什么是热质说与运动说？ 热的科学定义是什么？ 热源是什么 ？ （科学的物理解释）

热学是研究物质处于热状态时的有关性质和规律的物理学分支，它起源于人类对冷热现象的探索。人类生存在季节交替、气候变幻的自然界中，冷热现象是他们最早观察和认识的自然现象之一。

人类在原始时代就学会用火，接触到了热现象。关于热是什么的问题，很早就成为人们探讨的对象，并形成两种截然相反的见解。一种见解是把热看成自然界的特殊物质。我国殷朝时期形成的“五行说”，把热（火）看做和金、木、水、土一样的东西，是构成宇宙万物的物质元素。在古希腊产生的物质元素论中，也把热（火）看做是一种独立的物质元素，赫拉克利特认为，世界就是火。

人类探索热学之路另一种见解是把热看成物质粒子运动的表现，我国古代朴素唯物主义思想家提出的“元气论”，就认为热（火）是物质元气聚散变化的表现。在古希腊和古罗马，也有一些学者，特别是原子论者，把冷热看成物质微粒（原子）在虚空中运动的一种表现。卢克莱修就曾经说过，运动可以使一切东西都变得很热，甚至燃烧起来。

不过，在科学不发达的古代，这两种见解都只是直觉的猜测。在漫长的中世纪，热学几乎毫无进展。直到17世纪以后，一些著名科学家根据摩擦生热的现象，恢复了古人关于热是物质粒子的特殊运动的猜测，比如，英国的培根就曾说过，热是一种运动。法国的笛卡尔更把热看成物质粒子的一种旋转运动。当时，牛顿、胡克、罗蒙诺索夫等人都相信和支持热是运动的观点。但是由于没有充分可靠的实验依据，这种正确的观点还没有形成系统的理论，更没有赢得学术界的普遍承认。

到了18世纪，人们对热的本质的认识，奇怪地走上了一条弯曲的道路，复活了古人把热看成特殊物质的错误猜测。英国的布拉克提出了系统的“热质说”，又叫做“热素说”。他认为热是一种看不见、没有重量的流质，叫做热质。热质可以渗透在一切物体之中，物体的冷热取决于它所含热质的多少。热质可以从比较热的物体流到比较冷的物体，就像水从高处流向低处一样。自然界存在的热质数量是一定的，它既不能创造，也不会消灭。热质说能够顺利地解释许多人所共知的热现象。比如，说物体受热膨胀是热质流入物体的结果，热传导是热质的流动，对流是载有热质的物质的流动，太阳光经过凸透镜聚焦生热是热质集中的结果等。因此它压倒了热是运动的观点，获得了广泛的承认。

1714年，华伦海特改良水银温度计，定出华氏温标，建立了温度测量的一个共同的标准，使热学走上了实验科学的道路。

1789年，法国的拉瓦锡把热列入他的化学元素表里，用T表示，属于气体元素类。物理学中常用的热量概念和它的单位卡路里（简称卡），也是在热质说的基础上建立的。当时，热量就表示热质的多少。

热质说取得胜利，成为热学的正统理论后，仍旧不时受到一些新的实验事实的冲击。比如在冰溶解成水和水沸腾变成蒸汽的过程中，只吸收热量，温度并不升高的事实，就向热质说提出挑战，按照热质说，物质含的热质越多，温度应该越高。给冰加热，就是把热质注入冰里去，所以冰的温度应该逐渐升高。然而冰溶解的时候，尽管每1千克冰吸收了80千卡（1千卡≈4.18千焦）热，但冰的温度没有升高，同样，水沸腾的时候，每1千克水虽然吸收了539千卡的热，水的温度也没有升高，冰或者水吸收的热质跑到哪里去了呢？还是布拉克提出了一种“巧妙”的解释，说这些热质“束缚”到物质内部去了，或者说“潜伏”起来了。他把这部分热质叫做“潜热”。虽然这种解释不能叫人满意，但是也能搪塞过去。就这样，热质说在热学中称雄了近100年。

热质说究竟是不是真理呢？只有科学实验才能做出权威的判断。1798年，从美国移居欧洲的科学家汤姆逊（后来被封为伦福德伯爵）在用钻头钻炮筒的时候发现，钻头、炮筒和铁屑的温度都升高了，而且产生的热量和钻磨量或多或少成反比。他发现，钝钻头比锐利的钻头能够给出更多的热，但是切削反而少了。这和热质说的观点是矛盾的。根据热质说，锐利的钻头应当更有效地磨削炮筒的金属，放出更多的和金属结合的热质。伦福德还用一只几乎不能切削的钝钻头，在2小时45分钟里使大约8千克的水达到了沸点。实验使伦福德得到了“热是由运动产生的，它绝不是一种物质”的正确结论。

热质说的维护者人多势众，对伦福德的发现进行了种种刁难和歪曲，讥笑他违反“常识”。他们说，钻炮时候的热是其他化学变化产生出来的。伦福德经过仔细检查，没有发现在钻孔过程中有任何东西发生了化学变化。热质说的维护者们又声称，热是由于钻头把组成炮筒的金属中的“潜热”钻出来了。伦福德又经过反复检验，没有发现金属发生了从液态到固态或者从气态到液态的转变。因此“钻出了潜热”的说法纯属胡扯。极力维护热质说的人又说这是由于金属的比热发生了变化。在激烈的唇枪舌剑中，虽然热质说理屈词穷，但仍不甘失败，最后宣称热是由“外面的热质跑进来的”，千方百计把新发现纳入自己的框框。

为了驳倒热质说，1799年，戴维做了冰的摩擦实验。他在真空中用一只钟表机件使两块冰相互摩擦，整个实验仪器的温度正好是冰的冰点温度。实验结果，两块冰在摩擦的地方不断溶解成水。大家知道，水的比热比冰的比热还要大。这个实验驳倒了“外面的热质跑进来的”谬论，也证明了所谓热质不生不灭的守恒定律是错误的。根据确凿的实验事实，戴维大胆否定了热质的存在，认为热是一种特殊的运动，可能是各个物体的许多粒子的一种振动。

做功能够产生热，消耗热也能做功，功和热之间有没有确定的关系呢？为了寻找这个关系，就是测定所谓热功当量，英国酿酒匠出身的物理学家焦耳，从22岁开始，花了近40年时间，一共做了400多次实验，他历尽艰难，遭受过压制，终于创建了辉煌业绩。

在19世纪40年代头几年，默默无闻的焦耳埋头实验，用不同的方法初步测出了热和功之间的数量关系，指出只要做了一定数量的机械功，总能得到和这个功相应的热。这个引人注目的发现，在科学界引起轰动，有的赞同，但更多的是遭到怀疑和反对，甚至无理地拒绝他在皇家学会宣读实验论文。焦耳不畏困难，决心继续实验，用更精确的实验来驳倒反对派。1847年，他精心设计了一个迄今认为是最好的实验，就是在下降重物的作用下，使转动着的叶片和水发生摩擦而产生热。焦耳坚信，自己的实验结论是正确的。在这一年6月举行的英国学术会议上，焦耳要求宣读论文，又遭到阻拦，他费了一番口舌，才被同意做简要介绍。然而，他的介绍遭到信奉热质说的科学权威的强烈反对，连法拉第也表示怀疑。

直到19世纪50年代，由于其他国家的科学家从不同角度也得出了热功当量的数量，焦耳的成就才得到普遍承认，他本人也被选为英国皇家学会会员。1878年，年已花甲的焦耳对热功当量做了最后一次测定，得到的结果是423.9千克米/千卡，和30年前的测定结果相差极小。为了纪念他，人们用他名字的第一个大写字母 J来表示热功当量：1J=427千克米/千卡。意思是，1千卡的热量和427千克米的功相当，假如功用焦耳作单位，热量用卡作单位，J=4.18焦/卡。

热功当量的测得，标志着热质说被彻底摧毁，热的运动说取得完全胜利，也导致了自然界的一条普遍规律——能量守恒和转化定律的建立。通过长期反复较量，在实践中经受了考验的热的运动说终于赢得了胜利。

热的运动说指出，热量是物质运动的一种表现。它的本质就是物质内部大量实物粒子——分子、原子、电子等的杂乱无规则运动。这种热运动越剧烈，由这些粒子组成的物体就越热，它的温度也越高。物质的运动总是和能量联系在一起的。实物粒子的热运动所具有的能量，叫做热能。热运动越剧烈，它所具有的热能也越大。所以，温度其实就是无数粒子的热运动平均能量的量度。19世纪中叶以后，热学的理论和实践都取得了突飞猛进的发展。

否定了热质说,确立了热的运动学说的是谁?~

伦福德,通过炮膛实验，但是错误的猜想

地球上到处存在着温差，如冬、夏季节温差，昼夜温差，土地与大气温差，物体的阴面与阳面温差，房屋的内外温差等。温差会产生热量传递与交换，这就产生了热能。就象自然界中的水，只有出现了较大的落差时，才能产生流速，带动发电机产生能量，“热”也是如此，只有产生较大的温差，才能推动热机做功。热是什么？自古以来就有不同的看法。十六世纪以后，热的本质的问题又引起了科学家和研究人员的注意。

“热”是一种运动？？
培根从摩擦生热等现象中得出“热是一种膨胀的、被约束的而在其斗争中作用于物体的较小粒子之上的运动”，这种看法影响了许多科学家。
波义耳看到铁钉被捶击后会生热，想到铁钉内部产生了强烈的运动，所以认为热是“物体各部分发生强烈而杂乱的运动”；笛卡尔把热看作是物质粒子的一种旋转运动。胡克用显微镜观察了火花，认为热“并不是什么其他的东西，而是一个物体的各个部分的非常活跃和极其猛烈的运动。”牛顿也指出物体的粒子“因运动而发热”。洛克甚至还认识到“极度的冷是不可觉察的粒子的运动的停止”。
俄国学者罗蒙诺索夫在十八世纪四十年代提出了两篇关于物理学的论文，第一篇是关于热力学基础的，题为《关于热和冷的原因的思索》（1746）；第二篇是关于分子运动论的，题为《试论空气的弹力》（1748）。在这两篇论文中，罗蒙诺索夫提出了如下的见解：“热的充分根源在于运动”，即热是物质的运动，运动着的是物体内那些为肉眼所看不见的细小微粒；微粒本身是球状的，因为只有这样，固体变热时才能保持它的外形；热量从高温物体传给低温物体的原因，是由于高温物体中的微粒把运动传给低温物体中的微粒造成的，而且给出的运动的量与接受的运动量相等，一物体使另一物体变热时，它自身便会变冷，这就肯定了运动守恒在热现象中的正确性；气体分子的运动呈现一种“混乱交错”的状态，是杂乱无规则的。

“热”是一种物质？？
但总的说来，热是运动的观点尚缺乏足够的实验根据，所以还不能形成为科学理论。随着古希腊原子论思想的复兴，热是某种特殊的物质实体的观点也得到流传。法国科学家和哲学家伽桑狄认为，运动着的原子是构成万物的最原始的、不可再分的世界要素，同样，热和冷也都是由特殊的“热原子”和“冷原子”引起的。它们非常细致，有球的形状，非常活泼，因而能渗透到一切物体之中。这个观念，把人们引向“热质说”。
波义耳也动摇于热的运动说和热质说之间。在考察放在真空容器中的一块炽热的铁可以使器壁感受到热的现象时，他认为这似乎只能用“热”自己传过来加以解释。波尔哈夫认为，热的本源是钻在物体细孔中的、具有高度可产塑性和贯穿性的物质粒子，它们没有重量，彼此间有排斥性，而且弥漫于全宇宙。1789年，拉瓦锡还将“热质”和“光”列入无机界二十三种“元素”之中。
布莱克是热质说的一个重要倡导者。他虽然相信最终会发生现热“将不是化学的，而是力学的”，但他又很难否定热质说。他觉得热是运动的学说还有不少困难。例如，如果说热是物质内部粒子的运动，那么密度大的物质由于其内部粒子吸引力强而不易振动，比热就应越大，但为何水银的比热反而比水的比热小呢？对于“潜热”，用粒子的机械运动更难作出解释。所以布莱克宣称他“不能形成这种内部振动的概念”，而采取了热是某种特殊物质的观点。
热质说简易地解释了当时发现的大部分热学现象：物体温度的变化是吸收或放出热质引起的；热传导是热质的流动，对流是载有热质的物体的流动，辐射是热质的传播；物体受热膨胀是因为热质粒子间的相互排斥；物质状态变化时的“潜热”是物持粒子与热质发生“准化学反应”的结果；摩擦或碰撞的生热现象，是同上于“潜热”被挤压出来以及物质的比热变小的结果；等等。由于热质的物质性，所以它也遵从物质守恒定律，这是混合量热法的理论根据。
在热质说观点的指导下，热学研究所取得的主要进展有：布莱克发现了比热和“潜热”；瓦特从理论上分析了旧蒸汽机的主要缺陷而引导他改进了蒸汽机；傅立叶依据这一物理图象建立了热传导理论；卡诺从热质传递的观点出发于十九世纪初提出了消耗从热源取得热量而得到功的理论。
热质说的成功，使人们相信它是一个正确的学说，从而压倒了热是运动的看法而在十八世纪到十九世纪初居于统治地位。

“热”还是一种运动？？
但是，到了十八世纪末，热质说受到了严重的挑战。1798年，出生于美国，后来加入英国国籍的物理学家本杰明·汤普逊即伦福德伯爵向英国皇家学会提出了一个报告，说他在慕尼黑监督炮筒钻孔工作时，注意到炮筒温度升高，钻削下的金属屑温度更高的现象，他提出了大量的热是从哪里来的这个问题。他在尽量作到绝热的条件下进行了一系列钻孔实验，比较了钻孔前后金属和碎屑的比热，发现钻磨不会改变金属的比热。他还用很钝的钻头钻炮筒，半小时后炮筒从60度F升温到130度F，金属碎屑只有五十多克，相当于炮筒质量的九百四十八分之一，这一小部分碎屑能够放出这么大的“潜热”吗？他在笔记中写道：“看来在这些实验中，由摩擦产生热的源泉是不可穷尽的。不待说，任何与外界隔绝的物体或物体系，能够无限制地提供出来的东西，决不可能是具体的物质实体；在我看来，在这些实验中被激发出来的热，除了把它看作是‘运动’以外，似乎很难把它看作为其他任何东西。”
六年以后，热质论者还在辩解说伦福德实验中的热是从周围的“热质海洋”中吸收来的。1799年，英国化学家戴维进行了这样的实验：在一个同周围环境隔离开来的真空容器里，利用钟表机件使里面的29度F的两块冰互相摩擦而熔解为水。在这个实验中，“热质海洋”被外面的冰壁隔绝，而摩擦的冰块只能吸收“潜热”熔解为水，是不可能挤出“潜热”的；冰在熔解后又变成了比热更大的水。因此，在这里，“热质守恒”的关系不再成立了。戴维由此断言“热质是不存在的”。在对粒子振动的思想犹豫了一段时间之后，1812年他终于明确提出：“热现象的直接原因是运动，它的转化定律和运动转化定律一样，同样是正确的。”
伦福德和戴维的实验都支持了热是运动的看法，但这并没有结束热质说的历史。只有托马斯·杨在他1807年的那本书中对热质说进行了驳斥。但依然有很多其他人坚持着热持说。直到1848年，W·汤姆逊还从热质说的观点对焦耳的研究结果提出过质疑。

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