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王诗卉

勋望小学北校区科学老师

 
 
 

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【物理原理】热是什么?  

2016-12-09 11:02:07|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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人们很早就注意到了摩擦生热,但是热是什么?为什么会产生热?人们很久也没有弄清楚,历史上对此还有过长期的争论。


从史前时期直到18世纪初,虽然人们对热现象的本质进行过许多探索,但由于掌握的知识不够丰富,方法不够科学,因而对热的本质认识只是一些设想。其中以古希腊时期产生过的两种不同看法为代表。一种是大约公元前500年赫拉克利特(535 B.C.~475 B.C.)提出的,把火、土、气、水当作自然界的四种独立元素的四元素说,认为自然界的一切物质都由这四种元素组成。这种看法同中国古代的五行说相似。五行说认为万事万物的根本是金、木、水、火、土五种元素。另一种是柏拉图根据摩擦生热现象提出的,认为火是一种运动的表现形式。

金、木、水、火、土五种元素


在欧洲,人们探索自然界的热情在文艺复兴后重新兴起。古希腊原子论者猜想热是一种特殊的、不可直接察觉的物质:当不同温度的物体接触时,温度总要趋于相同,这种现象被解释为一种物质从高温物体流向低温物体。不过,英国的F·培根(1561 A.D.~1626 A.D.)、伽利略和玻意耳等人则认为热的流体理论是不可信的,他们试图把热解释为受热物体的微粒的机械振动。


不过,整个17世纪和18世纪初叶,无论是热的流体说,还是热的运动说,都因缺乏实验基础而未能牢固建立起来。1741年,华伦海特改良了温度计并定出华氏温标,建立起测温学;1756年,英国的布莱克(1728 A.D.~1799 A.D.)及其学生欧文提出比热和潜热概念,奠定了量热学的基础,从此,热学走上了实验科学的道路。人们对不同温度物体混合在一起进行量热实验时,发现热量守恒。若联想到当时已被公认的质量守恒,自然会想到热是某种热物质,这使热流体观点占了上风。


从18世纪60年代起,布莱克等人提出了热质说。热质说将热看成一种没有质量的能流动的特殊物质叫热质,它不生不灭,存在于一切物体之中。含有热质多的物体温度高,含有热质少的物体温度低。热质说能很好地解释热传递、热膨胀和量热学的一些实验结果。于是,自18世纪80年代起,几乎在整个欧洲, 热质说占了统治地位。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容降低了,因此摩擦可以使物体的温度升高。正是这一解释使反对者抓住了把柄。


1798年,英国学者伦福德(1753 A.D.~1814 A.D.)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。他怀疑金属屑具有极高温度不是由于比热容降低造成的。伦福德在他的笔记中写道,由摩擦所生的热,来源似乎是无穷无尽的,要用热质说解释摩擦生热现象,钻下的金属屑的比热容要改变很大才行。于是他设计并做了一系列实验,发现钻下的金属屑的比热容在摩擦时并没有降低。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。


次年,英国的戴维(1778 A.D.~1829 A.D.)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容的降低而放热,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。


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从1840年起花了近40年时间,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。人们认识到:宏观的热现象原来是物体内部大量分子的无规则运动的表现,物体内部的能量就是内能。热量不是表示物质所含“热质”的多少,而是表示在热传递过程中传递的能量的多少。


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