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戴维否定热质说的实验实验原理、步骤

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    yabo88 app,戴维


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      热质说可以解释一些热的现象,不过无法解释一些只要持续作功就可以持续产生热的现象(如摩擦生热)。19世纪中,热质说被机械能守恒所取代;之后,热质说仍然在许多科学文献中出现,一直到19世纪末才消失。今天常用的热量单位卡路里(Calorie)即起源自热质(caloric)。

      1798年,英籍物理学家伦福德在一篇题为《摩擦产生热的来源的调研》中讲述了他的机械功生热的实验。他为大炮钻炮膛时产生了无穷尽的热,因而提出,热是由机械功产生的。最后形成这样一种思想:热是物质的一种运动形式,是粒子振动的宏观表现。他相信热质说和燃素说将一起被埋葬在坟墓中。不过其实验的不确定性也广被质疑。

      1799年,英国科学家戴维在《论热、光和光的复合》论文中,描述了一个实验:在一个同周围环境隔离开来的真空容器里,合两块冰互相摩擦熔解为水,而水的比热比冰还高。在这里“热质守恒”的关系不成立了,戴维由此断言,热质是不存在的。伦福德和戴维的实验彻底摧毁了热质说,并为物理学的发展开辟了道路。

      由于当时将热质说视为和分子运动论等效的理论,因此伦福德的论文并未视为对热质论的威胁。事实上当时的科学家利用伦福德的论文来增加他们对热质说的了解。

      伦福德的研究引起了焦耳及其他科学家的兴趣,进而进行相关的研究。戴维的实验使戴维恩由此导出热质不存在的结论,并认为热是物体微粒的振动。不过他的实验并未得到当时的重视。

      1714年,D.华伦海特改良了温度计并定出了华氏温标以后,热力学才正式走上了实验科学的道路。J.布莱克澄清了热和温度这两个混淆了的概念,他将热称为热的份量,温度称为热的强度。他认为:热质与冰结合而成为水,热质再与水结合而成为汽。热质说就作为早期解释热学实验的简单学说而为一些科学家所用。热质说在启发和解释量热力学的实验方面曾起过积极的作用,它能成功地说明混合量热法的规律,即两个温度不相等的物体混合以后达到相同温度时,如果没有向周围散失热量,其中一个物体所失去的热量恰好等于另一物体所得到的热量。最早对热质说提出质疑的是B.朗福德。认为热是由机械功产生的。他主张热并非一种物质,因为没有一种物质能像热一样无限制地产生。虽然,法国P.拉普拉斯、英国T.杨和H.戴维赞同伦福德的观点,但多数物理学家仍持怀疑态度。朗福德进行了摩擦产生热的实验,从而证明了所产生的热量同所作的功成正比,排斥了热质说。但是热质说仍继续存在约半个世纪。后来S.卡诺在用卡诺循环导出卡诺定理时,结论正确,但还是凭借热质说[3] 。

      焦耳在1840年进行多次导体发热的实验,发现其发热量和电流的平方成正比。并在1843年提出理论,认为热只是一种能量的形式。后来为确认热和能量之间的关系。焦耳用以下实验来量测热和能量单位间的转换系数——热功当量:在一量热器中加水,量热器中有叶片,经过转轴连到量热器外,量热器外利用下降的重物带动叶片旋转,使叶片及水的温度上升。量测重物重量、落下距离、水(及叶片)的温度、质量及比热即可计算热功当量,后来将液体由水改为鲸油及水银,进行并改进实验达40年之久。此实验也确认热及能量之间的关系。

      1850年,克劳修斯发表论文提出热质说及分子运动论其实不相容,热质说中提到的热质守恒可以用能量守恒取代。热可以等效为物质中粒子(如原子或分子)的动能,热质说成为历史,也开始了现代热力学研究。不过热和粒子的运动在频谱还是有不同之处:频谱上尖锐的频谱对应粒子的运动,而热会以类似噪声的连续频谱出现。

      直到1860年,能量守恒和相互转化定律的建立、尤其是J.焦耳对热功当量的一系列精确测定以及能量守恒的数学理论的建立,确认热是物质运动的一种形式,热质说才被彻底否定。

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