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质疑、实验与批判 ????????★★★
质疑、实验与批判
作者:teacherli 文章来源:本站原创 点击数:3822 更新时间:2007-12-29 11:38:32

质疑、实验与批判

物理热学之路一--热量的来源与运动

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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着作《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。

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