風靡18世紀的熱學理論—熱質說

熱到底是什麼樣的存在?

上回"熱"在人類的認知中幾經變化,從原本單純對熱的想像,到發展出可以量測物質冷熱狀態的"溫度",接著進一步將溫度與熱的做本質上的區分,可以說是讓人類在對熱的認知上有了許多突破。但是即使有了許多進展,對於熱到底是什麼,其實科學界還是眾說紛紜。

回到最源頭來說,熱的概念起於古希臘時期的四元素說中的"火元素",當時每一種元素代表的正是人類的一種感官,而"火"正是代表熱的感官,只是這時候對於熱的現象並沒有比較系統的描述,直到8世紀,阿拉伯煉金術士把火元素概念融入當時的三元素理論(汞硫鹽),但這個時候帶有熱特性的"硫"本質上也只是代表了"物質能不能被燒"這樣比較簡單的理解而以。

科學時代開始後對熱的觀點

接著來到16、17世紀,基於摩擦生熱的觀點,培根提出了熱應該是藉由運動產生的,隨笛卡兒、波以耳、虎克、牛頓等科學家也紛紛提出他們認為熱與運動有直接關係的說法,但由於這些理論都只有依據簡單的現象觀察並沒有完整的實驗輔證,更何況溫度在這個時間點也還沒有被建立起來,所以"熱是運動"的說法,並不算是一個牢靠理論,自然也沒有受到當時科學界的青睞。

在同一時間也有另外一個理論正在產生,他就是"熱質說",他是源於前面四元素中的火元素,以及三元素中的硫,所延續下來的概念—"物質中可燃與否的要素",就像前面有提到的,過去的人認為對"燃燒"跟"熱"有一定程度的綑綁,所以這時對於"熱"的理解,反而比較像是對燃燒現象的研究,而這樣的概念也延續到了科學開始發展的16世紀,同樣在前面有出現的波以耳在對燃燒現象的解釋上,他認為燃燒的原因是因為物質身上含有"火粒子",含有"火粒子"的多寡會影響物質的易燃程度,在燃燒的過程中物質會釋放火粒子,隨著火粒子的釋放物質會越來越不易燃。不過在並不代表波以耳的理論互相牴觸了,只是在燃燒的觀點上他認為燃燒的要素是火粒子,而對於"熱現象"的觀察他認為是運動所造成的而已。

熱質說的前世今生

隨著前人的奠基,熱可能是一種物質的假設也在繼續發展,17世紀初,科學家加桑狄提出冷熱概念可能是源自於"冷原子"與"熱原子"兩種物質所造成。隨後1703年,德國的史塔爾基於前人的概念發展出了"燃素說",這是與波以耳的"火粒子"相當相似的理論,他們同樣解釋了非常多的燃燒現象,但史塔爾進一步將熱的特性融入了燃素中,甚至將燃素理論發展到相當完整的狀態。只是這時的燃素仍然有著過去"燃燒"與"熱"不分的性質。

直到18世紀,拉瓦節成功建立了他的氧化學說,用各科學的方式實驗並解釋了燃燒現象的過程與原因,證明燃素並不存在,使得燃素理論被推翻。拉瓦節也成功地將燃燒現象與熱拆分開來,把原本總是綑綁在一起的"燃燒"與"熱",做了本質上的區分,而他也分別在兩種現象提出了相應的理論,分別是解釋"燃燒現象"的"氧化學說"以及探討"熱"是什麼的"熱質說"。

熱質說其實和前面的理論算是師出同門,都是認為"熱"(前面稱為火元素、硫、火粒子或是燃素)是一種特殊的物質,在產生熱現象時這種代表熱的物質就會產生流動,但不同於前者們的是,熱質已經抽離"熱"以外的其他相關現象(燃燒),單純就是在討論"熱"的本質是什麼。在熱質說發展的過程中,布爾哈夫有了相當大的貢獻,他在經過實驗後提出,熱應該是一種藏在物體身上的一種物質,這種代表熱的物質(以下直接稱為熱質吧),具有相當高的可塑性與穿透性,而且沒有重量,甚至會互相排斥。

基於這樣的假設,後來的布萊克與拉瓦節也利用這樣的概念成功的發展出了熱質說並解釋許多熱學現象:熱傳導是熱質的流動、熱對流是帶有熱質的載體在流動而輻射則是熱質的散播,甚至用相斥的特性解釋了為何氣體加熱會膨脹。而在此基礎下發展出了理論,就是量測熱量的學問—量熱學。

在熱與溫度拆分出來後,熱到底是什麼東西呢?

在布萊克將"溫度"與"熱"區分出來之後,測溫學與量熱學就正式分家了,測溫學是對於溫度的量測(結果的測定),而量熱學則是在尋找熱在一個過程中的變化或是流動(過程的觀察)。拉瓦節在用"燃燒理論"挑戰燃素理論後,基於熱質的概念設計出了許多量測熱的實驗,來證明熱質的存在,另外還與拉普拉斯一同進行了物質的比熱測定,這時可以說是為熱學的發展打了相當的基礎,比熱、潛熱、熱量都在這個時候被一一定義出來。拉瓦節之後還將熱列為化學元素的一種,其中熱量的名字卡路里,就是拉瓦節幫熱質取的。可見"熱是一種物質"的概念有多麼深植人心了吧。

熱質說的建立讓量熱學有了快速的發展,因為量熱學的許多實驗結果都能夠用熱質說來預測,而這些結果也剛好可以拿來支持熱質說的有效性。這種"熱是一種物質"的思想當然耳受到了當時科學界的支持,而熱質說也在18世紀後期的科學界佔據了統治的地位。其中熱質最重要的假設便是"熱質不會憑空出現或是消失"這與拉瓦節提出的"質量守恆"有一定程度的關聯,那便是"物質"。

在時間的篩選下,熱質的挑戰開始出現

隨著科學的發展的,人們開始注意到一些熱質說無法解釋的現象或是對於熱質的定義開始產生遲疑,其中熱質說最難以解釋的現象便是"摩擦生熱"。在熱質守恆的條件下兩物體摩擦交換熱質正常應該發生熱質交換,造成有人降溫有人升溫才對,但是摩擦後的物體為何都升高溫度了呢?長久以來不被重視的"熱動說"似乎成了這個難題唯一的解答。

1798年,英國熱動派物理學家倫福德發表了一份名為"論摩擦激起熱源"的報告,他在報告中提到他觀察兵工廠的大砲正在被鐵削時,會產生大量的熱需要用熱水來降溫這個行為啟發了他,他認為"能夠產生熱的並不是其他的,就是運動",並在報告中設計了幾個實驗,駁斥了熱質說,其中最有名的就是大砲鑽孔實驗。倫福德將已經被磨鈍的鑽孔放入水缸中利用馬帶動圓筒旋轉,結果鑽頭選轉了兩個半小時後,8.5公斤的水竟然就這樣被轉到沸騰了,總總實驗都證明熱與在運動中可以被產生,而且還是無限量的,到此,熱質說似乎有強勁的挑戰者了。

在倫福德的報告發表後,很快地就得到了另外一位科學家的支持,1799年,英國熱動派科學家戴維,成功的設計出了一個真空裝置,並使其維持在零度以下的環境去摩擦兩冰塊,實驗結果證明兩冰塊都融化了,冰塊融化時都需要吸收熱,但在那樣低於零度的環境中熱要從那裡來呢?想當然耳只剩"運動能夠產生熱"這個選項了。

挑戰成功並不意味者熱質說馬上就會被淘汰

不過儘管倫福德與戴維一一提出實驗來打臉熱質說,但熱質說其實在科學界依然有著無法撼動的地位,在這邊主要的原因還是熱動說的理論和熱質說比起來,熱質說更加完備,不僅有許多基於該理論所設計的實驗,甚至還發展出"熱量守恆"的概念(雖然是錯的)。相較於能解釋現象但理論發展不足的熱動說來說,要擊敗熱質說似乎還有一哩路要走,而這哩路就是如何量化運動時轉換的熱量,也就是我們現在所說的熱功當量。直到19世紀中葉焦耳成功量測出熱功當量後,熱質說才被歷史的舞台淘汰。

參考書目:

《物理學發展史上的里程碑》凡異出版社

《物理學史》五南出版社

《物理通史》凡異出版社

以熱學思想史的動態過程探究科學理論的建構及教學上的啟發—高師大科學教育研究所

熱力學:熱力學發展史—科技大觀園

熱動說與熱質說之爭—中教育星電子圖書館

熱力學發展史—豆丁網

Joseph Black—ENCYCLOPEDIA BRITANNICA

PHILOSOPHICAL TRANSACTIONS—Benjamin Count of Rumford