质疑、实验与批判

物理热学之路一--热量的来源与运动

本杰明•汤姆逊（1753—1814）生于美国的马萨诸塞州的北沃本恩。后人称他为伦福德伯爵。他从小没有受过什么教育，13岁开始在一家小店当学徒，因自制焰火而发生爆炸，险些丧命。独立战争时他站在英国王室一边反对美国独立，所以战争过后在美国呆不下去，只好背井离乡，随英军来到英国，1783年又转到德国，在巴伐利亚选帝侯手下任要职。1790年受封为伦福德伯爵。

1798年，伦福德在慕尼黑一家兵工厂监督生产大炮镗孔工作，一个偶然机会，他发现，被刮削加工的黄铜炮身在短时间内就变得很热，而被刀具刮下来的铜屑温度更高，超过了沸点，他将这个现象和热质说联系起来思考。

热质说，来自于热与光的对比。当时人们认为，光是一种物质微粒，那么热也应该是一种物质，物质发生出来的热量都是来自于物质内部所包含的热质。热质说在18世纪一直支配着物理学界的热学，因为它能圆满地解释热量守恒定律以及比热和潜热概念相关的实验，尽管人们还不能肯定热质是否像其他物质一样拥有质量。

可是伦福德眼前的现象却引起了他的思考，从青铜中跑出来的热质太多了，全部加起来甚至可以将青铜本身熔化。很明显，这么多的热量无法像热质说所设想的那样可以包含在青铜炮身之内。这说明热质说是有问题的。

伦福德进一步观察又发现，有时刀具很钝，无法切削下铜屑，可是它照样有很多的热量流出，只要不停地钻磨，热量就可以源源不断地流出来，这个现象是热质说无论如何也不能解释的。

1799年，伦福德回到英国并创办了皇家学院。摩擦生热的实验使他得出了热是一种运动的结论。他在《哲学学报》上发表文章说：“任何绝热物体或物体系统所能无限提供的东西，不可能是一种物质。据我看来，要想对这些实验中的既能激发又能传布热的东西，形成的明确概念，即使不是绝无可能，也是极其困难的事情，除非那东西就是运动。”这是“热之唯动说”的最早的声音。

伦福德的看法引起来新创办的皇家学院任教的戴维（1778--1829）的兴趣。戴维当时只有21岁，但已经显现出了杰出的实验才能，他精心地设计了一个更有说服力的实验，来证实伦福德的观点。他在一个绝热的装置里，让两块冰相互摩擦，结果两块冰都融化了。

伦福德和戴维的实验只是指出了热质说的不合理，却并没有证明热质的不存在，也没有提出一套新的建设性的理论来取代热质说，来解释热质说不能解释的现象。由于当时光的波动说，影响很大，光和热的类比就很容易使人相信如果光是一种物质微粒，热肯定也是一种物质。这对热之唯动说是一个极大的障碍。

法国工程师卡诺（1796—1832）为了提高蒸汽机的热效率，他还是以热质说为依据，构造了一台理想热机，由一个高温热源和低温热源组成，以实现理想循环工作的热机。1824年卡诺出版了生前发表的唯一的一本著作《关于火的动力思考》。他认为，所有的热机之所以能够做功就是因为热质由高温流向了低温。他证明了理想热机的热效率与高低温热源之差成正比，而与循环过程中的温度变化无关。他认为，热机在两个热源之间做功，就相当于水由高处落下做功一样，可以把热的动力与一个瀑布的动力相比。瀑布的动力依赖于它的高度和水量；热的动力依赖于所用的热质的量和热质的下落高度，即交换热质的物体之间的温差。

卡诺的根据是错误的，还是以热质说为依据，但他的结论却是正确的。后来他也意识到将热机与水车类比是不确切的。从1830年起，卡诺抛弃了热质说而转向热之唯动说，并且得出了能量守恒原理。他在笔记中写道：“热不是别的什么东西，而是动力（能量），或者可以说，它是改变了形态的运动，……在自然界中存在的动力，在量上是不变的。准确地说，它既不会创生，也不会消灭；实际上，他只改变了它的形式。”他还在手稿中计算了热功当量。

由于突然染上霍乱，卡诺于1832年去世，他的手稿于1878年才由他的弟弟发现并整理发表。尽管当时卡诺的工作没有引起注意，而法国的另一位工程师克拉佩龙（1799--1864）在此基础上继续努力，才使物理学界关注热力学的这一重大发现。