什么是“冷热”？什么是能量

 自然界的第一定律(续1)

三、再说冷热

什么是“冷热”？

冰块是冷的，炭火是热的，冷与热，就是人们的一种感觉。冷是相对于热而言的，冷与热属于同一个性质的概念，仅仅是程度上的差别而已，因此只要讨论热就可以了。

那么，什么是“热”呢？

在自然现象中，“热”是一个很重要的概念，因为大量的现象都涉及到“热”。但是，热究竟是什么，却是长期以来都很难说清楚的事，为此，人们争论了几个世纪。

对物理学的发展较有影响的是16、17世纪人们对热的两种看法。

一种是“运动说”，认为热就是物体内各部分之间发生的杂乱的运动，正是这些运动才使得物体发热；一种是“热质说”，认为热是一种没有重量，但相互排斥、可以流动的非常微妙的粒子，人们称之为热质。它不能被创造，也不能被毁灭，但可以渗透到所有的空间，并能在任何物体中流进流出。

   “运动说”在当时缺乏实验事实的支持，对于有些现象的解释也出现了困难。“热质说”却能简单地解释当时发现的大部分热现象：比如温度的变化，热质流进某物，此物就热了起来，流出某物，此物就变冷了；热传导就是热质的流动；热辐射是热质的传播；受热膨胀是由于是热质粒子间的相互排斥；摩擦生热是热质粒子由于摩擦受到挤压而流了出来；等等。“热质说”成了18世纪到19世纪初的主流观点。

然而，在18世纪末，“热质说”遭遇了严重的挑战。

1798年，美国物理学家本杰明·汤姆逊（1752—1814，又称伦福德伯爵）在德国从事大炮的研制工作，他在进行炮膛钻孔时，由于钻头与炮筒的不断摩擦而出现了大量的热，而且粗钝的钻头比锋利的钻头产生的热要多。他想，这大量的热是从哪儿来的呢？

他又把钻头和炮筒都沉浸在一个蓄水池里，用一个很钝的钻头钻孔，虽然钻孔的进度很慢，但蓄水池中水竟然沸腾了。待水冷却后再钻，水又沸腾。反复实验让他得到一个看法，不是什么热质流进炮筒，使其升温，完全是钻头与炮筒的摩擦而产生的热，热不是什么流动的物质，“热”只能是一种运动，是由于钻头对炮筒的摩擦使得组成炮筒微粒出现的运动。

如果伦福德的这种看法是正确的，那也给当时的物理界带来了问题：组成炮筒的微粒真的由于摩擦“动”起来了吗？如果真是钻头对炮筒的摩擦使微粒“动”起来了，则摩擦与微粒的“动”之间是什么关系呢？如果真是微粒动起来就表现为热，那么，热究竟是什么？

当时还没有人能回答这些问题，后来人们才发现，这些问题的解决，要等待一个普遍的理论的出现，而当时要回答这些问题为时还早。

四、对能量认识的几个阶梯

解决上述问题的核心是围绕对能量的认识与理解。

我们已知道，能量具有多种形式，通过做功相互之间又能传输与转换，其中会遵循什么样的规律呢？在自然科学的发展进程中，人们逐步地对这些问题有了正确的认识。

这一过程可以从几个阶段作一个概述。

首先是从机械运动中获得的启发。

能量概念雏形，能量守恒最初的思想，是在17世纪近代自然科学发展的初期就出现了，最先是在力学中提出来的。

伽利略（1564-1642）在观测摆的运动中，看到下落时摆的速率变大，高度变小；上升时摆的速率变小，高度变大，而摆能上升的最大高度却几乎不变，这表明摆在运动过程中应当有一个量是不变的。这可以看作是最早的机械能守恒。

荷兰的物理家惠更斯（1629--1695）通过对几个小球之间进行完全弹性碰撞的研究，发现参与碰撞的各个小球，把它们在碰撞前后的质量与速度平方的乘积都加起来是一个不变的量。这实际上是找到了弹性碰撞中的系统的动能是守恒的。

与牛顿同时代的科学家莱布尼茨（1646--1716）在机械运动中引入“活力”（即mv2）的概念，并把它作为运动的量度，他指出力与路程的乘积正比于“活力”，这里隐含了功的概念和动能定理。

物理学家伯努利（1667—1748）指出，在某些情况下的运动物体，当活力消失时，做功的本领并不消失，是活力变成了另外形式的做功本领。这实际上就是说机械运动中的机械能守恒，动能和势能之和不变，两种能量在运动中相互转换。

以上这些虽然不是机械能守恒定律的明确表述，但是为后人建立机械能守恒定律奠定了基础。

其次，功与能量概念的提出。

伽利略文献中使用“矩”的概念，含有力与路程乘积的意义，应当是“功”概念的雏形。莱布尼茨认为落体的重量与高度的乘积（即mgh），与作为运动量度的活力（即mv2）具有等价性，这实际上是隐含着机械能之间可以转换的思想。

在1834到1835年间，英国物理学家哈密顿（在拉普拉斯妖的随笔中有重点介绍），在他写的《论动力学的一般方法》的文献中，提出了哈密顿原理，在运用这个原理中，要建立研究对象的哈密顿函数，如果粒子受到的力仅与它在空间的位置相关（即保守力），那么这个哈密顿函数就是系统的机械能之和，这个量在研究对象的运动过程中是一个不变的量。

再其次，各种自然现象之间的普遍联系被人们发现。

到了18世纪末和19世纪初，各种自然现象之间的普遍联系，也相继被人们发现。

法国的拉瓦锡（1743--1799），就是在《原子随笔之四》中提到的在法国大革命掉了脑袋的那一位大化学家。他证明了动物发出的热量和动物呼出的二氧化碳气之比，仿佛是一支燃烧的腊烛，其热量的消耗形式与腊烛的燃烧是相似的。德国化学家李比希（1803—1873）则提出动物躯体的散热的能量与它的进行各种活动的能量，都是来自于食物的化学能。这里提出了化学能、热能与机械能之间的相互转换。

在电磁方面。1821年，德国物理学家塞贝克（1770—1831）用两种不同的金属构成一个闭合回路，在两个接头处加热形成温差，回路中就会出现电流，这是所谓的温差电的现象。这是一个直接由热能转化为电能的过程。到了1844年，楞次发表了他研究电流的热效应的成果，电流放出的热能与电流强度的平方、导线的电阻和通电时间成正比，这就是今天我们所知道的焦耳—楞次定律，这是电能转化为热能的一条定律。

如此看来，到19世纪40年代，从物理学与其他学科所取得的成就，为普遍的能量守恒定律的出现做了一定准备，而这个定律的最后确立，是由迈耶、焦耳和亥姆霍茨来完成的。