科学小故事热载体的发现过程，精彩程度不下于侦探大片

　　由于疫情，基本上没有人来办理业务。无聊的我，泡上一壶热茶。看着茶汤在烛火的加热下，升起袅袅的蒸汽，一个念头突然跳入我的脑海——热的载体是什么？那一瞬间，人类发现热的载体的过程，就像一个大片，带我穿越时空，重新体验了科学在发展中所经历的一幕幕精彩镜头。从懵懂、瞎猜到抽丝剥茧，最后找出真相，所有环节竟然不逊色于一部侦探大片。
　　一、迷雾重重的热
　　我们把热毛巾敷在脸上，就能感觉到毛巾上的热给皮肤带来温热的感觉，脸部的皮肤会逐渐热起来，毛巾的温度会逐渐降下来。这是我们在生活中对热量流动的最直观感受。
　　如果没有现代物理学知识，那么在我们的感受中，很自然就会产生这样的观念：有一种叫做热的物质，从毛巾进入到我们的皮肤，从而使面部温度增加；毛巾上的热物质减少，导致毛巾温度的降低。
　　不光我们会这样想，早期的科学家也是这样认为的。伽利略就提出过类似的观点，他认为，让我们产生热的感觉的是一种高速运动的微粒，当这种微粒通过我们的身体时，我们便感觉到热。
　　不光是中世纪，在更早的古代人类也是这样认识热的。他们将光、火和热三者模糊地等同看待。古希腊的四元素（水、土、气、火）、古代中国的五行说（金、木、水、火、土）都将＂火＂列为其一。
　　由于人类很容易发现热与火有关，所以，对热的解释常常和燃烧有关。化学家贝歇尔和施塔尔在17世纪提出燃素说，试图解释燃烧现象，当时也将燃素解释为＂热的实体物质＂。
　　热质说是由普利斯特里提出的。他一直在从事燃烧相关的实验，在实验中他发现，燃素说与实验结果不吻合。于是在1783年的论文中，因此提出＂热质＂的说法。认为热是一种能够流动的物质，这就是热质说。
　　此理论认为热是一种称为＂热质＂（caloric）的物质，热质是一种无质量的气体，物体吸收热质后温度会升高，热质会由温度高的物体流到温度低的物体，也可以穿过固体或液体的孔隙中。
　　可以说热质说一直到了18世界都在物理学中处于统治地位，当时的著名科学家拉瓦锡、拉普拉斯、伽桑狄等人都是热质说的支持者。拉瓦锡甚至把＂热质＂列入化学元素表中，热质被看作是一种不可称量的＂无重流体＂，其粒子彼此排斥而为普通物体的粒子所吸引。
　　二、暗夜中的明灯
　　我们把科学刚刚确立的18世纪以及之前的时间看作是科学的暗夜，在这个阶段中，主流的科学界并没有形成对热的正确认识，然而，即使是在这样的科学暗夜当中依旧有几盏人类智慧的明灯，他们凭借着自己的个人智慧，依稀看到了热的本质——微观粒子的运动。
　　最早接近正确结论的是我们中国人。《庄子·外物篇》和《淮南子·原道训》都认为，发热燃烧是由摩擦运动所产生的，所谓＂木与木相摩则燃＂。而西方人，直到18世纪，才由培根，玻意耳、胡克和牛顿等人从经验事实中得到热是微细粒子的扰动或振动的结果 。
　　第一个明确提出热动说的是，英国伦福德伯爵，他指出：热就是运动的一种形式。
　　1798年，伦福德从事磨炮膛的工作，他发现当钻孔机钻孔时，金属会变得非常之热——热到必须用水冷却。他还注意到，如果他用的钻孔机钝到无法切割金属，此时，金属反而会变得更热，至少不低于这一情况下所释放的热—— 他观察到了热与机械运动之间的关系。
　　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。戴维恩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。
　　三、热动说困难重重
　　我们今天把热解释为组成物体的微观粒子的运动，这是非常容易的。因为随便拉出来一个中学生都知道物质由原子、分子组成、分子由原子组成、原子由更基本的粒子组成。而在18世纪，人类还没有搞明白这些，科学家们，直到19世纪才开始研究原子。
　　在伦福德的年代，科学家们所说的微粒和我们的分子原子不是一回事。早在17世纪，波义尔在其著作《怀疑派的化学家》一书中就提到将＂微粒哲学＂作为化学的基础。然而这个思想直到150年以后，19世纪初，由道尔顿提出原子理论，才得以实现。
　　这里需要解释一下科学的游戏规则。我在很多文章里都写过类似＂以观察事实为依据探求自然规律＂这样的话，但是我没说过＂从观察事实出发＂，这是因为我们并不需要从完全的一张白纸开始进行观察和实验，而是通常先提出一个想法，然后通过观察和实验为这个想法寻找依据。
　　所以，尽管我们是以事实为依据的，但当然也允许在此之前先建立某种假说。特别是原子论，它无法用肉眼直接观察到，因此必须要先建立这栋东西存在的假说，然后以此为前提讨论通过怎样的事实，采用何种实验方法能够为其背书。
　　如果观察和实验的结果否定了之前的假说，那么我们应该毫不犹豫地抛弃它或者尝试对其进行改善，这就是科学的游戏规则。
　　四、物理和化学联手建立原子论
　　随着对热力学的研究（热动说后来被称为热力学），当时的物理学家们已经掌握了能量守恒定律和熵增原理，以及在这两个原理上建立了一个体系。但这些理论都不能推导出每种物质具体的热的特性。这些特性都需要通过实验才能确定。
　　我们都知道，科学有一个特征，无需逐一进行实验就能够从基本定律出发推导出各种结论。站在这个角度上看，这个时候的热力学距离理想的形态还差得很远。
　　这个时候的物理学家之所以要去研究原子，是因为他们发现仅仅将热看作是一种能量的形态是无法解决问题的。具体来说，物理学家希望通过将热能看作原子运动所产生的机械能来弥补热力学的缺陷。
　　19世纪下半叶，物理学终于迈入了原子的世界。原子结构的部分内容，我在文章《您真的了解电子吗？改变人类生活方式的正是——电子的舞步》里面涉及到了一些，我这里做些补充。
　　我们前面说的那些一直都是在说物理学的研究，粒子研究本来是物理学的任务，但率先建立原子论的却是化学家。不过这是一位跨界的化学家——道尔顿。
　　道尔顿之前也是一直都在研究热力学，他提出过道尔顿气体分压定律。他用原子之间的引力和斥力来解释物体的三态变化，也用原子来解释气体分压的原理。不过这些宏观的数据都不能直接证明原子的存在。
　　但此时，化学中的定比定律已经广泛地被化学家所接纳了，比如2体积的氢气和1体积的氧气发生燃烧可以完全生成水。这让道尔顿果断地全面转向了化学研究。终于在化学的基础上提出了道尔顿原子论。
　　物体的分割是有限度的，分割到某个程度就无法继续分割下去，因此原子个数是整数，这个整数一定发挥着什么重要的作用。由于物体包含的原子太多，所以我们无法察觉到这个整数性的存在。但随着倍比定律的发现，这一整数性就像地下矿藏一样终于得见天日。
　　道尔顿的原子论存在一个重大的错误，他没有区分原子和分子，他把化合物分子也当做了原子。意大利物理学家阿伏伽德罗认为，道尔顿说的原子并非一定是不可分割的，而可能有多个同种原子的结合物，也就是说，一种元素也可能由多个同种原子结合而成的。他将结合物与原子本身进行了区分，将前者命名为分子。
　　五、关于原子的论战
　　随着物理学家对于气体定律的研究，尤其是盖-吕萨克定律与波义尔定律结合之后就可以得出，两种气体，它们温度相等、压强相等，其体积比为某个值。然后改变它们的温度和压强，如果改变后两者的温度和压强再次达到相等状态，则此时它们的体积比依然等于原来的值。
　　这意味着，无论混合气体的温度和压强是多少，这一体积比都是恒定的。考虑到氢气和氧气以2:1的比例燃烧，这意味着这个2:1的比例与温度和压强无关。对于其它任意两种气体反应，其体积比都十分接近简单的整数比。
　　就这样，道尔顿的原子理论，在阿伏伽德罗的修正及盖-吕萨克的努力之下变得更加稳固了。
　　然而在当时，尽管大多数的化学家都承认整数性的存在，但仍然偶很多人不承认原子论。他们认为，整数性的根源在于化学亲和力的本性。
　　同时物理学家中也有一些强烈的反对者，他们认为原子是一种看不到摸不着的，超越我们一切感知的东西，相信这种东西的存在就是在开科学的倒车，重新走思辨哲学的老路。
　　半个世纪后，科学家们终于迈出了原子论的最关键一步，确定了气体分子的数量。原子论尘埃落定，至此，关于气体物理性质的诸多事实、波义尔定律、盖-吕萨克定律，以及由此衍生出的气体扩散、粘性、热传导等相关定律都能够从原子论推导出来，而且连熵增原理也通过原子论得以阐明。
　　六、热的载体是什么
　　1846年，亥姆霍兹在一篇题为《力量的保存》的论文中提出：原子（分子）是热运动的载体的观点。1856年，克劳修斯发表论文《论热的动力》，指出：热运动是产生压强的原因。通过计算，克劳修斯得出了一条非常简单的结论：容器所受的压强与容器体积的乘积，等于其中飞舞的原子所具有的总动能乘以一个常数2/3。
　　现在的问题是，如何将热学的量与力学的量关联起来。对于热量与机械能之间的关系已经由焦耳由实验确定的热工当量给出了答案，所以我们可以把热量看做是能量的另外一种形式。然而，对于温度来说，我们还没有答案。
　　我们这里再回到波义尔定律：＂密闭容器中，温度一定时，气体的压强与丰乳容器中的气体的量成正比。＂现在我们从分子的角度看，容器中气体的量自然与气体的分子数成正比，因此我们可以将＂压强与气体的量成正比＂改写为＂压强与气体分子数量成正比＂。
　　所以我们就可以得到在温度不变时，分子总动能与分子数的比值是个常数，换句话说，就是温度一定时，密闭容器内的分子平均动能是一个常数。用数学语言来说就是＂分子的平均动能是温度的函数＂。
　　到此为止，对于热力学中温度这个量，我们通过气体分子的平均动能与之建立的关联。
　　结束语
　　关于热的本质，本文就写到这里了。由于篇幅所限，4千字根本不足以表现出其中的跌宕起伏。但我还是希望能够通过这篇简单的介绍，了解那段科学发展的历史，了解哪些在科学史上留下的辉煌的名字。如果您能在看到本文结尾的时候，自己总结出，温度是分子平均动能的函数，那么我这篇文章的用意也就实现了。
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