探寻热现象：热胀冷缩、水蒸发与沸腾

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：随着人类的不断进步、生产力发展和生活的日益复杂化，人们又观察到铁条能够热胀冷缩，水能够蒸发与沸腾等一系列热现象。可以说，热现象是自然界中最普遍的现象之一。直到19世纪中叶，最伟大的物理学家之一，现代热学的创始人焦耳在1842～1850年的8年间作了大量的实验，以各种方式测定了热功当量，从而使热学中出现了突破性的研究成果。

自从上古人类遇到雷击树木起火和后来发展到钻木取火及打击燧石取火，学会烧烤食物以来，人类便开始逐渐认识到热现象，并利用热现象进行烧制陶器、冶炼青铜、制造金属用具及兵器等。随着人类的不断进步、生产力发展和生活的日益复杂化，人们又观察到铁条能够热胀冷缩，水能够蒸发与沸腾等一系列热现象。而这些热现象又总与物质的冷热程度有关，即与温度有关，如植物生长需要一定的温度等。可以说，热现象是自然界中最普遍的现象之一。

热现象的本质是什么？人类一直在苦苦地追求着。直到19世纪中叶，经过培根（1561—1626）、笛卡儿（1596—1650）、玻意耳（1627—1691）、胡克（1635—1703）、牛顿（1643—1727）、伯努利（1700—1782）、罗蒙诺索夫（1711—1765）、伦福德（1753—1814）、道尔顿（1766—1844）、阿伏伽德罗（1776—1856）、戴维（1778—1829）、布朗（1773—1858）等著名科学家的研究、实验及严谨的逻辑推理，终于弄清楚了物质热运动的本质是组成物质的大量原子、分子的永不停息的无规则运动。

1.热学的形成与发展

在人类社会中，从人们认识热现象以来，便开始利用热为人们的生产和生活服务。但在早期，热的利用只限于取暖、照明、煮熟食物等。对于利用热来制造兵器及工具等则是较晚的事情。然而，人类在热利用的缓慢过程中，却积累了许多关于热的知识。直到18世纪初资本主义萌芽时期，由于社会生产力有了很大的发展，生产中遇到的热现象增多，才开始促进人们对热现象进行研究，并产生了利用热来获得机械功的愿望。如1705年纽可门等制造出第一台可以连续工作的原始蒸汽机。人们经过努力研究，对热现象有了逐步加深的认识，直到1724年，华伦海特（1686—1736）已制成了水银温度计，并制定了华氏温标，在1742年摄尔西斯（1701—1744）又制定了沿用至今的摄氏温标。由于人们的不断探索研究，1754年布莱克（1728—1799）又掌握了混合量热法进行热量、比热容和潜热的测定，进而使蒸汽机在18世纪上半叶得到不断改进，为瓦特（1736—1819）后来制造出往复式蒸汽机奠定了坚实的基础。由于生产的需要、知识的积累以及测温与量热方法和工具的创造，最终使对热现象的研究就逐渐形成了一门学科，这门科学就被称为热学。

随着热学的形成及人们的不断努力，1842年迈耶（1814—1878）提出了能量守恒的学说，他认为热是一种能量，能够和机械能相互转化。他还从空气定压比热容与定容比热容之差推算出热功当量。直到19世纪中叶，最伟大的物理学家之一，现代热学的创始人焦耳（1818—1889）在1842～1850年的8年间作了大量的实验，以各种方式测定了热功当量，从而使热学中出现了突破性的研究成果。图1-1为焦耳使用的实验装置。焦耳还用了包括电热方法在内的其他许多实验，所获结果惊人的一致。现在的公认值是1cal（15℃cal）＝4.1868J。从此，热功当量的测定揭示了各种运动形式之间的联系与转化，且在转化中运动的能量守恒。随后焦耳又进一步研究了气体的节流膨胀，进而对气体的内能有了更加全面的认识，最终建立起热力学第一定律，它主要包括功、热量和内能的能量守恒定律。因而使热学有了长足的发展。

热力学第一定律虽然揭示了系统吸取热量可能做功。但在18世纪，蒸汽机的效率仅有百分之几，这就意味着要消耗大量的燃料才能获得很少的机械功。因此，仅靠改善机械结构、减少热量散失和摩擦损耗并不能有效地提高蒸汽机的效率。直到1763～1769年，瓦特提出多项改进方案后，才有了与现代使用的蒸汽机基本相同的热机，但它的效率仅提高为8%～16%。因而，提高热机效率的要求就又进一步推动了热学理论的发展。1824年，工程师卡诺（1796—1832）提出的卡诺定理，研究了理想热机的效率；1850年克劳修斯（1822—1888）发现热传递过程的不可逆性；1985年汤姆逊发现功转化为热过程的不可逆性。人们才发现在不可逆过程的研究中，孤立系统中进行的能量传递和转化过程的进行方向与限度的普遍规律。这个规律在热学中就被称为热力学第二定律。

热力学第一定律和热力学第二定律构成了经典热力学，并为后来的量子力学奠定了基础。因此，随着量子力学及量子统计物理学的建立，热力学理论也得到发展，并超出了平衡态热力学范围，进入了非平衡态热力学的领域，特别是远离平衡态的热力学领域，产生了耗散结构、协同论、突变论等理论，从而扩大了热力学研究的范围，进入了天体演化和生命起源等领域。

图1-1 焦耳使用的实验装置示意图

2.温度和温度计

温度是表示物体冷热程度的物理量，或是描述热现象所特有的物理量，它直接反映了物体的分子无规则运动的激烈程度。但温度的概念是逐步建立起来的，先是探索定量测定物体温度的方法，制造温度计和建立经验温标；然后是给温度一个明确的定义，建立起热力学温标；最后再从分子运动论阐述温度的微观意义。

（1）温标

温标是用于表示温度数值的一种方法，它是用于表征系统性质的物理量，但它随着系统的冷热程度而变化，如图1-2所示。在实验中，常选一个系统作为测温物质系统，并选定系统的一种随系统冷热程度变化的性质为测温属性。测量这个性质便可以比较物体的冷热程度。但只比较两个物体的冷热程度还不能使一个物体的冷热程度定量化，也就不能在任何时间和任何地点再显示出它的冷热程度来。这就需要制定一个公认的标准，即温标。

图1-2 系统的冷热程度变化示意图

早在18世纪上半叶，华伦海特曾用水银温度计进行温度测量，但它将冰点定为32℉，沸点定为212℉，两点间长度等分为180个间隔，每一间隔称，1℉（华氏度）。到18世纪中叶，摄耳修斯又将冰点定为0℃，沸点定为100℃，其间等分为100个间隔，每一间隔称为1℃（摄氏度）。前者称为华氏温标，在科学技术中已不普遍使用；后者称为摄氏温标，因为使用方便，在科学技术上广为使用，至今已有两百多年的历史。

（2）温度计

温度计是用于测量温度的仪器，最早使用的温度计是如图1-2所示的水银温度计，但为避免水银的蒸发和外流，在高温下驱除管内空气后将上端封死，并令这个装置处于1atm^[1]（标准大气压）下纯水沸腾的环境中，在管侧刻线标记水的沸点，如图1-3a所示；再令这个装置处于1atm下纯水和冰长时间共存的环境中，在管侧刻线标记水的冰点，如图1-3b中所示。在沸点和冰点之间划成100等分，即为标准的水银温度计。水银的凝固点为-39℃。

在生产和生活中，除水银温度计外，还有适用于较低温度的加色乙醇温度计（能指示-110℃低温）、电阻温度计（能在-253～1200℃准确测量）、光测高温计等。

图1-3 水银温度计的冰点与沸点示意图

探寻热现象：热胀冷缩、水蒸发与沸腾

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