热质说
| 热力学 |
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热质说（caloric theory）又名热素说，是一种已被证实错误的科学理论，曾用来解释热的物理现象。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]。
早期历史
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在热力学发展的过程中，对热的解释常常和燃烧有关。化学家贝歇尔及施塔尔在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，有些科学家认为冷也是一种物质，不过皮埃尔·普瑞弗斯特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
[编辑]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。
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
[编辑]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。
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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
[编辑]参照及备注
[编辑]- ^ 瓦錫拉的《化學概要》. 中国化学资源网. [2010-09-05].
- ^ 《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。
- ^ 例如尼古拉·卡诺在1824年的著作《Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu》。
- ^ 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 [2010-09-05]. ISBN 9868181208. （原始内容存档于2016-03-04）.
- ^ Laplace, P.-S. (1816). Sur la vitesse dus son dans l'air et dans l'eau. In 《Annales de Chimie et de Physique》
- ^ 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.
- ^ 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》
- ^ 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
- ^ 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]. （原始内容存档于2011-01-09）.