热是一种自相排斥的无重量流质-探究的历程

17世纪以后，多数人根据摩擦生热的现象，认为热是一种特殊的运动形式，不少物理学家都相信这一点。但是这种看法由于缺乏精确的实验根据，还不能形成科学的理论。

到了18世纪，对热的研究走上了实验科学的道路。把热看成是一种特殊物质的热质说，由于能够解释某些实验结果，因而在当时获得了承认。热质说将热看成一种没有质量或不可称量的流质——热质，它不生不灭，存在于一切物体之中。物体的冷热程度，决定于其中所含热质的多少。热质说对摩擦生热的解释是，摩擦并没有改变热质的总量，但物质在摩擦时比热降低了，因此摩擦可以使物体的温度升高。

资料：热质说（caloric theory）是指在18世纪被科学界用于解释关于燃烧和热现象的一种理论，认为热的传递是由于热质（假想的无重量流体）的流动。

古代人将光焰、火和热三者模糊地等同看待。古希腊的四元素（水、土、气、火）中，“火”是其中一种物质元素。古代中国的五行说（金、木、水、火、土）亦将“火”列为其一。古代也有少数智者认为热是一种运动。《庄子·外物篇》和《淮南子·原道训》都认为，发热燃烧是由摩擦运动所产生的，所谓“木与木相摩则燃”。英国F·培根、R·玻意耳和牛顿等人也曾经从经验事实中得到热是微细粒子的扰动或振动的结果。

热质说是历史上关于热的本质的一种错误理论。这个学说认为热是一种自相排斥的、无重量的流质，称作热质或热素。它不生不灭，可透入一切物体之中。一个物体是“热”还是“冷”，由它所含热质的多少决定。较热的物体含有较多的热质，冷热不同的两个物体接触时，热质便从较热的物体排入较冷的物体，直到两者的温度相同时为止。一个物体所减少的热质，恰好等于另一物体所增加的热质。

在近代，热质说受到伽桑狄的支持，他曾经是巴黎皇家学院的数学教授。虽然是一个有才能的人，但在物理学上，其工作与其说是实验性的，还不如说是思辨性的。直到18世纪，热质说在物理学界一直占着统治地位，拉瓦锡和拉普拉斯等人认为，热是由渗透到物体当中的所谓“热质”构成的；拉瓦锡甚至把“热质”列入化学元素表中，热质被看作是一种不可称量的“无重流体”，其粒子彼此排斥而为普通物体的粒子所吸引。

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，有些科学家认为冷也是一种物质，不过普瑞弗斯特认为冷只是一个缺乏热的现象而已。

热质说之所以被当时多数人认同是因为它可以成功地解释许多物理现象。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、物体不同温度下的变化，甚至大部分的气体定律。

1798年，英国学者伦福德在从事枪炮制造时，发现钻孔钻下的金属屑具有极高的温度，用水来冷却时，甚至可以使水沸腾。为了弄清热的来源，1796～1797年，他做了一系列的炮筒钻孔实验。他精心设计了一套仪器，以保证在绝热条件下进行钻孔实验。发现只要钻孔不停，就会不断地产生出热，好像物体里含有的热是取之不尽的。有人认为这是由于铜屑比铜炮身比热大，铜屑脱落时把“热质”给了炮身。伦福德又认真测定了比热，证明钻孔前后金属与碎屑比热没有改变。他曾用数匹马带动一个钝钻头钻炮筒（这样钻下的金属屑很少），并把炮筒浸在18.75磅，温度为60F的水中，发现经过1小时，水温升高了47F，两个半小时后，水就沸腾了，在场的人无不感到惊异。伦福德看到不用火烧水就会沸腾时，也感到十分兴奋；伦福德将实验总结后，于1798年1月25日发表了题为《论摩擦激起的热源》的论文，指出：摩擦产生的热是无穷尽的，与外部绝热的物体不可能无穷尽地提供热物质。根据实验结果，伦福德断言热质说不足为信，应当把热看成是一种运动形式。热质说的统治地位开始动摇了。(www.xing528.com)

1799年，英国的戴维做了更加严格的实验。他在零摄氏度以下的露天里，在抽成真空的玻璃罩内，使金属轮子和盘在钟表装置的带动下相互摩擦，结果使金属盘上的蜡熔化了。在这个实验中，热不可能是由周围物体传递给蜡的，而且伦福德的实验已经证明，金属也不会由于比热的降低而放热，那就只能是由于摩擦生热使蜡粒子的运动加快了。戴维的实验有力地打击了热质说。同年，戴维在《论热、光和光的复合》论文中，描述了一个实验：在一个同周围环境隔离开来的真空容器里，两块冰互相摩擦熔解为水，而水的比热比冰还高。在这里，“热质守恒”的关系不成立了。戴维由此断言，热质是不存在的。伦福德和戴维的实验彻底摧毁了热质说。

此后，科学家进一步研究了热和做功的关系，特别是英国科学家焦耳做了大量实验，定量地研究了热和功的关系，证明做了多少机械功，就有多少机械能转化成热这种形式的能量。焦耳的工作，表明热不是一种特殊的物质，同时为能量守恒定律奠定了基础。能量守恒定律的建立，彻底否定了热质说，同时为分子运动论的发展开辟了道路。经过科学家的长期研究，关于热是一种运动形式的设想终于成为公认的真理。

资料：在19世纪40年代，“热质说”风行一时，焦耳认为热质并不存在，热是能的一种形式。焦耳从1840年起，持续几十年时间，用电量热法和机械量热法，做了大量实验，得出结论：热功当量是一个普适常数，同做功方式无关。从而证明了机械能（功）和电能（功）同热量之间的转换关系；论证了传热是能量传递的一种形式；为确认能量守恒和转换定律的正确性打下了坚实的实验基础。1840年，焦耳发现，导体内通以稳定电流后，产生的热量Q同电流强度I的二次方、导线电阻R及通电的时间t成正比，即同电流所做的功W成正比。W=JQ中，比例系数J表示产生1卡热量所需做的功，称热功当量。其实验装置之一如图1所示：容器由绝热壁构成，电流做功使水的内能增加，从而水温升高。用温度计可测出温差ΔT。使用简单定义的使1g水温度升高1℃所需热量作为量热单位（卡），则水的比热容为c=1cal/（g·℃），当知道水的质量m后，即可由Q=cmΔT确定所传递的热量同电流所做的功W间的关系式（W=JQ），并定出热功当量J。这种测量热功当量的方法叫电量热法。

焦耳还用机械量热法来测定热功当量。图2是1845年他使用的实验装置的示意图。重砝码缓慢匀速下降，带动轮轴和转轴使翼轮搅拌水，功转变为热，使水温升高。由温度计测出搅拌前后水的温差而算出热量Q。转变为热能的机械功W可由砝码下降的距离算出。由W=JQ公式又可测定热功当量。焦耳测定热功当量的实验是在英国曼彻斯特进行的，其结果是使1磅水升高1华氏度需做功772英尺磅，这相当于1卡=4.157J。