认识热现象：分子运动说

　　近代人們对热的研究是从测热开始的, 当时人們不能把热和温度区别开來, 认为二者是一回事．

　　培根、笛卡尔、波义耳、阿蒙顿、胡克、牛顿等人都曾认为热是一种运动, 但他們没能用有力的实验來說明這个认识．拉瓦锡、拉普拉斯以及对比热研究做出最大贡献的布莱克都坚持把热看成一种特殊的物质．１７９８ 年, 由於倾向於保守党人而在革命战争中被迫逃往欧洲的美国人本杰明·汤普森（１７５３～１８１４）在德国监制大炮时发现: 钻炮膛时, 炮身上和铁屑中产生的大量热, 不可能是由於空气和金属中的热质所供给的, 而可能是來自钻头的运动．为证实自己的想法, 他用钝钻头连续工作了两个半小时, 所产生的热使大量的冷水沸腾了．１７９９ 年, 英国化学家戴维在真空中摩擦冰块, 使其溶化, 同样对热质說提出了质疑；真空中没有介质, 两块冰的比热一样, 溶冰的热量只能产生於摩擦运动．但在当时, 热是一种运动的概念还未立即取代热质說．

　　能量守恒与转化定律

　　焦耳在年轻时就已经是曼彻斯特一个大啤酒厂的主人, 同时也从事电磁研究．１８４０ 年, 焦耳已发现了著名的表示电流热效应的焦耳定律: Q=０.２４I２RT．焦耳的发现在遭到一段冷遇后得到了科学界应有的评价, 从而确立了热是一种能量的概念, 而支持焦耳的开尔文则把一个热力学系统的热力转化过程同气体分子内能的变化联系起來, 在１８５３ 年给出了热力学第一定律的数学公式: △u=A+Q．這一定律表明, 如果系统在不吸收外部热量的情况下对外做功, 就必须消耗自身的内能．這一定律指出, 历史上企图创造的既不需要外界传递能量, 又不消耗系统内能的第一类永动机是不可能制造出來的．热力学第一定律所表示的关系也可以推广到如电磁、化学等形式的能量转化过程中去, 从而被理解为广义的能量守恒与转化定律．它是自然界基本的定律之一．

　　由於能量守恒与转化定律是处处都在起作用的普遍规律, 并且包罗了各种自然界的能量转化过程, 它恰好被许多人在這一时期同时独立地以不同形式、不同程度地发现了．

　　分子运动說

　　当阿伏伽德罗的分子概念在１９ 世纪后半叶被人們普遍接受后, 克劳修斯对宏观的热力学现象作了微观的动力学研究和解释: 气体是由大量运动着的弹性质点——分子组成的, 气体分子运动时, 通过各个方向上的不规则的相互碰撞, 交换动量和动能．气体的压力便是气体分子对器壁碰撞的总效应．运动的速率（不考虑方向的速度, 作为标量的速度值）随气体的温度升高而增加, 气体的热能就是分子运动的平均动能．這样, 他就对气体的压力和温度作出了微观解释．克劳修斯还从若干参数出发, 导出了气体温度、压力与分子平均动能之间的关系的数学表达式．

　　１８６０ 年, 英国人麦克斯韦（１８３１～１８７９）用概率统计的方法发现气体处於热平衡时, 尽管个别分子运动的速率大小是偶然的, 但从整体來說, 大量气体分子的速率分布却是遵从一定规律的, 在一定速率区间运动的分子数目是相对确定的．這一规律便是气体分子速率分布规律, 它是气体分子论的基本规律之一．