热能的隐秘生活

当电磁辐射的科学研究和众多新发现悄然登上科学杂志的头版头条时，对另一种能量形式的研究也在向前迈进，这种能量形式就是热能。或许就是因为司空见惯，因此关于它的研究通常被人们认为没有什么新闻价值。毕竟，每个人都知道火是热的，要把水煮沸或者煮菜烧饭都需要耗费热能，想要烧出水蒸气也必须通过大量的热能才能实现。到了18世纪中期，热能使引擎转了起来，而且在不久之后，火车、轮船和许多机器也都是通过热能来推动了。

然而，在科学家看来，热能与电一样，也是一种神秘的能量。基于物质材料在变热之后会相应膨胀的事实，伽利略成功地设计出了一种温度计。他把一个装满水的瓶子颠倒过来，然后再把一些空气注入这个瓶子中。随着温度的高低变化，瓶子里面的空气也会发生膨胀或收缩，而这些变化带动了瓶中液体的上下变动。由于没有任何刻度来测量液体运动的精确变动值，这个简陋装置只能展示出相对粗略的温度变化。

设计出一种有固定值的温度计最终是在18世纪初期完成的。当时，曾经于1675年首次计算出光速的丹麦天文学家奥勒·雷默发明了一种以酒精为液体的温度计。他设定了零度作为水结冰的温度点，而60度被作为水煮沸时的温度点。

1708年，荷兰工具设备制造商丹尼尔·加布里埃尔·华伦海特造访了雷默。回到荷兰之后，华伦海特便开始制造自己的温度计。他把零度作为啤酒结冰时的温度点，而100度作为人体体温的温度点。按照这个刻度系统，水在32度的时候结冰，在212度的时候沸腾。这与雷默所设定的温度点相对数值相差很大。最后，瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯发明了一种水的冰冻点和沸点正好相差100度的温度计。摄尔修斯最初把0度作为水的沸点，而把100度作为水的冰点，但是在摄尔修斯于1744年离别人世之后，瑞典生物学家卡尔·林耐把这个刻度颠倒过来，成为今天我们所用的摄氏温度。但是，各式各样的温度计真正测量出的是什么呢？一些人认为，热能来源于某种物质所引起的振动现象，其他人则认为热能是一种没有重量的流体，它包含于物质内部，却可以从一个地方流向另外一个地方。18世纪末期，美国人本杰明·汤普森也加入到这个争论中。

美国独立战争初期，汤普森曾担任英国军队的指挥官和间谍。1779年，他被提名为英国皇家学会成员。

在他致力于慕尼黑军需用品研究的时候，汤普森注意到加农大炮发射之后，其金属层会变得非常烫手。于是，他作出推断：大炮所产生的热量要比金属本身所含有的热量大一些，否则，金属层自身所含有的热量就会使其熔化。这说明，把热能视为包含于金属之中的能量流体的观点是不能成立的。同时，他也注意到，摩擦是热能产生的原动力，因此运动才是热能产生的关键所在。汤普森甚至预测出某种数量的运动能够产生多少的热量。1798年，他把《受摩擦激励的热源的一个试验调查》提交给英国皇家学会。

汤普森是一位充满戏剧色彩的人物。在法国和英国爆发战争的时候，双方都把其视为间谍，而且双方都有可能是对的。他曾租下英国皇家研究院，并聘任汉弗莱·戴维担任这个研究院的讲师。他重新设计出能够更好地保存热量的壁炉和火炉；发明了中央加热系统，即一种无烟的烟囱以及一种灶式烘烤器；对丝绸物质和保暖内衣裤进行了很多实验。他曾经一夜暴富，也曾经倾家荡产，并与非常富有的法国著名化学家安托万·拉瓦锡的遗孀结婚。

汤普森的研究成果最终被英国曼彻斯特酿酒商的儿子詹姆斯·普雷斯科特·焦耳所吸收和继承。思想保守、信奉神明的焦耳认为，能量的所有形式都具有同一性，而且能够实现相互之间的转化。对于一个酿酒专家而言，要证明这样一个假设命题存在着一定难度，但是焦耳却始终坚持着。

以电为切入点，焦耳于1840年发现了这样一个比例关系，即一个电路所产生的热量与电流和电阻之间的乘积的平方成正比。然后，他试图找出电流和机械运动之间是否能够依照可以预测的数量关系来产生热能（汤姆逊曾设想过的这种数量关系只是一种粗略的估计）。和汤姆逊一样，焦耳也认为能量从一种形式向另一种形式转化，可以在不借助能量流体理论的条件下进行解释和说明。

由于所接受的数学教育和培训非常有限，焦耳很难通过数学公式把他的理论和思想表达出来。然而，其他研究者能够对他精细的实验进行复制，尤其是他于1847年发现需要多少机械力量才能使桨板把水的温度提高1度（以华氏温度为准）以后。焦耳证明，热引擎所做的功的总量与在把能量转化为功的过程中所丧失的热能数量成正比。如今，功的标准单位便被称为“焦耳”。

焦耳曾经与威廉·汤姆逊（后来的开尔文勋爵）开展合作，原因在于威廉·汤姆逊也认为热能学和电磁学的研究将会通往一个统一的能量理论形式。威廉·汤姆逊和焦耳对各自的研究成果进行交流，最终，汤姆逊重新考虑他对于热能理论的看法，并在热能、电力和磁力的数学研究上完成了大量的工作。

在焦耳还忙碌于他的实验研究时，由生理学家转行而来的德国物理学家赫尔曼·冯·赫尔姆霍茨已经开始形成一种最为深刻和有用的物理学理论，即能量守恒定律。能量守恒定律的内容是：自然界中包含的存在着固定值的能量不能被增加也不能被减少。这个定律适用于能量从一种形式转化为另一种形式的过程，即从热能转化为机械能、化学能转化为电能、动能转化为其他潜在能量等过程。同时，这个定律也适用于通过风车、水流以及燃烧燃料产生能量的过程。除此之外，能量守恒定律也适用于身体所产生的能量形式，以及重力能量、辐射能和核能等。

事实上，焦耳和德国医学家、物理学家裘力斯·梅耶早已表达过类似的说法，但是这个能量守恒定律在赫尔姆霍茨于1847年发表的著作《论力的守恒》中找到了最有价值的表述方式。他所提出的关于能量守恒的观点对于热力学的出现和诞生起到了关键性的作用，并成为其第一定律。由于对能量有了从一种形式转化为另一种形式的认识，很多无法解释的现象终于得到了合理的解释。

法国物理学家尼科拉斯·萨迪·卡诺也发现，蒸汽机的效率与其最高温度和最低温度之间的差值存在着极大的关联性。换句话说，一部热力引擎为你提供的做功总量依赖于热源（比如锅炉中的蒸汽）和冷源（热能最终被转至的地区）之间的温度差。这种关系后来被人们所了解和接受，但是仍然没有人真正知道其中的原因。卡诺通过热能理论作出了如下的假设：所有经过引擎的热能是不会发生变化的。德国物理学家鲁道夫·克劳修斯认为，如果确实是这样，那么热能便可以循环再使用，而且引擎也会永远不停地转动着。

克劳修斯想要得出的结论是，热能在本质上总是会自发地单向性流动，即从热到冷的单向流动，而且这个路径是不可逆转的。如果确实如此，那么一杯咖啡一整天都是热乎乎的，而咖啡周边的空气也会被其吸收了热量。此外，克劳修斯还观测到，随着时间的推移，一个系统中热能的某些部分总是会被发散掉，因此无法用于做功。这种无秩序现象在系统中逐渐积累起来，最终被称为“熵”。这些公理堆积到一起就构筑成热力学的第二大定律，而这个定律是由英国的开尔文勋爵独立发现和创建的。

通过一个灵巧的反向推理，开尔文勋爵对这个热力学第二定律进行了彻底的研究。最后他发现，如果炽热的气体能够产生机械动力和热的挥发，那么反过来也应该是完全可行的，即通过机械动力对一种气体进行压缩能够使热量从低温转变到高温状态。这一理论推动了19世纪早期冷藏工业的迅速发展。

对热力学第二定律进行寻根究底的，是维也纳物理学家路德维希·爱德华·玻耳兹曼。他做出了如下的猜想：如果能量是基于原子的运动，那么热力学应该能够通过数学来进行分析和论证。于是，玻耳兹曼创立了很多数学公式。这些数学公式既有关于分子中能量分布的，也有关于熵效应的。

玻耳兹曼认为，任一系统中的无秩序现象都可以被测量出来，即使不是最精确的，也是八九不离十的。通过在物质原子结构和能量的所有形式之间建立数学统计关系的研究成果，与麦克斯韦并肩作战的玻耳兹曼成为19世纪晚期阐释物质与能量的关系以及把这些研究整合起来的关键性人物。那段历史时期也见证了对物质原子理论的反对声。作为这一理论最为积极的提倡者和鼓吹者，玻耳兹曼发现自己也被卷入到这场学术激战之中。最终，筋疲力尽、悲观失望的玻尔兹曼在1906年上吊自杀。