「熱」到底是個什麼鬼?

2020-12-16 孤獨學者
化學家拉瓦錫

之前我們談到過,拉瓦錫建立了氧化說,駁倒了燃素說,推動了歷史的前進。然而,拉瓦錫沒能徹底擺脫「燃素說」的影響,在他所列的元素中,他依然列出了「熱」和「光」這兩個概念,並認為它們和金屬、鹼土、空氣一樣,也是一種氣體元素,並且沒有質量。於是,自拉瓦錫否認了「燃素說」之後,反倒莫名其妙地提出了和這種「燃素說」極為相似的「熱質說」,並且影響了世界科學發展將近100年。那麼「熱質說」是怎麼看待「熱」的呢?「熱質說」就認為,「熱」這種物質是一種氣體,它可以從一個物體上跑到另外一個物體上,最終導致溫度的變化。那麼就有人說了,那麼「冷」也該是一種物質啊?於是,「熱質說」就告訴大家,「冷」正是因為缺少「熱質」啊。

無法用「熱質說」解釋的鑽木取火

不過還別說,這個「熱質說」真的挺管用,許多現象都能用「熱質說」來解釋。比如,一塊冰,放在大夏天的化了,怎麼回事?熱鑽進了冰塊裡,冰就融化了;孔明燈一加熱就能上天,怎麼回事?熱鑽進了孔明燈裡,氣體接受了熱質,結果溫度升高,氣體膨脹了。但是,不是所有的現象都能用「熱質說」來解釋的。就比如說,「鑽木取火」就無法用「熱質說」來解釋。你要說熱是一種物質,它從一個物體中轉移到另一個物體中,那麼摩擦的過程是就這樣產生了「熱」,豈不是違背了「熱」是一種元素的說法,也就是說,「熱」能夠被人創造出來?這一現象,就在1798年的時候,被一個叫倫福德的英國科學家注意到,並提出了質疑。他是在觀察鐵炮加工過程中產生的疑惑:如果持續加工鐵炮,鐵炮發熱,把它放到水裡冷卻,那個熱量甚至能使水沸騰。要是按照「熱質說」的說法,熱從鐵炮的炮管裡釋放出來,那炮管該變冷才對。但是,也沒見炮管變冷啊?於是,倫福德就提出質疑,他認為「熱」是不滿足守恆定律的物質。無獨有偶,那個法拉第的導師戴維在1799年的時候,也發表論文,描述一個實驗,那就是在真空環境下把兩塊冰互相摩擦,結果兩塊冰都變成了水。那麼也就是說,冰接受了熱質變成了水,但是,誰在提供「熱質」?於是,戴維就認為,是摩擦這個動作向冰塊傳遞了一種運動,然後這種運動引起物體微粒的振動。

但是,堅持「熱質說」的人們並不會輕易放棄自己的觀點。倫福德和戴維的實驗倒是反而幫助他們不斷修正「熱質說」,並且提出「熱質」等價於「氣體分子運動」。

英國物理學家焦耳
焦耳在計算熱功當量
焦耳的「熱功當量」實驗示意圖

時間到了1840年,就在大家還是堅持主流說法「熱質說」的時候,焦耳就開始注意到通電導體發熱的現象。於是,焦耳就發現,通電導體發熱所產生的熱量和電流大小的平方成正比。如果導體材質、大小、形狀都確定了,二者的比值是就一個常數,也就是後來我們稱之為電阻的數值。於是,焦耳就提出,「熱」就是一種能量。為了確定「熱」和能量之間的關係,焦耳就設計在一個量熱器中加水,再在量熱器中固定一個小葉輪,然後通過轉軸連到量熱器碗面,利用下降重物帶動葉輪旋轉,最後再測定水溫的上升。就這樣,焦耳把動能、勢能和溫度、熱量等聯繫到了一起,最後得到了熱功當量。

熱力學奠基人克勞修斯

焦耳的「熱功當量」影響到了一個人,他就是德國的克勞修斯。克勞修斯是一個數學家,但是他致力於熱力學研究。1850年,他就以焦耳的熱功當量為出發點,將熱力學過程進行了系統地闡述,最終將「熱」確定為一種能量,並且提出「熱質說」和分子運動論根本就沒有相交的地方,指出「熱質說」的錯誤,至此終結了「熱質說」。

克勞修斯在熱力學上的貢獻是很大的,今天我們大學裡的大學物理以及物理化學教科書上多有提到克勞修斯。克勞修斯的貢獻在熱力學第一定律和熱力學第二定律。但是,克勞修斯的「熱力學第二定律」卻引起了革命導師恩格斯的不滿。到底是什麼原因,我們後面會詳細了解。

到這個時候,我們基本上可以把熱、光、電和機械能都聯繫在了一起,大家認識到這幾種能量是可以相互轉化的。那麼,此時還有一種能量,也被人們發現和提出,那就是化學能。我們知道,絕大多數化學反應是要伴隨著熱量的變化的。1836年,俄國的赫斯就在彼得堡科學院提出他的研究報告,他指出,化學反應會釋放熱量,導致體積膨脹,進而就會做功。那麼,不論是何種途徑(劇烈燃燒或者緩慢氧化),它們放出的能量是一樣的。如果不是熱量,那麼就一定是轉化成了其它形式的能量。1840年,赫斯再一次地重申了他的觀點。這裡,他已經提出了「能量守恆」的基本思路。但是,對於能量轉化和能量守恆的提出,除了剛才我們說過的焦耳,還有一位德國的邁爾和赫姆霍茲。

只會放血療法的邁爾

邁爾是一個醫生。準確的說,是一個毫無現代醫學知識的蹩腳巫醫。他那個時代,流行「放血療法」。不論什麼病,他就只有一條——放血。當他看到顏色暗淡的靜脈血被放出來的時候,他就認為毒素被帶出來了,病就好了。雖然他的做法極為荒唐,但那個時代的歐洲都流行如此。就有那麼一次,他作為醫生隨著一個船隊(可能是殖民者船隊)到印度尼西亞,結果船員水土不服,得病的很多。那麼邁爾就依照老辦法,給船員放血。結果他就發現,在這裡給船員們放出的靜脈血顏色是鮮紅的,不像以前是暗紅的,這個現象引起了邁爾的思考:德國處於溫帶,天氣比較冷,因此需要大量的氧氣參與氧化獲得更多的能量。而印度尼西亞處於赤道附近,終年炎熱,因此就人體就不需要那麼多的氧氣來維持體溫了,所以靜脈血顯得鮮紅起來。那麼,維持人體熱量,主要靠什麼?靠食物。因此,是食物和氧氣反應產生的熱量。食物又從哪來?動物、植物,但最終是植物。那麼植物的能量呢?由於光合作用,靠著太陽的光而產生……

於是,邁爾就越想越多,越想越深。他就意識到,生物體內的能量的輸出和輸入之間也存在著一個平衡。因此,他就力求從邏輯上來證明能量是守恆的。他甚至已經論述到了熱功當量。但是,由於邁爾沒有什麼科學建樹,他的論文中把能量稱為「力」,因此文章中邏輯混亂,並且充斥著各種自相矛盾的內容,因此大家都不能理解和接受他。但是,邁爾還在不斷地想盡一切辦法發表演說,推銷他的觀點,以至於大家都認為他瘋了,並且把他送進了瘋人院。

德國物理學家赫姆霍茲

而相比邁爾,赫姆霍茲就不同了。同毫無科學素養的邁爾不同,赫姆霍茲是一位醫學博士,並且在物理學和生物學上都有建樹。赫爾姆斯就進行力學研究的綜述。最終,他在論文中指出,「熱」不是粒子,而是能量運動的一種形式。最終,結合焦耳的研究,大家普遍接受了「能量守恆定律」,邁爾也終於在瘋人院被折磨長達八年之後重新被人承認,並獲自由。

綜上所述,「能量守恆定律」的提出有一個非常關鍵的難點,那就是對「熱」的理解。這個「熱」的概念不被正確理解,就無法形成物理學中各種能量形式的最終統一,也就無法建立正確的「能量守能定律」,也就是「熱力學第一定律」。準確的說,熱力學第一定律是克勞修斯最終完美地補充並且終結的,熱力學第一定律也明確地告訴人們,能量既不會認為製造,也不會憑空消失。它可以以不同形式在物質中傳遞、轉移。基於此,不需補給能量的永遠做功的「永動機」是無法製造出來的。

但是,這裡就留有一個問題。那就是,既然「熱」也是一種能量,那麼好——能不能把一個物質中的「熱」全部釋放出來,從而變成我們可用的光、電等能量?如果能夠這樣做,就可以把物質中的「內能」全部拿出來。不需要多——只需要把地球上的海水的溫度降低1度,那就可以把地球上所有的電燈點亮,幾百萬年都不會滅。人們會做到嗎?

敬請關注,下期筆者繼續推出相關話題——令人恐懼的熱力學第二定律。

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