永动机与热质说探究-通识物理

“热”是人类最早发现的一种自然力，是地球上一切生命的起源，而火的发明和应用，则是人类第一次支配了“热”这种自然力量，并因此极大地推动了人类文明的进步。“热学”则起源于人们对冷热现象的探索，但“热学”作为一门独立的物理学分支，其创建还与当时人们的两个不切实际的臆想有关，这两个臆想就是“永动机”和“热质说”。

永动机的想法首先起源于印度，并在大约13 世纪前后，经由中东地区传入欧洲。在很长一段时间里，许多人都试图制造这种“不需要消耗任何能量就可以永远做功”的机器，这种机器在历史上被称为“第一类永动机”。然而，这些永动机无论设计得多么巧妙，都不能真正地永动下去，它们要么最终停止，要么实际上还是需要给予动力或者消耗能量。就这样，无数的努力都失败了，许多“天才”的发明在实践中都被证明是不可行的，有的甚至就是骗局。就如民谚中说的那样：“既要马儿跑得快，又不给马儿吃草”，这怎么可能？道理谁都懂得，但是当时的人们还是存有幻想。不过，永动机开发的持续失败，还是启发人们开始思考“做功（马儿跑）”与“能量（草）”之间的内在联系。

图6.1　热质说(www.xing528.com)

另一方面，从很早的时候开始，人们根据在日常生活中的直观感受和经验，将“热”臆想成一种叫作“热质”（Caloric）的特殊物质，并认为热质是一种自相排斥的、无质量的流质。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。如图6.1 所示，较热的物体含有较多的热质，冷热不同的两个物体相互接触时，热质便从较热的物体自动扩散进入较冷的物体，直到两者的温度相同为止。一个物体所减少的热质，恰好等于另一物体所增加的热质。从我们的生活经验看，这个观点很好理解，也可以解释很多常见的物理现象。比如，在寒冷的冬天，我们用双手握着一个滚烫的水杯，水杯上富含的“热质”就会自动传递到我们较冷的手上，而手则因为获得“热质”这种物质而温度上升；相应地，水则因为损失“热质”而温度降低。1772年，著名化学家拉瓦锡通过实验验证了“热质”在不同温度物体间的转移，“热质说”由此开始盛行开来。与此同时，拉瓦锡还在《化学基础》一书中，首次将“热质”列在基本物质之中，而热质的单位卡路里（Calorie）也最早起源于热质（Caloric）。在拉瓦锡观点的启发下，甚至还有学者据此提出“冷”也是一种物质，即“冷质”。当然，在“热质说”的发展过程中，也有学者透过“摩擦生热”等现象发现“热”与运动有关，这启发人们开始思考“热”与“功”的本质及其转换关系。

虽然永动机和热质说都是人类对自然界冷热现象的错误认识，但正是对这两个错误的深入研究，使人们逐渐意识到“能、功、热”三者间具有相同的本质，而且“能、功、热”可以相互转化，这些发现使人类终于理解了冷热现象的本质，并最终建立了“热学”。