編者按：由于人類對(duì)熱的探索十分漫長(zhǎng)曲折,，所以本文篇幅較長(zhǎng)，為便于消化吸收,，本次超能課堂也拆分為上下兩篇,，上篇為基礎(chǔ)篇，基本上能理解熱的本質(zhì),，下篇為進(jìn)階篇,，將在下周發(fā)表，有興趣進(jìn)一步了解的同學(xué),，可關(guān)注留意,，以下為正文。

一,、熱學(xué)之旅啟程

熱量不能自發(fā)地從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體,，或表述為：孤立系統(tǒng)的熵永遠(yuǎn)不會(huì)減少。

這是人類史上最重要的物理定律之一,，甚至可以把之一去掉,，也被稱為最令人絕望的物理定律——熱力學(xué)第二定律，它揭示了我們這個(gè)世界終極演化的規(guī)律,，也預(yù)示了宇宙殘酷的未來(lái),。為什么這么講，那一切都得從“熱”說(shuō)起。

與光一樣,，熱是我們生活中無(wú)處不在,，卻又難以實(shí)在觸摸的東西。比如電腦,、手機(jī)需要散熱,，人發(fā)燒了需要降溫，熱似乎是一種可以從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體的東西,，然而無(wú)論是從生活經(jīng)驗(yàn)還是科學(xué)發(fā)展史的角度看,，熱的問(wèn)題與光的問(wèn)題是同樣地?fù)渌访噪x，也吸引人類不斷追尋探索,。

無(wú)處不在的“熱”

我國(guó)古代傳說(shuō)，燧人氏鉆木取火以化腥臊,，奉為千古圣皇,；古希臘神話中，普羅米修斯盜天火而惠天下,，遂為世間英雄。在古代各民族的語(yǔ)言里,，“火”與“光”和“熱”幾乎是同義語(yǔ),，在文學(xué)作品中這些詞匯也往往互相指代，追求熱與冷現(xiàn)象本質(zhì)的企圖可能是人類最初對(duì)自然界法則的追求之一,。

而事實(shí)上,，“熱”的概念也是相當(dāng)深刻的，直到二十世紀(jì)人類才與光的問(wèn)題一起有了較為系統(tǒng)完整的認(rèn)知（愛(ài)因斯坦在《物理學(xué)的進(jìn)化》一書(shū)中就說(shuō)過(guò)：“熱量”和“溫度”是人們長(zhǎng)期未搞清楚的問(wèn)題）,。哲學(xué)家休謨提出過(guò)一個(gè)著名的懷疑論命題：一切因果關(guān)系都是不可靠的,，例如我們看到太陽(yáng)光照在石頭上，然后石頭變熱——雖然我們總是看到這兩件事情先后出現(xiàn),，但我們沒(méi)有理由說(shuō)是太陽(yáng)照在石頭上導(dǎo)致了石頭變熱,。

今天我們就從現(xiàn)代科學(xué)的角度探討一下這個(gè)問(wèn)題：熱到底是什么？光與熱又有怎樣的關(guān)聯(lián),？

為了讓大家對(duì)熱的概念有更深刻的理解,，我將按照人類歷史上對(duì)熱的認(rèn)知的順序來(lái)逐步深入講解，而不會(huì)一下就進(jìn)入十分抽象的微觀領(lǐng)域,。

二,、熱雖未知，溫標(biāo)卻已先行（1593-1742）

盡管不知道光是什么,，但人類會(huì)用顏色去描述光的性質(zhì),；同樣，盡管不知道熱是什么，但很早就會(huì)用溫度去描述熱的程度,。

樸素的溫度概念源于日常生活,，冷熱的感覺(jué)靠身體觸摸，例如《齊民要術(shù)》中記載制酪的溫度要“小暖于身體”,，也就是要比體溫略高,，而作豉則“溫如腋下為佳”，即人們自身的體溫是衡量溫度的標(biāo)準(zhǔn),。但人的感覺(jué)不是衡量溫度的可靠標(biāo)準(zhǔn),，如觸摸同溫的鐵器和木頭，則感覺(jué)鐵器冰冷而木頭溫和,，這是由于鐵的導(dǎo)熱性更好,，能夠快速將你手上的“熱”給導(dǎo)出來(lái)，使你感覺(jué)到“冷”,，測(cè)溫需要有客觀的手段,。

即使對(duì)“熱”的本質(zhì)一無(wú)所知，但古人們已經(jīng)掌握了很多有關(guān)“熱”的現(xiàn)象：例如太陽(yáng)照在石頭上會(huì)變熱,，睹瓶水之冰釋而識(shí)天下之寒暑,，觀爐火之純青乃知金汁之可鑄。熱脹冷縮,，蒸騰凝聚,，這些常常伴隨“熱”的現(xiàn)象原則上都可以用來(lái)作為測(cè)溫的手段。

一般認(rèn)為,，溫度計(jì)的發(fā)明者是伽利略,，大約在1593年前后，他用一個(gè)帶有玻璃泡的長(zhǎng)玻璃管倒插在盛有墨水的容器中,，用管中水柱的升降來(lái)表示“熱度”（那時(shí)候還沒(méi)有溫度的概念）,。

伽利略驗(yàn)溫器實(shí)物圖

伽利略的溫度計(jì)沒(méi)有刻度,，且與氣壓變化有關(guān),，很不精確，只能稱作驗(yàn)溫器,。在伽利略之后的150年內(nèi),，出現(xiàn)了愈來(lái)愈完善的溫度計(jì)，并創(chuàng)立了幾種“溫標(biāo)”,。其中就沿用至今的華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)：

（1）華氏溫標(biāo)：由德國(guó)物理學(xué)家華倫海特在1714年創(chuàng)立,。他把冰水混合物（也就是水的冰點(diǎn)）的溫度定為32度，大氣壓下水的沸點(diǎn)定為212度,，這之間的溫度等分,，記為℉,。

（2）攝氏溫標(biāo)：由瑞典物理學(xué)家攝爾修斯在1742年創(chuàng)立。他一開(kāi)始把水的冰點(diǎn)定為100度,，沸點(diǎn)定為0度,，這之間的溫度等分。后來(lái)在同事的建議下倒了過(guò)來(lái),，就成為今天最常用的一種溫標(biāo)了,，記為℃。這里需要說(shuō)明的是,，所謂在0度和100度之間等分,，是指使用水銀溫度計(jì)，把水銀柱的高度等分100分,，規(guī)定每份為1度,。

到此為止人們似乎是找到了很好的自定義的規(guī)則去衡量一個(gè)物體的冷熱程度，但離熱的本質(zhì)還差得很遠(yuǎn),，甚至就連溫度到底是什么也并不清楚,。

譬如，我們的溫標(biāo)總是要依賴一種物質(zhì)屬性作為標(biāo)準(zhǔn),，比如華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo),，就要以水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)為固定點(diǎn)，用水銀柱的高度進(jìn)行等分,；有的溫標(biāo)當(dāng)然也可以以酒精的熱脹冷縮作為標(biāo)準(zhǔn),，或者使用電阻在不同溫度下的電阻值不同——那么問(wèn)題來(lái)了，如果我們把酒精在攝氏溫標(biāo)下0℃時(shí)的體積記為V0,，在攝氏溫標(biāo)下60℃時(shí)的體積記為V60，然后這之間的溫度等分,，那么我們就應(yīng)該規(guī)定,，當(dāng)酒精的體積是1/2(V0+V60)時(shí)，在酒精溫標(biāo)上應(yīng)該對(duì)應(yīng)著30度,，但此時(shí)攝氏溫標(biāo)卻要高于30℃,！這其實(shí)也很好理解，因?yàn)榫凭呐蛎浵禂?shù)在攝氏溫標(biāo)下看來(lái)并不是線性的,，隨著“攝氏溫標(biāo)下的溫度”的升高酒精會(huì)膨脹地越來(lái)越快,！

我們只是習(xí)慣采用水銀的膨脹這一物理性質(zhì)作為溫度衡量的標(biāo)準(zhǔn)，但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)我們未對(duì)“溫度”這一術(shù)語(yǔ)下科學(xué)的定義,。是否能找到一種不依賴于物理屬性（比如膨脹,、電阻等等）的理想溫標(biāo)作為各種溫標(biāo)的基準(zhǔn)呢？

為了照顧科學(xué)史上的認(rèn)知順序,，我們得暫時(shí)放下這個(gè)關(guān)于“溫度”本質(zhì)的問(wèn)題,，花開(kāi)兩朵各表一枝,，來(lái)同步看一下人們對(duì)于“熱量”的認(rèn)識(shí)。

三,、熱究竟是物質(zhì)還是能量,？（1732-1850）

誠(chéng)如愛(ài)因斯坦所說(shuō)，“溫度”和“熱量”的區(qū)別是人們長(zhǎng)期未搞清楚的問(wèn)題,，在攝爾修斯（攝氏溫標(biāo)創(chuàng)立人）的年代,，化學(xué)家最關(guān)心“火”（即熱）對(duì)化學(xué)反應(yīng)快慢的影響。荷蘭化學(xué)家布爾哈夫在1732年出版的《化學(xué)原理》中對(duì)溫度已經(jīng)選用了水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)作為兩個(gè)固定點(diǎn),，他用冷水和熱水混合的辦法以獲得設(shè)定的溫度,；但在他的概念里，溫度計(jì)測(cè)量的不是熱的程度,，而是熱的數(shù)量——等量的水混合后“熱量”是它們的算術(shù)平均值,。

但不同的物質(zhì)混合后會(huì)怎樣？何謂“等量”的不同物質(zhì),？理解為“等重量”所做的實(shí)驗(yàn)是失敗的,，因此布爾哈夫確信是“等體積”，即認(rèn)為同體積的任何物質(zhì),，在相同的溫度變化下都吸收或放出同樣數(shù)量的熱,。他令等體積的 100°F 水和 150°F 水銀混合（注意當(dāng)時(shí)1732年還只有華氏溫標(biāo)沒(méi)有攝氏溫標(biāo)），所得的溫度是 120°F 而不是預(yù)期的 125°F．這是布爾哈夫所不能解釋的,，故人稱“布爾哈夫疑難”,。

約瑟夫·布萊克（1728-1799）,，提出了“潛熱”,、“比熱”概念

在接下來(lái)的50年時(shí)間里，人們搞清了這個(gè)疑難的癥結(jié)在于把熱的強(qiáng)度（溫度）和熱的數(shù)量（熱量）混為一談,。英國(guó)物理學(xué)家布萊克做了大量的實(shí)驗(yàn)后斷言,，同質(zhì)量的不同物質(zhì)在發(fā)生相同溫度變化時(shí)，所吸收或放出的熱的數(shù)量是不一樣的,。他還把32℉的冰和等質(zhì)量172℉水混合,，得到的最終溫度也不是102℉而仍然是32℉，其效果是全部的冰融化為水,。布萊克提出了“潛熱”的概念,，即物體狀態(tài)變化時(shí)，一部分“活動(dòng)的熱”變成“潛藏的熱”而不表現(xiàn)為溫度升高,。潛熱的發(fā)現(xiàn)鞏固了原已存在的“熱量守恒”的概念,，到了1780年前后，量熱學(xué)的基本概念——溫度,、熱量,、熱容量,、比熱、潛熱等都已確立,。（從這里我們也可以看到,，雖然對(duì)熱的本質(zhì)和溫度的本質(zhì)還不清楚，但是溫標(biāo)的建立對(duì)于實(shí)驗(yàn)和理論的發(fā)展是多么有用,。）

在區(qū)分了溫度和熱量的概念之后,，我們進(jìn)一步還是要問(wèn)，溫度的本質(zhì)是什么,？熱量的本質(zhì)又是什么,？

自古以來(lái)對(duì)熱的本質(zhì)的看法大體上可歸納為兩類：熱質(zhì)說(shuō)和熱動(dòng)說(shuō)。熱質(zhì)說(shuō)認(rèn)為熱是一種特殊的物質(zhì),，稱為“熱質(zhì)”,，是由沒(méi)有重量的微粒組成（跟“光子”一樣），可以從一個(gè)物體流向另一個(gè)物體,，其數(shù)量是守恒的,；熱動(dòng)說(shuō)則認(rèn)為熱是組成物質(zhì)的原子運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)，今天我們知道熱動(dòng)說(shuō)是更加正確的（我之所以說(shuō)更加正確,，而不說(shuō)熱質(zhì)說(shuō)是錯(cuò)誤的,，因?yàn)榭茖W(xué)發(fā)展到今天給我們的教訓(xùn)就是，永遠(yuǎn)要保持謙虛和可能被推翻的態(tài)度,，所有的理論都只是在目前看來(lái)是正確和好用的,，并不代表我們就已經(jīng)掌握了真理）。在18世紀(jì)之前,，牛頓,、胡克、培根,、笛卡爾主張熱動(dòng)說(shuō),，伽利略則傾向熱質(zhì)說(shuō)。由于布萊克在量熱學(xué)方面的成就加強(qiáng)了人們關(guān)于“熱量守恒”的信念,，從1780年代開(kāi)始，幾乎整個(gè)歐洲都相信了熱質(zhì)說(shuō),。

歷史的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，倫福德伯爵為“熱動(dòng)說(shuō)”提供了有力佐證

然而,，熱質(zhì)說(shuō)很快就受到了挑戰(zhàn),。英國(guó)的倫福德伯爵在1797年到慕尼黑兵工廠監(jiān)制大炮膛孔工作，1798年1月25日在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)作報(bào)告說(shuō)：“我發(fā)現(xiàn),，銅炮在鉆了很短一段時(shí)間后,，就會(huì)產(chǎn)生大量的熱,；而被鉆頭從大炮上刮削下來(lái)的銅屑更熱（像我用實(shí)驗(yàn)所證實(shí)的，發(fā)現(xiàn)它們比沸水還要熱）,?！?/span>

在今天從熱動(dòng)說(shuō)的觀點(diǎn)看，這是由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)（摩擦）的能量轉(zhuǎn)換到了銅原子的振動(dòng)能量,，也就是“熱”,。布萊克發(fā)現(xiàn)潛熱以后，主張熱質(zhì)說(shuō)的人對(duì)摩擦生熱現(xiàn)象是這樣辯解的：在摩擦的過(guò)程中物體的比熱減小,，且從物體內(nèi)部擠壓出來(lái)的潛熱溢于表面,。倫福德繼續(xù)做的大量實(shí)驗(yàn)使人相信，只要摩擦長(zhǎng)時(shí)間地持續(xù)下去,，便可愈來(lái)愈多,、甚至于無(wú)限多地產(chǎn)生出熱量來(lái)。這一點(diǎn)是熱質(zhì)說(shuō)怎樣也無(wú)法解釋的,。戴維做了兩塊冰的摩擦實(shí)驗(yàn),，實(shí)驗(yàn)中冰在摩擦中慢慢融化為水，然后溫度上升,。在此過(guò)程中“熱質(zhì)”不可能從外邊跑進(jìn)去,，冰融化時(shí)吸收潛熱，而不是潛熱從冰里被擠出來(lái),。

倫福德伯爵的大炮鉆孔實(shí)驗(yàn)裝置

盡管倫福德和戴維的實(shí)驗(yàn)和提出的論據(jù)如此充分，他們的觀點(diǎn)并沒(méi)有被廣泛接受,。與此同時(shí),，熱學(xué)理論在“熱質(zhì)說(shuō)”這個(gè)軀殼內(nèi)繼續(xù)發(fā)展著其積極的一面：1818年前后，拉普拉斯和泊松用微積分為熱質(zhì)說(shuō)建立起一套精致的數(shù)學(xué)分析表述,，并由此得到聲速公式,，日后為克勞修斯所借鑒，成為現(xiàn)今熱力學(xué)里的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)表述,；此外,，1824年卡諾用熱質(zhì)說(shuō)的觀點(diǎn)論證了著名的卡諾定理，盡管他對(duì)熱質(zhì)說(shuō)是有懷疑的,，且想接受熱動(dòng)說(shuō),。當(dāng)時(shí)人們對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)還很不清楚，卡諾不明白,，在他的熱機(jī)的活塞和汽缸這類固體物質(zhì)中,，原子是否接觸在一起。若是接觸,，為什么它們的熱振動(dòng)不因摩擦而衰減,？若不接觸,，它們是怎樣固結(jié)在一起的？

可見(jiàn),，人們不能立即接受熱動(dòng)說(shuō),，是因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)科學(xué)發(fā)展的階段里時(shí)機(jī)尚不成熟。而倫福德和戴維的科學(xué)觀點(diǎn)則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超前于他們同時(shí)代人,，成為發(fā)現(xiàn)能量守恒定律的先驅(qū),。

焦耳的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)（槳葉攪拌）

真正建立能量守恒定律,、徹底擊潰熱質(zhì)說(shuō),、使熱動(dòng)說(shuō)確立在堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的科學(xué)家是大名鼎鼎的焦耳。焦耳的工作起始于電流的熱效應(yīng),，在1841年發(fā)表了初中大家都學(xué)過(guò)的電學(xué)中的焦耳定律,。但焦耳最為重要的工作是在1840-1849年通過(guò)磁電機(jī)實(shí)驗(yàn)、槳葉攪拌實(shí)驗(yàn)等等原理不同的實(shí)驗(yàn)不下400余次,，精確測(cè)量了熱功當(dāng)量——多少機(jī)械功能使1g純水升高1℃,，所有實(shí)驗(yàn)均指向同一個(gè)數(shù)值：4.154焦耳。這說(shuō)明熱的本質(zhì)與機(jī)械功是相同的,，熱是一種能量,。1850年，克勞修斯發(fā)表《關(guān)于我們稱為熱的這種運(yùn)動(dòng)》,，把焦耳的實(shí)驗(yàn)總結(jié)成了熱力學(xué)第一定律,，又基于熱動(dòng)說(shuō)重述了卡諾定理，總結(jié)為了熱力學(xué)第二定律（克勞修斯表述,，也就是本文開(kāi)始的那段話）?，F(xiàn)代熱力學(xué)從此真正建立了。

自焦耳之后,，我們終于可以得出關(guān)于熱的本質(zhì)的一個(gè)結(jié)論：熱是微觀粒子的運(yùn)動(dòng),，它與宏觀運(yùn)動(dòng)是可以相互轉(zhuǎn)換的。這一結(jié)論在今天看來(lái)雖然是沒(méi)錯(cuò)的,，但顯然還不夠深刻,。人類的認(rèn)知還在繼續(xù)。

四,、搞清熱量與溫度的關(guān)系（1662-1905）

熱動(dòng)說(shuō)的確立使得人們對(duì)于熱的本質(zhì)邁出了巨大的一步,，但此時(shí)我們必須停下來(lái)再看一下另一條線索——“溫度”的本質(zhì)了。讓我們從第二節(jié)結(jié)束的地方接續(xù)起來(lái),，為了找到一種不依賴于物理屬性的理想溫標(biāo)，人們發(fā)現(xiàn)不同的氣體的溫標(biāo)彼此總是較為接近的,，所以人們?cè)噲D回過(guò)頭去尋找有關(guān)氣體和溫度的研究,。

氣體三大定律發(fā)現(xiàn)人：玻意耳、查理,、蓋呂薩克

時(shí)間回到1662年,，這一年玻意耳發(fā)現(xiàn)，在溫度不變的情形下,，一定量氣體（與氣體種類無(wú)關(guān)）的壓強(qiáng)和體積的乘積總是一個(gè)定值,，稱為玻意耳定律；一百多年之后,，1787年,，查理定律表明，在體積不變的情況下,，一定量氣體的壓強(qiáng)隨溫度線性變化（看起來(lái)挺簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn),，為什么要等一百多年才做出來(lái)呢？結(jié)合溫標(biāo)的發(fā)展歷史,，大家自己想想看）,；1802年，蓋呂薩克定律表明,，在壓強(qiáng)不變的情況下,，一定量氣體的體積隨溫度線性變化。以上三大定律都與氣體的種類無(wú)關(guān),。這三大定律直接導(dǎo)致了絕對(duì)溫標(biāo)和絕對(duì)零度的誕生,。

下面這一段我將會(huì)使用少量的小學(xué)數(shù)學(xué)工具去分析以上三個(gè)定律，并由此告訴大家絕對(duì)零度的來(lái)歷,。不喜歡數(shù)學(xué)的同學(xué)也可以直接跳過(guò)這一段,。

人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體非常稀薄的時(shí)候（這一條件是為了保證氣體是理想氣體,，即氣體分子之間的相互作用忽略不計(jì)）,，查理定律和蓋呂薩克定律的線性系數(shù)都趨近1/273。細(xì)節(jié)是這樣的：我們?nèi)?℃時(shí)的氣體壓強(qiáng)和體積作為基準(zhǔn),，比如0℃時(shí)我們說(shuō)氣體的體積是1,，壓強(qiáng)也是1——于是查理定律表明，體積不變的情況下,，當(dāng)溫度升高1℃時(shí),，壓強(qiáng)變?yōu)榱?+1/273，當(dāng)溫度升高5℃時(shí),，壓強(qiáng)變?yōu)榱?+5/273,，就是這么簡(jiǎn)單。無(wú)獨(dú)有偶，蓋呂薩克定律表明,，當(dāng)壓強(qiáng)不變的情況下,，溫度升高1℃時(shí)，體積變?yōu)榱?+1/273,，溫度升高5℃時(shí),，體積變?yōu)榱?+5/273！

那這個(gè)系數(shù)1/273是什么呢,？敏銳的同學(xué)肯定已經(jīng)發(fā)現(xiàn),，這不就是絕對(duì)零度嘛（現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)，絕對(duì)零度是-273.15℃）,！為啥叫做絕對(duì)零度呢,？因?yàn)槟憧矗陨w呂薩克定律為例,，當(dāng)溫度下降1℃時(shí),，體積變?yōu)榱?-1/273，那當(dāng)溫度下降273℃時(shí),，體積豈不是變?yōu)榱?-273/273=0了嗎,！因此人們說(shuō)，這個(gè)溫度是不能企及的最低溫度,，稱為絕對(duì)零度,。

所以說(shuō)，絕對(duì)零度是根據(jù)三大氣體定律外推出來(lái)的一個(gè)數(shù)值,，在當(dāng)時(shí)并不是有什么理論推導(dǎo)也不是因?yàn)榻档胶艿蜏囟冉挡幌氯チ巳缓笳f(shuō)是絕對(duì)零度,，而完全是由簡(jiǎn)單的氣體實(shí)驗(yàn)外推出來(lái)的一個(gè)使得氣體的體積和壓強(qiáng)都變?yōu)?的“假想”的溫度，事實(shí)上,，在達(dá)到這一低溫之前氣體早已液化或固化了,，人們此時(shí)也并不知道所謂“絕對(duì)零度意味著所有原子停止運(yùn)動(dòng)”這一說(shuō)法。但我們將在下一節(jié)知道這一溫度是所有可能達(dá)到的溫度的最低極限,。1954年經(jīng)重新核算并為國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式規(guī)定的數(shù)值為：-273.15℃,。

絕對(duì)零度為 0 K（開(kāi)爾文溫標(biāo)）,、-273.15 °C（攝氏溫標(biāo)） 或 -459.67 °F（華氏溫標(biāo)）（來(lái)源sciencenotes.org）

1834年克拉伯龍使用三大氣體定律建立的溫標(biāo)稱為理想氣體溫標(biāo),，也就是大家熟知的理想氣體狀態(tài)方程：PV=nRT。這個(gè)溫標(biāo)已經(jīng)朝擺脫具體測(cè)溫屬性的方向邁出了一大步,。1848年開(kāi)爾文在卡諾定理的基礎(chǔ)上建立了熱力學(xué)溫標(biāo)（也叫絕對(duì)溫標(biāo),、開(kāi)爾文溫標(biāo)），只需要規(guī)定水的三相點(diǎn)（簡(jiǎn)單理解就是水的冰點(diǎn)）的溫度為273.15,，就可以得到所有的溫度,。具體操作有一點(diǎn)復(fù)雜,，需要一些附加知識(shí)，有興趣的同學(xué)可以去查有關(guān)卡諾定理和熱力學(xué)溫標(biāo)的有關(guān)資料,。對(duì)我們現(xiàn)在的計(jì)算而已,，只要把攝氏度減去273.15就可以得到絕對(duì)溫度，單位為開(kāi)爾文（K）,。

1848年開(kāi)爾文建立了熱力學(xué)溫標(biāo)

現(xiàn)在我們終于有了與測(cè)溫物質(zhì)無(wú)關(guān)的絕對(duì)溫標(biāo),，但我們還是不知道溫度的本質(zhì)是什么……小編并不是故弄玄虛地不告訴大家答案,，而是人類的確用了很長(zhǎng)很長(zhǎng)的時(shí)間去探索，已經(jīng)建立了很好的溫標(biāo)體系,，但仍然不清楚最終的答案,。

那時(shí)人們已經(jīng)意識(shí)到，熱量代表熱傳遞的數(shù)量,，與能量是相當(dāng)?shù)?，而溫度則代表熱的強(qiáng)度——這有點(diǎn)像水位與儲(chǔ)水量的關(guān)系，一個(gè)容器內(nèi)水位的高低固然與儲(chǔ)水量有關(guān),，但還與容器的大小,，即橫截面有關(guān)。水量的多少相當(dāng)于熱量,，而水位的高度相當(dāng)于溫度,。其實(shí)這等于沒(méi)說(shuō)，水位的高度——熱的強(qiáng)度又是什么呢,？

我們與連通器類比一下,，容器的形狀不同，但是如果他們之間是連通的,，那么水位的高度就一定是一樣的,，這是由于液壓導(dǎo)致的平衡狀態(tài)。經(jīng)驗(yàn)告訴我們,，如果兩個(gè)物體相互接觸達(dá)到熱平衡,，那么它們的溫度一定是一樣的，盡管熱量可能不同（這種經(jīng)驗(yàn)最終在1931年以熱力學(xué)第零定律的名稱科學(xué)地表述了出來(lái),，因?yàn)樵谶壿嬌纤鼞?yīng)該在熱一律和熱二律之前,，所以稱為第零定律）。這種現(xiàn)象背后的原因是不是像連通器一樣,，溫度也有一種溫壓呢,？導(dǎo)致兩個(gè)物理平衡后不是熱量均分（對(duì)應(yīng)連通器里水的體積）而是溫度相等（對(duì)應(yīng)水位高度）。

連通器

那么這種溫度的壓力是什么呢,？熱動(dòng)說(shuō)的進(jìn)一步發(fā)展必須深入到物質(zhì)結(jié)構(gòu)的微觀層次。雖然原子的結(jié)構(gòu)要等到1897年湯姆生才發(fā)現(xiàn)電子，1912年盧瑟福才發(fā)現(xiàn)原子核,，但不管原子是長(zhǎng)什么樣的,，古希臘的哲學(xué)家們就已經(jīng)相信，物質(zhì)是由一個(gè)個(gè)基本的原子組成的,，并且原子處于永恒的運(yùn)動(dòng)之中,。1827年英國(guó)植物學(xué)家布朗在顯微鏡下觀察到懸浮在靜止液體里的花粉不停地左無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。起初他以為花粉是活的,，但塵埃顆粒也會(huì)如此,，后來(lái)他才搞清楚，花粉是在周?chē)肿訜o(wú)規(guī)則地撞擊下運(yùn)動(dòng)的,，因?yàn)樗堰@種運(yùn)動(dòng)稱為布朗運(yùn)動(dòng),。1905年，愛(ài)因斯坦發(fā)表論文證明了原子存在的證據(jù),，并給出了布朗運(yùn)動(dòng)的理論解釋,，把分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)稱為熱運(yùn)動(dòng)（有趣的是，同年愛(ài)因斯坦共發(fā)表了五篇論文,，一篇是這里對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的解釋,，一篇拿到了博士學(xué)位，一篇解釋了光電效應(yīng)并因此獲諾獎(jiǎng),，一篇建立了狹義相對(duì)論,，一篇提出了著名的公式E=mc2）。

基于愛(ài)因斯坦的理論,，我們認(rèn)識(shí)到：“熱量”就是熱運(yùn)動(dòng)的能量,，即“熱能”，而溫度可以理解成“熱壓”,，代表了原子的“平均動(dòng)能”,，也就是平均每個(gè)原子所具有的動(dòng)能。因此當(dāng)兩種物體接觸的時(shí)候,，它們的原子動(dòng)能會(huì)達(dá)到一致,，溫度也就相同了。例如把一個(gè)冷的鐵球放到一杯熱水里,，水分子溫度高,，振動(dòng)更劇烈，它們迫使鐵原子也劇烈地振動(dòng)起來(lái),，最后達(dá)到相同的振動(dòng)動(dòng)能,，這個(gè)過(guò)程中水分子所傳遞給鐵原子的動(dòng)能的量就是“熱量”。

這里再稍稍深入一點(diǎn),，從熱動(dòng)說(shuō)的角度解釋一下比熱,、潛熱和物態(tài)變化的內(nèi)在原因,。分子的熱運(yùn)動(dòng)的能量其實(shí)包含勢(shì)能和動(dòng)能兩個(gè)部分，你可以把它想象成一個(gè)懸掛在彈簧上的小球不斷地振動(dòng),，彈簧的勢(shì)能和小球的動(dòng)能不斷相互轉(zhuǎn)換,。分子熱運(yùn)動(dòng)的能量中勢(shì)能部分使原子趨于團(tuán)聚，動(dòng)能部分使分子趨于飛散,，這兩個(gè)對(duì)立的因素總處于競(jìng)爭(zhēng)的狀態(tài),。

大體說(shuō)來(lái),，當(dāng)平均動(dòng)能勝過(guò)勢(shì)能時(shí),，物質(zhì)就處于氣態(tài)；勢(shì)能勝過(guò)平均動(dòng)能時(shí),，表現(xiàn)為固態(tài)；二者相當(dāng)時(shí),，就表現(xiàn)為液態(tài),。在物態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，例如冰融化為水時(shí)所吸收的“潛熱”,，并沒(méi)有改變水分子的動(dòng)能（表現(xiàn)為溫度不變）,，而是用于水分子之間氫鍵等作用力的斷裂（相當(dāng)于拉伸彈簧，勢(shì)能增加）,。而由于不同物質(zhì)的密度,、原子質(zhì)量等因素的不同，分子之間相互作用力導(dǎo)致的勢(shì)能不同（例如水的氫鍵）,，因此同樣溫度的情況下,，盡管每個(gè)原子的“能量”是相同的，但整塊物質(zhì)所含有的“熱量”卻不同,，這就很好理解了,。

到此為止，我們好像終于搞清楚了熱的本質(zhì),、“熱量”和“溫度”的關(guān)系：

熱的本質(zhì)是組成物質(zhì)的原子分子的微觀運(yùn)動(dòng),，熱運(yùn)動(dòng)包含有動(dòng)能和勢(shì)能兩部分，其宏觀體現(xiàn)通常表現(xiàn)在兩個(gè)方面——“熱量”和“溫度”,?！盁崃俊贝怼盁帷钡亩嗌伲浔举|(zhì)是微觀粒子運(yùn)動(dòng)的總能量,；“溫度”代表“熱”的強(qiáng)度,，其本質(zhì)是微觀粒子運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能。

不同物質(zhì)的密度,、原子質(zhì)量等因素的不同,，分子之間相互作用力導(dǎo)致的勢(shì)能不同,，因此同溫度同體積下，盡管每個(gè)原子的“動(dòng)能”是相同的,，但整塊物質(zhì)所含有的“熱量”卻不同,。

當(dāng)時(shí)的人們也認(rèn)為整個(gè)物理學(xué)都已經(jīng)基本弄清楚了。發(fā)明絕對(duì)溫標(biāo)的開(kāi)爾文爵士在1900年回顧物理學(xué)所取得的偉大成就時(shí)說(shuō),，物理大廈已經(jīng)落成,，所剩的只是一些修飾工作。

然而,，故事并沒(méi)有結(jié)束,。時(shí)間進(jìn)入二十世紀(jì)，量子力學(xué)的風(fēng)暴席卷世界,，人們對(duì)熱的認(rèn)識(shí)也要再度翻新,。

未完待續(xù)……在下篇中我們將會(huì)講到光與熱、熵與漲落,、熵與信息以及熱宇宙模型等問(wèn)題,，并會(huì)結(jié)合實(shí)際例子來(lái)解釋生活中的熱現(xiàn)象。