的水滴中；另一方面，当水缓慢地转变成冰时，大量热从水里释放出来。因为，在解冻过程中，当温度计从空气移到融雪中时，温度计往往下降；在严寒中，把温度计插入结冰的水里，温度计往往上升。因此，在第一种情况里，雪获得了热；而在后一种情况里，水正在重新释放热。”

1762年，在大学哲学俱乐部聚会期间，一些教授在格拉斯哥非正式相聚，布莱克进一步讨论了他的观点。他指出，冰在融化时并不改变温度，但是，冰附近的物质却变得更冷了，然而冰的温度并没有升高。这是怎么一回事?热消失了吗?华伦海特曾经观察到，水可以冷却到冰点之下而不结冰，不过此时对水不能有任何扰动，否则它立刻结冰。当发生这种情况时，实际上温度是上升了!所以，当水冻结，也就是说，它的状态从液态变成固态时，它放出热。布莱克看出，水仍然保持液态，因为它含有一定的热量；当热被释放，液态消失，液态的水变成了固态的冰。

由于液态水中的热不会在温度计上显示，布莱克称之为“潜热”，表示它存在却不能用平常的方法来测量。

布莱克还提出一种测量潜热的方法。他测量融化一定量的冰所需的热量，然后把这些热量用于冰融化后所得的水，发现它的温度上升了140°F。

在1762年至1764年之间，布莱克把冰的潜热概念延伸到水转变为汽这一相似现象。他发现，用同样的火力把沸水转变为水蒸气，所需时间是把水从室温加热到沸点所需时间的5倍。

此时，一位意想不到的新朋友加入了这一研究，这位新朋友就是为大学制作仪器的技师瓦特。瓦特设计了一种装置，用于演示布莱克在课堂上讨论的潜热概念并为之提供实验证据。一个意外的惊喜是，瓦特根据他从布莱克那里得到的理论启发，成功地为他正在修理的蒸汽机发明了一种新装置：分离凝聚器。结果这一发明成为提高蒸汽机效率，使之成为运输和工业获取足够经济的能源之关键。瓦特的蒸汽机以煤或焦炭为燃料，于是工厂可以在任何地方设立，可以远离河边，而靠水力开设的工厂必须就设在河边。蒸汽机不久就用于几乎所有的工业，从煤矿到冶炼厂，再到纺织厂，以及后来出现的火车和轮船。

特勒维斯克设计的高压煤车发动机，这种发动机也许类似于1801年他根据瓦特的蒸汽机建造的蒸汽马车。

布莱克对此非常满意，他乐于给学生们讲述瓦特的成就。当瓦特在1769年申请到专利时，他获得了应有的回报。罗比孙写道：“布莱克博士从未这样高兴过，就像这些收益是给他自己的一样。……两个朋友都认为这一段成功的研究是他们一生中最愉快的事情。”

更早些时候，布莱克还证明过，不同物质的同样质量，需要不同的热量（比热）才能使它们升至同样的温度。或者，换一种说法，当两种重量相同、温度不同的不同物质放在一起时，其平衡温度并不是两个温度的中点。也就是说，同样的热量作用于两种不同的物质，产生的温度变化各不相同。布莱克信奉的是热的流体理论，因此当他得出不同物质具有不同的所谓“比热”时，他更加相信，培根的（以及后来伦福德重新制订的）热动说与比热的存在是矛盾的。遗憾的是，这一观点后来成为科学史的一个案例，说明正确的科学有时似乎也不支持一个有效的理论。

伦福德伯爵与热作为运动

伦福德伯爵原来的名字是汤普森（BenjaminThompson，1753—1814），生于美国马萨诸塞州的沃本恩。他的生平有些离奇古怪，虽然不够高贵，但确实充满趣味。年轻时，为了庆祝废止印花税法案而制造烟火，他差点因此而丧命，那时他在塞伦一家零售店工作。康复后，他在波士顿另一间零售店又工作了一段时间。19岁时，汤普森与一个富有的寡妇结婚后就来到新罕布什尔州的伦福德（现在的康科德），在那里他的妻子继承了一处地产。但是，因为革命战争爆发，汤普森开始为英国人服务，暗中监视邻居，于是，局面变得复杂。也许呆在家乡不太愉快，他留下了妻儿，随英军撤离波士顿。

在英国，汤普森为英国殖民地秘书处工作（他对美国的了解使他很受欣赏），后来与皇家学会主席班克斯爵士（SirJosephBanks，1743—1820）相识，通过班克斯，他见到了当时著名的科学家。

在战争结束前，他以英军陆军中校的身份返回美国殖民地。然而不幸的是，英国输了。他被迫永久流放，只好重返英国。在英国，他的投机性格再次暴露，不但受贿，甚至还可能为法国人当过间谍，对付英国人。

1783年，他得到乔治三世的允许前往欧洲大陆，在那里他为巴伐利亚的选帝侯。西奥多（KarlTheodor，1724—1799）效力。汤普森对付各种行政工作绰绰有余，当过战争大臣和国会议员。他为无家可归者建立贫民习艺所，引进瓦特蒸汽机和马铃薯，还做了其他一些好事。选帝侯很满意，于是汤普森在1791年成为神圣罗马帝国的伯爵，取名为伦福德，也许是出于怀念留在新罕布什尔州的地产的缘故。

汤普森，后来被称为伦福德伯爵，过的是浪子生活，开始于美国，终结于英国和法国。他最出名的是对热的本质的探索。

伦福德在巴伐利亚时，对科学极有兴趣，深深地关注热的本质问题。1798年，他在慕尼黑掌管大炮镗孔的工作，注意到当钻孔机钻孔时，金属会变得非常之热——热到必须用水冷却。对此，热质说的支持者会这样解释，在切削过程中，无重量的热质流体从金属中不断被释放。但是伦福德注意到，只要钻孔在继续，就会不停地释放热，并且如果测量在此过程中释放的热质数量，其总数足以熔化金属，假如（以某种方式）再把它灌回空弹壳的话。他还注意到，如果他用的钻孔机钝到无法切割金属，此时，金属反而会变得更热，至少不低于这一情况下所释放的热质——即如果正是切割过程引起热质释放的话。

于是伦福德提出了热动说，也就是说，钻孔机的机械运动转变成了热。因此他说，热就是运动的一种形式。在他之前，培根、波义耳和胡克都曾经暗示过这一思想。

伦福德的思想很快得到一些人的强烈支持，他们抛弃了热质说转而支持热动说。但是在18世纪末，热质说仍然受到大多数物理学家和化学家的青睐，他们无疑仍然受到拉瓦锡权威见解的影响并且相信数学对热质说的支持。直至焦耳（JamesPrescotJoule，1818—1889）提供了一种数学上的定量说明，即一定量的机械功会产生多少热，这才证明伦福德是正确的。