“热”

纵观历史长河，一个困扰了科学家们很久的问题是：什么是“热”？

是这个？

还是这个？（hot~）

其实关于热的本质，历史上有过两个主要理论：热质说与热动说。

热质说的雏形最早可以追溯到将火作为物质的基本元素的学说——古希腊哲学家认为世界是由土、气、水、火这四种元素组成的。到了17世纪，有些科学家提出热是一种特殊物质，由“物质粒子”构成，物体的冷和热都是由特殊的“热质粒子”引起的。他们认为“热质粒子”钻在物体内的细孔中，具有高度可塑性和贯穿性，没有重量，彼此排斥，充斥着整个宇宙，且是守恒的——不能被创造或毁灭。这就是热质说。

热质说解释了许多当时观察到的热学现象。对流被视作含有热质粒子的物质的流动。热辐射被解释为热质粒子的直接散播。传导则被认为是热质粒子之间的相互排斥导致热质粒子从因热质粒子数量更多而排斥力更强的高温物体移动到排斥力更低的低温物体中，因此达到热平衡的过程。热质说同样也可以解释热胀冷缩：温度较高的物体中有更多热质粒子，因此热质粒子之间有更强的排斥力，这就导致高温物体的粒子更加分散、体积变大——“胀”。由于与大量实验数据相吻合，热质学一直到18世纪末都是欧洲的主流热学学说。

然而，热质说有一个致命的缺陷：没有办法解释摩擦生热。就如大家耳熟能详的钻木取火所说，当两个物体在一起摩擦时，两个物体的温度都会升高。这个现象完全无法用热质说解释——既然热质粒子的数量是守衡的，那温度／热质粒子只能从一个物体传递到另一个物体，怎么可能两个物体的温度同时升高，即同时得到更多热质粒子呢？这就带来了一个新的热学学说——热动说。

热动说的早期支持者包括笛卡尔、培根、胡克、牛顿等。热动说认为热是物质的一种运动形式，是粒子震动的宏观表现。更准确的科学表述是：气体的绝对温度由其分子的平均平动能所决定。根据热动说，物体的摩擦使组成两个物体的粒子进行更剧烈的震动，而粒子的震动即为热，所以摩擦时两个物体的温度才会上升。那么热动说中有没有守衡定律呢？有的。区别于热质说中热量守衡的概念，热动说将热作为能量的另一种形式，系统内总能量守恒，但热量可以与其它能量相转换，不一定守衡。这就是为什么摩擦生热中热量可以“无中生有”地冒出来：摩擦力对物体做功，因此物体的内能增加。不难发现，热动说就是现在科学界的主流观点。

说到热学，就不得不说一说永动机了。

历史上著名的第一类永动机是由法国人亨内考在13世纪提出的。在他的设想中，机器可以一直循环恢复到初始状态，不消耗任何能量，但源源不断地对外做功，简称“不劳而获”（bushi）。亨内考的具体模型如下图所示，轮子中央有一个转动轴，轮子边缘安装着12根短杆，每个短杆的末端装有一个铁球。他认为，右边的杆子比左边的长，所以会产生更大的力矩，而力矩的不平衡可以使轮子旋转一周回到初始状态，从而实现永不停歇的旋转——即永动。人们不停尝试不同形式的永动机，包括达芬奇滚珠永动机，泰斯尼尔斯磁石永动机，斯特尔流水落差永动机等等，然而，最终这些设计都失败了。有趣的是，17世纪英国的一位犯人曾复制过一台类似的永动机并在国王面前表演过这一装置。国王见了很高兴，就释放了他。当然，这台机器也并不是真正意义上的永动机。它因为自重较大，所以可以依靠惯性维持一段时间的转动，但最终还是会停止的。

热力学第一定律问世后，人们意识到能量是不可能被凭空制造出来的，便开始研究设计另一种永动机，其宗旨在于以极小的代价获取极高的能量。第二类永动机因此被提出。其设想是：从单一热源吸收热量，全部用来做有用功，而不引起任何其它变化。这一想法非常聪明，既遵守了能量守恒定律，又可以几乎毫无代价地使机器做功——设想一下，有了这类装置，我们就可以从海洋，甚至宇宙中获取热量，用来做功；海洋如此之大，我们从中获取一些热量基本上不会对其造成什么影响，宇宙中的热量更是几乎取之不尽。很可惜，这类永动机也只存在于想象之中。原因是，能量的转化是具有方向性，这个过程可以自发地朝一个方向进行，却无法自发向相反方向进行。

正如热力学第一定律对第一类永动机的“制裁”，热力学第二定律同样宣判了第二类永动机死刑。

热力学第二定律有两种表述方式。克劳修斯表述为：热量不能自发地从低温物体转移到高温物体。大家从日常生活经验中都知道，如果把A和B两个物体相接触，A的温度是T1，B的温度是T2, 并且T1>T2，那么一定是A上的热流向B，最终A和B的温度相等，从未发生过B上的热自动流向A，A越来越热，而B越来越冷的现象。其实想想水流是一样的道理，不加外力的情况下，水流只会自动从高处往低处流。

开尔文表述为：不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。这个说法并不是说热不能完全转变成功，而是强调说热全部转化为功而不产生其他影响是不可能的。比如说理想气体恒温膨胀，系统从单一热源吸收的热全转变成对环境作的功了，但是系统膨胀了，也就是系统的状态发生变化了。

这两种表述方法的本质都是，第二类永动机是不可能制成的。

既然永动机不可能实现，那么有没有一种接近完美的机器呢？目前我们所知道的效率最高的理想化热机模型即为卡诺循环。说到卡诺循环，就先说说等温过程和绝热过程，等温过程是热力学过程的一种，顾名思义，是指热力学系统在恒定温度下发生的各种物理或者化学过程。绝热过程是指热力学系统与外界没有热量交换情况下所进行的状态变化过程。卡诺循环如下图，由2个等温过程和两个绝热过程组成。等温吸热的过程系统从高温热源中吸收热量，温度不变体积增大，即下图A到B的过程；绝热膨胀的过程系统对坏境做功，温度降低，体积增大，即下图B到C的过程；等温放热的过程系统向环境释放出热量，体积压缩，温度不变，即下图C到D的过程；绝热压缩的过程系统的体积变小，温度恢复原来的状态，即下图D到A的过程，这就是卡诺循环。

我们再来看看卡诺热机的效率：

1, 等温吸热过程 A到B

2, 绝热膨胀过程 B到C

3, 等温放热过程 C到D

4，绝热压缩过程D到A

因此

由于过程2和过程4都是绝热可逆过程，应用理气绝热可逆过程方程式

两式相除可以得到

卡诺热机的效率公式为 

其中T1为高温热源的温度，T2为低温热源的温度。当低温热源温度尽量低，高温热源温度尽量高的时候，卡诺热机的效率才会高。由于T1不可能无限大，T2也不可能等于绝对零度，所以热机效率永远不可能达到100%。

其实不管是热质说的理论还是永动机的假设，科学的发展中总是少不了错误的出现与证伪的过程。正是这些错误为新的理论提供了宝贵的经验与方向。科学还在不停前进着，许多谜团也仍未得到解答，不畏错误也勇于承认错误的精神正是科学研究的核心精神。