什么是热的本质

人类在生活和生产中最早接触到的自然现象之一就是热现象。热究竟是什么，历史上对此有过长期的争论。

历史的回顾

人类在史前时期就使用火。中国北京周口店和山西芮城西侯度旧石器时代遗址中，先后发现50万年和180万年以前的用火遗迹;公元前7000～前6000年，中国仰韶文化时期就已有陶窖及手制、模制的陶器；上古时期的各种铜器、铁器都显示了古代人类不仅利用火取暖、加热食物，还能用以制造简单的工具。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、土五种气。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。

18世纪初到19世纪中叶，蒸汽机的出现和广泛使用促进了工业迅速发展。人们为进一步提高热机效率（见热力学第二定律），对物质的热性质作了深入研究，从而推动了热学实验的发展。18世纪初建立了系统的测温学和量热学。从此，对热现象的研究走上了实验科学的道路。为了定量地解释实验结果，一些学者根据片面的实验事实，将古希腊火元素学说发展成为热质说，认为热是一种没有质量的流质，叫热质，它不生不灭，可透入一切物质之中，一个物质是冷还是热就看它所含的热质多少。热质说能够解释有关热传导和量热学的一些实验结果，但它把热现象孤立起来，因而不能解释摩擦生热、撞击生热等现象。尽管热质说这一错误学说曾流行一时，但它并没有得到科学界的一致承认。

与热质说相对立，一些科学家认为热不是一种流质，而是物质运动的一种表现。М.Β.罗蒙诺索夫在《论热与冷的原因》(1744～1747)这篇论文中断言：热是分子运动的表现。他还肯定了运动守恒原理在分子运动中的正确性，建立了现代分子运动论的许多基本概念。并指出温度是分子运动强度的量度。由于当时热质说占统治地位，罗蒙诺索夫的工作没有受到重视。1798年朗福德把一个炮筒固定在水中，用马拖动钝钻使其与炮筒内壁摩擦，基本上没有钻下铁屑，但能使大量的水沸腾。这个实验说明：热只能是物质的一种运动。1799年H.戴维又以两块冰摩擦而使之完全熔化的事实支持热是物质运动的学说。但朗福德和戴维没有找出热量同机械功之间的数量关系。他们的实验事实沉重打击了热质说，但未能彻底推翻它。1842年德国医生J.R.迈尔的论文提出能量守恒的学说，他认为热是一种能量，能够和机械能互相转换。此后，19世纪中叶J.P.焦耳前后用了几十年的时间做了许多实验，测定热功当量，得到了完全一致的结果，从而给能量守恒和转换定律奠定了坚实基础（见焦耳热功当量实验）。在能量守恒定律被科学界公认是自然界的普遍规律之后，热质说才最终被彻底推翻，关于热的本质的争论也宣告结束。

热的本质

热是物质运动的一种表现，具体地说是构成物质系统的大量微观粒子无规则混乱运动的宏观表现。就系统的单个粒子而言，其运动是无规则的，具有极大的偶然性；但系统总体所表现的宏观性质是整个粒子系的集体行为，存在着确定的规律性，这是物质的热运动区别于其他运动形式的基本特征。实践证明，物质的热运动和其他运动形式之间可以相互转换，但在转换过程中各种运动形式在量上必须守恒。反映热运动形式同其他运动形式转换中守恒的量不是什么“热质”，而是同机械能、电磁能等相应的热运动形式的能量，此能量决定于系统内部分子的特征以及热运动状态，因而称之为内能。如果能量的转换或传递过程通过传热方式实现，传递着的能量则称之为热量。所以热量不是什么“热质”，而是由于系统与外界间或系统各部分间存在温度差而发生传热时被传递的能量。