《物理的故事——在悖论中前行》
第26节作者:
江湖小片 日期:2017-08-15 22:19:36
下面开始介绍热力学和统计力学,后面介绍光的一些故事,由光到相对论。因为相对论本身就是因为光速不变与伽利略协变之间的悖论导致的。
日期:2017-08-15 22:30:18
第二十三回:热的简史
麦克斯韦在研究电磁的时候,将力线类比流体力学,将电磁的传递方式类比于热。“如果人类对某一个未知领域还含糊不清的话,将其类比于已有的定律是最好不过的了”,这便是麦克斯韦所说的“物理类比法”。麦克斯韦时代的热和光又是怎样的光景呢?
在所有的物理研究中,应该没有比研究热现象更早的了。人类研究热现象估计在大约4万年前,那时候人还住在山洞里,所以称为“穴居人”。他们还不能说是真正意义上的人,因为他们的大脑尚不够发达,只能使用简单的工具,但是热渐渐改变了一切。当时热主要来源于太阳,而阴天或者晚上时则来源于火。穴居人发现各种食物放在火上烧或者开水里煮一下,味道会更好,同时肚子也好受一些,当然他们还不知道煮熟的食物对大脑有多大的影响。在整个人类文明的进化史上,没有比对火的使用更具有意义了。
研究的早不代表进展的快,要想穴居人在研究热方面有什么进展那是天方夜谭。甚至到古希腊时代,聪明的古希腊人对热的研究也鲜于记载。
转眼到了伽利略时代。伽利略本是一名医生,医生会接触一些发烧的病人,伽利略发现这些病人的体温和正常人是有差别的,但是光靠手摸实在是太敷衍了事了,应该有一个测量温度的仪器。为此伽利略又陷入苦思冥想之中。
忽然某天,他看到孩子们玩的一个玩具,据说是古希腊人制造出来的(如下图左图):一个中间有水的U型槽,一端密封,另外一端用铅球密封,当给铅球加热时,对面的水位升高——这是根据热胀冷缩的原理制成的。伽利略灵感初来,但是制成一个能使用的温度计还是花费了很长的时间。1593年,人类历史第一个温度计诞生了(下图右图):
一个带玻璃球的玻璃管,上面含有空气,玻璃口插入器皿中,器皿含有带颜色的液体,当玻璃球的温度升高,颜色水柱会下降,在玻璃管上标相等的刻度,便可测量温度了。伽利略的温度计有着划时代的意义,终于人类对温度的研究进入了定量分析时代。伽利略本人没有将他的温度计发扬光大,在以后的岁月了他忙着研究时髦的天体去了。
伽氏温度计缺陷很多,比如病人总不能站起来把咯吱窝放到玻璃球上吧。于是1632年法国人简雷设计了一个新的温度计:将伽氏温度计倒置过来。但是依然没有办法解决温度计中液体的挥发、大气压的干扰和水容易结冰的问题。
到了1657年,伽利略的一个学生斐迪南制作了一个密封的温度计,并用酒精代替了空气。但是酒精的沸点比水还要低,所以根本无法测量开水的温度,于是法国人布里奥用水银代替酒精。
至此时,温度计面临着一个致命的问题。它就像一把尺子,如果没有标准,谁也说不清一米长还是一丈短,所以温度计也需要一个标准的刻度,简称温标。当时有很多人制作新的温度计,每个温度计都有不同的标准,比如丹麦天文学家罗默(Romer,1644—1710)就以酒精的沸点表示成60度。与罗默同时代的胡克和牛顿等人对热和温度也有一定的研究,他们都意识到该制定一个标准的温标了,但是都没有付诸于行动。
直到1714年,荷兰物理学家华伦海特(Fahrenheit,1686—1736)制作了很多同样刻度的温度计,他认为罗默等人的温标有个明显的缺陷,容易导致负数,即零下多少多少度。他把水银温度计放到冰雪和盐的混合物中,画个线作为0度,然后又把温度计含到嘴巴里,画个刻度。他在两个刻度之间化了24个格子,每个作为1度。后来他又觉得格子的距离太大,不够精确,又将每个格子划成4小格,也就是说人的体温是96度了。这就是华氏温标的由来,和今天的华氏温标还是有些出入。华氏温标记为℉。
在数字中,人类毕竟还是喜欢10、100这样的整数。于是1742年瑞典人摄尔修斯(Celsius,1701—1744)引入了百分刻度法。他将一个大气压下的水的冰点作为0度,将水的沸点作为100度。这就是中国日常使用的摄氏温标,记为℃。
温度有了标准,热又是什么呢?一切还得从常见的产生热的火说起。
火是什么?这是上古时代就有的讨论,结果古人一致将火列为一种元素,比如中国的五行说。火不是独立存在,它只有在燃烧时才有。英国人罗伯特波义耳(Boyle,1627—1691)在小弟罗伯特胡克的协助下得出结论:物体只能在空气中才可以燃烧。他认为火是有一种叫“火素”的微粒组成的。
那么燃烧的本质又是什么呢?直到1669年,德国化学家贝歇尔(Becher,1635—1682)类比“火素”,提出了“燃素说”的初步设想,将燃素和土、气等归为一类, 他认为物体在燃烧时,燃素会溢出,留下了“灰烬”。
1703年,贝歇尔的学生施塔尔( Stahl,1659—1734),直接将燃素赋予物质本身,他认为火是由无数小小的微粒组成的,而构成这种小小微粒的便是“燃素”。燃素存在于物体体内,被燃烧时便会以火焰的形式溢出。如此说来,灰烬一定比原物要轻,这些都在木头、煤油、酒精等等物体的燃烧中得到很好的验证。
在余下的半个世纪里,人类一直虔诚地信奉者燃素说。那时候,人类尚未认识到空气的属性,以为空气是单一的元素组成的——和牛顿之前对白光的认识一样。
1755年英国化学家约瑟夫布拉克(Black,1728—1799)在煅烧石灰石得到一种新空气(二氧化碳),但是这种新空气不阻燃,所有也不含燃素,而且新的空气很容易和碱性的物质结合起来,故而又称为“固定气体”。布拉克是化学和物理的两栖科学家,火能产生热,但是热未必都是从火中产生的。比如一杯水,有冷有热。他做了一个实验:两杯同量的水,一杯40度,另外一杯60度,混合后水温正好是50度,于是他类比于“燃素”提出了新的概念“热素”。他认为“热素”是一种没有重量的、可以流动的物体,存在于物体内部,看不见摸不着。与此同时,他将等量0度的冰与60度的水放在一起,最终温度远小于30度。他继续研究,发现0度的冰转化为0度的水要需要热,也就说热和温度不是一回事,他提出了“潜热”的概念。
到了1774年,英国化学家普里斯特利(Pricstiey,1733—1804)在实验中获得了另外一种新空气(氧气)。他发现蜡烛等物体可以在这种新空气中燃烧,而且还更加激烈。普里斯特利一生发现了很多气体,被人誉为“气体化学之父”,每种气体的助燃性不一样,有的强有的弱,有的不能助燃,而助燃性最强的当时刚才提到的“新空气”。于是普里斯特利认为燃素不仅存在于物体中还存在气体中,燃烧时两种燃素的化合;当气体的燃素多时,就不需要那么多燃素,故而助燃性就弱,反之则强。而助燃性最强的“新空气”应该是没有燃素的,所以普里斯特利将其命名为“去燃素气体”。
【网站提示】 读者如发现作品内容与法律抵触之处,请向本站举报。 非常感谢您对易读的支持!
举报
© CopyRight 2011 yiread.com 易读所有作品由自动化设备收集于互联网.作品各种权益与责任归原作者所有.