论摩擦激起的热源

✍ dations ◷ 2025-07-01 12:47:30 #物理学史,热力学,1790年代科学

《论摩擦激起的热源》(英语:An Experimental Enquiry Concerning the Source of the Heat which is Excited by Friction,也称为伦福德的炮筒镗孔摩擦生热实验)(1798),是由伦福德最早发表在《自然科学会报》 上的一篇论文,这篇论文向当时的热质理论抛出了一个重大难题,并引发了19世纪的热力学革命。

热质说是一种曾用来解释热的物理现象的理论。此理论认为热是一种称为“热质”(caloric)的流体物质,热质会由温度高的物体流到温度低的物体,也可以穿过固体或液体的孔隙中。

伦福德是热质说的反对者,他在当时经过研究后认为,所有的气体和液体都是绝对不导热的。由于他的观点过于超前,不被当时的科学界认可,并遭到约翰·道尔顿和约翰·莱斯利等人的批评。

由于伦福德受天主教的目的论论证影响很深,他可能希望授予水某种特殊的导热权。

尽管伦福德试图将热量与运动建立联系,不过没有证据表明他研究过分子运动论或是活力理论。

在这篇论文中,伦福德承认他曾认为热是运动过程的一部分。这与弗兰西斯·培根、罗伯特·波义耳、罗伯特·胡克、约翰·洛克和亨利·卡文迪什过去的一些观点不谋而合。

伦福德观察了慕尼黑兵工厂加农炮镗孔(英语:Boring (manufacturing))过程中摩擦生热的一些过程后进行了这个实验。他将一个加农炮筒浸入水中,并准备了一种特别钝的镗钻机。在这种情况下他不断的用钻机摩擦炮筒,钻出大量高热量的碎屑,并发现大概两个半小时后水沸腾了。但问题在于,通过比较炮筒的比热容可以发现,这个过程中炮筒并没有损失能将水加热水平质量的物质来加热水,这与热质说的结论不符。

伦福德认为,看似无限的热量生成与热质理论不吻合。他认为在这个过程中唯一进行的操作只是运动和摩擦,因此他认为热不可能是物质而有可能是运动。

伦福德甚至粗略估计出产生1开尔文的热需要5.5焦耳的机械能,但他并未尝试进一步量化所产生的热量或测量热量的机械当量。

大多数当时的科学家认为热质说的确存在不完善之处,可以通过进一步完善该理论来适应该实验的结果,这一派科学家包括威廉·亨利和托马斯·汤普森(英语:Thomas Thomson (chemist))。此外,汤普森、永斯·贝采利乌斯和安东尼·塞瑟(英语:Antoine César Becquerel)发现了电似乎也能由摩擦“无限产生”。在当时没有一个科学家愿意承认电不是一种流体。

最终,伦福德声称的“无限生成”的热量被认为是该研究的鲁莽外推。查尔斯·海尔戴特(英语:Charles Haldat)批评,伦福德的实验可重复性(英语:reproducibility)十分差,整个实验看起来有一些偏见。

然而,伦福德的实验给了焦耳灵感,1840年代焦耳再次精确的做了一次本实验,这次他用上了测定热量的仪器,最终在热质说的基础上建立了分子运动论这门科学。

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