'熱是物質還是一種運動，這場科學論戰，直接導致了工業革命的誕生'

摩擦生熱

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從遠古時期人類早就學會了取火和用火，人們就注意探究熱、冷現象本身，在17、18世紀時，熱質說非常盛行，此理論認為熱是一種稱為“熱質”的物質，熱質是一種無質量的氣體，物體吸收熱質後溫度會升高，熱質會由溫度高的物體流到溫度低的物體，也可以穿過固體或液體的孔隙中。

著名物理學家布萊克建立了系統的熱質說理論，他以熱質說為理論基礎，在熱學研究方面做出了兩個重大的貢獻。他證實了相同重量的兩份不同溫度的水相混合，混合後水的溫度正好是它們溫度的中間值;可是把相同重量的熱水與冷的水銀混合在一起，混合後的溫度卻不是它們溫度的中間值，而是更接近於水的溫度。

為了解釋這一疑難,布萊克主張把熱量和溫度兩個概念分開，一個是指熱質的量”一個是指“熱的強度或集度”。這就如同把物質的量即質量，與物質的集度即密度分開一樣。對不同的物質改變相同的溫度，所需要的熱量是不同的，這種不同就在於物質“對熱的親和性”或‘接受熱的能力”的不同。熱學中的重要概念熱容量和比熱，就是在這一基礎上建立的。

熱質說可以解釋生活中的許多現象，比如熱茶的溫度高，表示熱質濃度較高，因此熱質會自動流到熱質濃度較低的區域，也就是周圍較冷的空氣中。熱質說也可以解釋空氣受熱的膨脹，因空氣的分子吸收熱質，使得其體積變大。若再進一步分析在空氣分子吸收熱質過程中的細節，還可以解釋熱輻射、物體不同溫度下的相變化，甚至到大部分的氣體定律。所以在當時，人們對熱質說深信不疑。

1785年著名物理學家湯普森試圖用實驗來發現熱質的重量，當他確認無法做到時，便開始反對熱質說。

湯普森後來在慕尼黑指導軍工生產時發現，用鑽頭加工炮筒時，炮筒在短時間內就會變得非常熱。為了弄清熱的來源，1796～1797年他做了一系列的炮筒鑽孔實驗。他精心設計了一套儀器，以保證在絕熱條件下進行鑽孔實驗。

湯普森發現只要鑽孔不停，就會不斷地產生出熱，好像物體裡含有的熱是取之不盡的。有人認為這是由於銅屑比銅炮身比熱大，銅屑脫落時把“熱質”給了炮身。

湯普森又認真測定了比熱，證明鑽孔前後金屬與碎屑比熱沒有改變。他曾用數匹馬帶動一個鈍鑽頭鑽炮筒，並把炮筒浸在溫度為60oF的水中，發現經過1小時，水溫升高了47oF，兩個半小時後，水就沸騰了。

在場的人都感到非常訝異，因為不用火就能讓物體沸騰，這實在是超乎想象。在經過多次試驗後，湯普森將實驗結果進行總結，在1798年1月25日發表了題為《論摩擦激起的熱源》的論文。

湯普森認為：摩擦產生的熱是無窮盡的，與外部絕熱的物體不可能無窮盡地提供熱物質。熱不可能是一種物質，只能認為熱是一種運動。

摩擦生熱

湯普森的實驗結果直接否定了熱質說，確立了熱動說的誕生。由此，科學史著名的三大論戰之一，關於熱是物質還是運動現象的大討論由此展開。

1799年英國化學家戴維也做了實驗，來確認熱質是否存在，戴維認為如果熱是一種物質的話，它只能是由於冰的熱容減少，或者是兩物體的氧化，或者是從周圍的物體吸引了熱質而產生，所以戴維在一個同周圍環境隔離開來的真空容器裡，利用鐘錶機件使裡面的29°F的兩塊冰互相摩擦最終熔解為水。

要知道，水的熱容比冰的熱容大得多，而冰一定要加上一定量的熱才能變成水，所以摩擦並沒有減少冰的熱容，而且這肯定也不是由物體氧化引起的，因為冰根本不能吸引氧氣，所以，戴維得出了結論，熱質是不存在的。

他明確指出熱是物體微粒的運動。他說:物體因摩擦而膨脹，則很明顯，它們的微粒一定會運動或相互分離.既然物體微粒的運動或振動是摩擦和撞擊必然產生的結果，那麼，我們就可以做出合理的結論:熱是物體微粒的運動或振動。

戴維用實驗論證了熱質說是不成立的，支持了熱動說。然而，在當時熱質說是科學界的主流，1789年，拉瓦錫在他出版的《化學原理教程》一書中，把“熱素”和“光”一起列入無機界23種化學元素中。他認為，熱質是“沒有重量不可稱量”的流體。傅立葉還建立了熱傳導理論；卡諾從熱質傳遞的物理圖像及熱質守恆規律得到了卡諾定理來說明說明熱機的最大熱效率只和其高溫熱源和低溫熱源的溫度有關；瓦特在熱質說的啟示下給蒸汽機加上了冷凝器，完成了一項重大的技術改造。

熱質說的成功，使人們相信它是正確的。後來，可見，熱質說已經達到了它的鼎盛時期，再加上當時，“以太”、“電流質”等不可稱量的物質假說盛行，湯普森和戴維的實驗並沒有對熱質說造成致命打擊，他們的論爭被宣告失敗。

然而，在熱質說觀點的指導下，瓦特改進的蒸汽機卻給了熱質說致命一擊，隨著蒸汽機技術的不斷髮展和自然科學各領域研究的不斷進展，在19世紀40年代前後，人們已經形成了這樣的觀念:自然界的各種現象間都是相互聯繫和轉化的。人們對熱的研究也不再是孤立地進行，而是在熱與其他現象發生轉化的過程中認識熱，特別是在熱與機械功的轉比中認識熱。

德國物理學家邁爾從1840年起就開始研究自然界各種現象間的轉化和聯繫。在他的論文《與有機運動相聯的新陳代謝)中，把熱看作“力”(能量)的一一種形式，他援引燕汽機車的例子指出"熱是能夠轉比為運動的力“。他還根據當時的氣體定壓和定容比熱的資料,計算出熱的機械功當量值為367kgm/千k。

在論文中，邁爾詳細考察了當時已知的兒種自然現象的相互轉化，提出了“力“不滅思想，得出了否認熱質和其他無重量物質的結淪，1842年，他用一匹馬拉機械裝置去攪拌鍋中的紙漿，比較了馬所做的功與紙漿的溫升，給出了熱功當量的數值。他的實驗比起後來焦耳的實驗來，顯得粗糙，但是他深深認識到這個問題的重大意義，並且最早表述了能量守恆定律也就是熱力學第一定律。

後來英國物理學家J.焦耳做了大量實驗，用各種不同方法求熱功當量，所得的結果都是一致的。也就是說，熱和功之間有一定的轉換關係。以後經過精確實驗測定得知1卡=4.184焦。佐證了邁爾的看法。

而這個時候，德國科學家亥姆霍茲在1847年發表了著作《論力的守恆》。提出了一切自然現象都應該用中心力相互作用的質點的運動來解釋，這個時候熱力學第一定律已經有了一個模糊的雛形，熱質說正搖搖欲墜。

1850年，克勞修斯發表了《論熱的動力和能由此推出的關於熱學本身的定律》的論文。他認為單一的原理即“在一切由熱產生功的情況，有一個和產生功成正比的熱量被消耗掉，反之，通過消耗同樣數量的功也能產生這樣數量的熱。” 加上一個原理即“沒有任何力的消耗或其它變化的情況下，就把任意多的熱量從一個冷體移到熱體，這與熱素的行為相矛盾”來論證。把熱看成是一種狀態量。

由此克勞修斯最後得出熱力學第一定律的解析式：dQ=dU-dW

從1854年起，克勞修斯作了大量工作，努力尋找一種為人們容易接受的證明方法來解釋這條原理。經過重重努力，1860年，能量守恆原理也就是熱力學第一定律開始被人們普遍承認。能量守恆原理表述為一個系統的總能量的改變只能等於傳入或者傳出該系統的能量的多少。總能量為系統的機械能、熱能及除熱能以外的任何內能形式的總和。

熱力學第一定律也就是能力守恆定律的提出徹底否認了熱質說，並且宣告了永動機的破產，因為永動機違反了能量和質量的守恆定律。熱質說與熱動說長達 100 年的論戰，也促成了蒸汽機的誕生，直接導致了第一次工業革命的誕生，人類由此邁入了蒸汽時代，機械化生產時代開始到來。

熱質說雖然是錯誤的，但是它對於科學的發展起到了促進作用在把一系列實驗事實和個別規律用一個統一的觀點聯繫起來加以系統化方面起了一定的積極作用。比如瓦特由此發明了蒸汽機、傅立葉得到了熱傳導理論、還有卡諾定理的誕生等。

而克勞修斯在提出了熱力學第一定律之後，他和英國人開爾文在熱力學第一定律建立以後重新審查了卡諾定理，意識到卡諾定理必須依據一個新的定理，從而提出了熱力學第二定律。熱力學第二定律是指熱永遠都只能由熱處轉到冷處(在自然狀態下)。它是關於在有限空間和時間內，一切和熱運動有關的物理、化學過程具有不可逆性的經驗總結。