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第2章 火、热、热量和温度的故事

化学上要用火。酒精灯就是最常见的用火工具。

化学上要观察热的变化。浓硫酸倒到冷水中,搅拌后用手去摸烧杯,会感觉到它比原来的冷水热得多。

化学上要计算热量。如1克木炭和1克酒精,完全燃烧后,各会产生多少热量,只要根据它们的热化学方程式一算,就会得出结果。

化学上还要讲究温度。如各种物质在水中的溶解度大小,都会随着温度的高低而变化。

火、热、热量和温度,它们的情况和大小,也是人们日常生活中经常要关心的问题。

火、热、热量和温度,是紧密相关而又各具特色的,但它们的本质都是发源于物质的运动。关于这一点,人们一开始时是很不了解的。对此,在历史上曾有过很长一段的误解、争论、迷信,直到最后真相大白的过程,这就是我下面要讲的故事。

火,是人类生活中最早接触到并加以注意和利用的化学现象。我国远古时代就有“燧人氏钻木取火”的传说,从考古发现的“北京人”遗址上,用火的灰烬,堆积了高达六尺之多,证明他们在50万年以前,就会把火种引到洞穴里来,并保持它燃烧不断。有关资料明确的提到,人类最早用火的纪录,应追溯到140万年以前。在人类开始用火的时候,对火怎样理解,这是发生在史前期,没有文字的阶段,无人能够知晓。后人只能猜测,可能是开始时像野兽那样怕火,很长一段时间后尝试着接近火,接触火,靠近火取暖,烤烧猎物,再后发展到引火种入洞穴,保留火种不灭,最后发明钻木等摩擦取火的方法,并把火当作神灵,祈求它为人消灾祛病。古人这样认识火,完全来自实践。有火在洞中,能经常吃熟食,时到严冬,更能有个温暖的环境,生病的少了,抵御了自然灾害的侵袭,人们由此把火视为宝,敬若神灵,这种心情完全可以理解。而他们的这一行为,是人类支配自然,包括人类自己的伟大开端。从用火开始,人类走向了有文化的时代。

由于用火,对人类产生的影响,实在太深远巨大了,到后来,到人们比较聪明已经有了文字的年代,对火却产生了种种的误解,有认为火是“万物之源”的,有认为火跟水、土、气一起,是构成宇宙自然的四种“元素”之一的,中国古代有一个学术流派,主张构成世界万物的是金、木、水、火、土这“五行”,“行”的简单意思也可以理解成“行为”或“运动”。他们意图用五行之间相互作用的关系,来说明各种实物的性质和现象的本质。而这五行中,只有火不是实物,最为神秘、最为力大无穷,最难以认识,也就成了认识世界的过程中,最为关心的问题,有人甚至把整个宇宙看成都是“一团永恒的活火”来强调火的重要性。

在欧洲,17世纪末到18世纪的70年代(1774),这100多年间曾流传着一种“燃素说”,这种学说认为,能燃烧的东西里都有一种物质叫“燃素”。也就是说,他们把火当成一种实物,并为此做了很多实验,想把“火”这种“物质”收集起来。当然,他们都没有能得到“火”。人们在实验中,竟有了很多科学的发现,最主要的是发现了氧气,弄清了燃烧的本质是氧化反应。

火的明火和火焰,都是物质燃烧所产生的现象,化学上把发光放热的化学反应这一特征,就叫做燃烧。固体铁在氧气中燃烧,通体红热火星四溅,但没有火焰。硫在燃烧时有蓝色火焰,是硫的蒸气在氧气中燃烧,火焰是随着硫的蒸气而飘忽不定。由此可见,火并不是一种特殊的物质,“燃素”或说成“火素”是根本不存在的。

无独有偶而有趣的是,跟化学上的“燃素说”同时,在欧洲物理学界也流传着一种“热质说”,他们认为热是一种特殊的,看不见的、没有质量的物质。他们用“热质”的观点,解释物理上的热传导,竟然说得通,但对摩擦生热的现象,却难以自圆其说。到了19世纪40年代,人们终于彻底的抛弃了“热质说”。

关于热,我们现在只从实践经验出发,做一些简单的描述。当我们把手伸到一盆水中,会感到水是冷或是热,如果是冷水,把它放到炉火上,不久冷水就成了热水。一般生活上所说的冷和热是相对的,对一盆冷水说,人手是热的,对热水而言,人手是冷的。从实质说,热水中水分子运动的能量比冷水中水分子的大。热水分子把能量部分的传到人手上,人就感到这水是热的。冷水分子从人手的皮肤上接受了能量,人就感到这水是冷的。

在火焰中发生化学反应时,除生成新的物质外,还放出能量,这种能量就使火焰很热,冷水从火焰中分子里得到部分能量,水就热了。

冷、热是分子运动能量一种小些、一种大些的表现。

温度是物质冷热差别的量度,但温度计量不出分子运动能量的绝对值。我们能够根据物质的比热和温度变化之差的数值,算出一定量的物质温度变化时放出或吸收热量是多少。这是初中物理课里就会学到的。

一定量的物质,发生一定的反应,放出或吸收的能量是一定的。这种能量绝大部分是以热能的变化表现出来,我们也可以根据物质的量、物质的比热,以及温度的变化来计算。

热,并不是一个孤立概念,平常在和冷对比才要提到它。为了对比冷和热,最好是用温度计。

温度计上常用的温标是摄氏度,用“°C”表示。它是人为规定水在结冰时的温度为0°C,水在常压下沸腾的温度为100°C。科学上有时用绝对温标,用“°K”表示。它在温度计上分格的大小和摄氏度相同,而它的最低点,即0°K时的温度就是-273.15°C,这一温度情况下,一切运动会处于不可思议的状态,如气体的体积理论上就会等于零,也就是说,气体的分子不运动了,或它的动能为零。绝对零度的条件,是理论推算出来的,目前的实验还没有达到这一温度,科学家们正在为此而努力。

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