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第2章 火与热的故事

化学是离不开火的。在化学实验中最常见的用火工具是酒精灯。

研究化学就要观察热的变化。比如在冷水里倒进浓硫酸,搅拌以后再用手去摸烧杯,就能感觉到它比原来的冷水热很多。

化学中的热量需要计算。例如1克木炭和1克酒精,完全燃烧以后,又能产生多少热量,这个根据热化学方程式来计算,就能得出结论。

化学与温度也是不可分离的。就是各种物质在水里的溶解度的大小,都会随着温度的高低而变化。

火、热、热量和温度,它们的情况如何,是人们在日常生活中需要经常关心的问题。

火、热、热量和温度,相关很紧密但又各有特色,但它们的本质却都是发源于物质的运动。关于这一点,一开始时人们就不很了解。对此,历史上还曾经有很长的一段误解、争论、迷信,直到真相大白,这里还有一个故事。

火,是最早在人类的生活中接触到,并且注意和利用的化学现象。在远古时代我国就有“燧人氏钻木取火”的传说,考古发现的“北京人”遗址上,曾经用火的灰烬,还堆积了高达六尺之多,这就充分证明了他们在50万年以前,就能够把火种引到洞穴里来,并且让它保持连续地燃烧。也曾经有资料明确地提到,人类最早的用火纪录,可以追溯到140万年以前。人类开始用火时的情况,如何理解火,这都是发生在史前期的,还没有文字的阶段,所以根本无法考证。后人也就只能靠猜测来推断,还可能是刚开始的时候也和野兽一样怕火,很长时间以后才尝试着接近火,接触火,靠近火来取暖,并用火来烤烧猎物,再往后就发展到了把火种引入洞穴,还让火种保持不灭,最后还发明了钻木等摩擦取火的方法,还把火当成了神灵,祈求它为人类消灾去病。古人这样认识火,完全是来自于实践。在洞中有火,就经常能吃熟食,到了严冬时候,还能用来取暖,生病也少了,还抵御了自然灾害的侵袭,人们因此就把火视为宝物,敬若神灵,这样的心情是完全可以理解的。而且他们的这个行为,也是人类支配自然和人类自己的伟大开端。从用火到现在人类走向了有文化的时代。

开始用火对于人类所产生的影响,实在是很深远也很巨大。到后来,人们越学习越聪明了,而且也到了有文字的年代,人们对火也产生了好多的误解,有的人认为火是“万物之源”,还有的人认为火跟水、土、气一起构成了宇宙自然的四种“元素”,中国的古代有个学术流派,他们的主张是认为世界万物是由金、木、水、火、土这“五行”构成,“行”理解的简单一点,就是“行为”或“运动”。他们是想用五行之间相互的作用,可以用来说明各种实物的性质以及现象的本质。而且这五行当中,也只有火不是实实在在的物体,而且最神秘、最力大无穷,最难以认识,所以火就成了认识世界的时候,最为关心的问题,有的人甚至还把整个宇宙都看成是“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年),这100多年间还曾经流传着一种“燃素说”,这个学说认为,能够燃烧的东西里都有一种叫“燃素”的物质。也就是说,这个时候,他们便把火当成了一种实物,并且为此还做了很多的实验,他们想把“火”这种“物质”收集起来。当然,尽管如此他们还是没有得到“火”。在实验中,科学上有了很多的发现,其中最主要的是发现了氧气,还弄清了燃烧是氧化反应的本质。

我们所看到的明火和火焰,它都是物质燃烧时所产生的现象,在化学上发光放热的化学反应这一特征,就叫做燃烧。固体的铁在氧气中燃烧,通体红热火星四溅,但是却没有火焰。在燃烧的时候硫有蓝色的火焰,这是因为在氧气中燃烧的是硫的蒸气,火焰也就随着硫蒸气而飘忽不定的。所以,火其实并不是什么特殊的物质,“燃素”或者说“火素”根本是不存在的。

不同的人群都对同一种现象在进行着不同的研究,与“燃素说”同时,在欧洲的物理学界当时也流传着一种“热质说”,他们是这样认为的,认为热是一种特殊看不见的、又没质量的物质。他们同时也用“热质”的观点,并解释着物理上的热传导,道理居然还说得通,但是关于“摩擦生热”的现象,却是不能自圆其说。到了19世纪40年代,于是人们就彻底的抛弃了“热质说”。

关于热,现在我们只是从实践的经验出发,并做了简单的一些描述。每当把手伸到了一盆水中,我们就会感觉到水的冷热,如果是冷水,把它放到炉火上,不久冷水也能变成热水。一般在生活上所说的冷与热是相对的,对于一盆冷水来说,人手就是热的,对一盆热水而言,人手就是冷的。从实质上来说,热水中的水分子运动的能量比冷水中水分子运动的能量大。热水分子把部分的能量传到人手上,人就能感觉到这水是热的。而冷水分子却是从人手的皮肤上接受了能量,所以人就感觉到了这水是冷的。

在火焰中发生的化学反应,除了生成新的物质以外,还能释放出能量,这种能量可以使火焰很热,可以使冷水从火焰的分子里得到一些能量,所以水也就变热了。

冷、热就是分子运动的能量小些或大些的表现。

温度是物质冷热差别的一种量度,但是温度计却量不出分子运动能量的绝对值。所以我们就能够根据物质的比热和温度的变化差的数值,来算出一定量的物质的温度在变化时所放出或吸收的热量是多少。这是初中的物理课里就已经学到的。

一定量的物质,会发生一定的反应,也会放出或吸收到一定的能量。这样的能量其中绝大部分都是以热能的变化表现出来的,我们还可以根据物质的量、物质的比热,以及温度的变化来计算。

热,并不是一个孤立的概念,平常在和冷对比的时候才要提到它。为了对比冷和热,最好是用温度计。

温度计上的温标是摄氏度,用“°C”表示。它是人为的规定水在结冰时的温度为0℃,水沸,温度为100℃。科学上有的时候用的是绝对温标,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0K时的温度就是-273.15℃,在这个温度情况下,一切的运动都将处在不可思议的状态,如气体的体积在理论上就会等于零,也就是说,气体的分子不运动了,或者它的动能是零。绝对零度的条件,这还只是理论上推算出来的,目前的实验还没能达到这个温度,科学家们也正在为此而努力。

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