熱能的隱秘生活

當電磁輻射的科學研究和眾多新發現悄然登上科學雜志的頭版頭條時，對另一種能量形式的研究也在向前邁進，這種能量形式就是熱能。或許就是因為司空見慣，因此關于它的研究通常被人們認為沒有什么新聞價值。畢竟，每個人都知道火是熱的，要把水煮沸或者煮菜燒飯都需要耗費熱能，想要燒出水蒸氣也必須通過大量的熱能才能實現。到了18世紀中期，熱能使引擎轉了起來，而且在不久之后，火車、輪船和許多機器也都是通過熱能來推動了。

然而，在科學家看來，熱能與電一樣，也是一種神秘的能量。基于物質材料在變熱之后會相應膨脹的事實，伽利略成功地設計出了一種溫度計。他把一個裝滿水的瓶子顛倒過來，然后再把一些空氣注入這個瓶子中。隨著溫度的高低變化，瓶子里面的空氣也會發生膨脹或收縮，而這些變化帶動了瓶中液體的上下變動。由于沒有任何刻度來測量液體運動的精確變動值，這個簡陋裝置只能展示出相對粗略的溫度變化。

設計出一種有固定值的溫度計最終是在18世紀初期完成的。當時，曾經于1675年首次計算出光速的丹麥天文學家奧勒·雷默發明了一種以酒精為液體的溫度計。他設定了零度作為水結冰的溫度點，而60度被作為水煮沸時的溫度點。

1708年，荷蘭工具設備制造商丹尼爾·加布里埃爾·華倫海特造訪了雷默。回到荷蘭之后，華倫海特便開始制造自己的溫度計。他把零度作為啤酒結冰時的溫度點，而100度作為人體體溫的溫度點。按照這個刻度系統，水在32度的時候結冰，在212度的時候沸騰。這與雷默所設定的溫度點相對數值相差很大。最后，瑞典天文學家安德斯·攝爾修斯發明了一種水的冰凍點和沸點正好相差100度的溫度計。攝爾修斯最初把0度作為水的沸點，而把100度作為水的冰點，但是在攝爾修斯于1744年離別人世之后，瑞典生物學家卡爾·林耐把這個刻度顛倒過來，成為今天我們所用的攝氏溫度。但是，各式各樣的溫度計真正測量出的是什么呢？一些人認為，熱能來源于某種物質所引起的振動現象，其他人則認為熱能是一種沒有重量的流體，它包含于物質內部，卻可以從一個地方流向另外一個地方。18世紀末期，美國人本杰明·湯普森也加入到這個爭論中。

美國獨立戰爭初期，湯普森曾擔任英國軍隊的指揮官和間諜。1779年，他被提名為英國皇家學會成員。

在他致力于慕尼黑軍需用品研究的時候，湯普森注意到加農大炮發射之后，其金屬層會變得非常燙手。于是，他作出推斷：大炮所產生的熱量要比金屬本身所含有的熱量大一些，否則，金屬層自身所含有的熱量就會使其熔化。這說明，把熱能視為包含于金屬之中的能量流體的觀點是不能成立的。同時，他也注意到，摩擦是熱能產生的原動力，因此運動才是熱能產生的關鍵所在。湯普森甚至預測出某種數量的運動能夠產生多少的熱量。1798年，他把《受摩擦激勵的熱源的一個試驗調查》提交給英國皇家學會。

湯普森是一位充滿戲劇色彩的人物。在法國和英國爆發戰爭的時候，雙方都把其視為間諜，而且雙方都有可能是對的。他曾租下英國皇家研究院，并聘任漢弗萊·戴維擔任這個研究院的講師。他重新設計出能夠更好地保存熱量的壁爐和火爐；發明了中央加熱系統，即一種無煙的煙囪以及一種灶式烘烤器；對絲綢物質和保暖內衣褲進行了很多實驗。他曾經一夜暴富，也曾經傾家蕩產，并與非常富有的法國著名化學家安托萬·拉瓦錫的遺孀結婚。

湯普森的研究成果最終被英國曼徹斯特釀酒商的兒子詹姆斯·普雷斯科特·焦耳所吸收和繼承。思想保守、信奉神明的焦耳認為，能量的所有形式都具有同一性，而且能夠實現相互之間的轉化。對于一個釀酒專家而言，要證明這樣一個假設命題存在著一定難度，但是焦耳卻始終堅持著。

以電為切入點，焦耳于1840年發現了這樣一個比例關系，即一個電路所產生的熱量與電流和電阻之間的乘積的平方成正比。然后，他試圖找出電流和機械運動之間是否能夠依照可以預測的數量關系來產生熱能（湯姆遜曾設想過的這種數量關系只是一種粗略的估計）。和湯姆遜一樣，焦耳也認為能量從一種形式向另一種形式轉化，可以在不借助能量流體理論的條件下進行解釋和說明。

由于所接受的數學教育和培訓非常有限，焦耳很難通過數學公式把他的理論和思想表達出來。然而，其他研究者能夠對他精細的實驗進行復制，尤其是他于1847年發現需要多少機械力量才能使槳板把水的溫度提高1度（以華氏溫度為準）以后。焦耳證明，熱引擎所做的功的總量與在把能量轉化為功的過程中所喪失的熱能數量成正比。如今，功的標準單位便被稱為“焦耳”。

焦耳曾經與威廉·湯姆遜（后來的開爾文勛爵）開展合作，原因在于威廉·湯姆遜也認為熱能學和電磁學的研究將會通往一個統一的能量理論形式。威廉·湯姆遜和焦耳對各自的研究成果進行交流，最終，湯姆遜重新考慮他對于熱能理論的看法，并在熱能、電力和磁力的數學研究上完成了大量的工作。

在焦耳還忙碌于他的實驗研究時，由生理學家轉行而來的德國物理學家赫爾曼·馮·赫爾姆霍茨已經開始形成一種最為深刻和有用的物理學理論，即能量守恒定律。能量守恒定律的內容是：自然界中包含的存在著固定值的能量不能被增加也不能被減少。這個定律適用于能量從一種形式轉化為另一種形式的過程，即從熱能轉化為機械能、化學能轉化為電能、動能轉化為其他潛在能量等過程。同時，這個定律也適用于通過風車、水流以及燃燒燃料產生能量的過程。除此之外，能量守恒定律也適用于身體所產生的能量形式，以及重力能量、輻射能和核能等。

事實上，焦耳和德國醫學家、物理學家裘力斯·梅耶早已表達過類似的說法，但是這個能量守恒定律在赫爾姆霍茨于1847年發表的著作《論力的守恒》中找到了最有價值的表述方式。他所提出的關于能量守恒的觀點對于熱力學的出現和誕生起到了關鍵性的作用，并成為其第一定律。由于對能量有了從一種形式轉化為另一種形式的認識，很多無法解釋的現象終于得到了合理的解釋。

法國物理學家尼科拉斯·薩迪·卡諾也發現，蒸汽機的效率與其最高溫度和最低溫度之間的差值存在著極大的關聯性。換句話說，一部熱力引擎為你提供的做功總量依賴于熱源（比如鍋爐中的蒸汽）和冷源（熱能最終被轉至的地區）之間的溫度差。這種關系后來被人們所了解和接受，但是仍然沒有人真正知道其中的原因。卡諾通過熱能理論作出了如下的假設：所有經過引擎的熱能是不會發生變化的。德國物理學家魯道夫·克勞修斯認為，如果確實是這樣，那么熱能便可以循環再使用，而且引擎也會永遠不停地轉動著。

克勞修斯想要得出的結論是，熱能在本質上總是會自發地單向性流動，即從熱到冷的單向流動，而且這個路徑是不可逆轉的。如果確實如此，那么一杯咖啡一整天都是熱乎乎的，而咖啡周邊的空氣也會被其吸收了熱量。此外，克勞修斯還觀測到，隨著時間的推移，一個系統中熱能的某些部分總是會被發散掉，因此無法用于做功。這種無秩序現象在系統中逐漸積累起來，最終被稱為“熵”。這些公理堆積到一起就構筑成熱力學的第二大定律，而這個定律是由英國的開爾文勛爵獨立發現和創建的。

通過一個靈巧的反向推理，開爾文勛爵對這個熱力學第二定律進行了徹底的研究。最后他發現，如果熾熱的氣體能夠產生機械動力和熱的揮發，那么反過來也應該是完全可行的，即通過機械動力對一種氣體進行壓縮能夠使熱量從低溫轉變到高溫狀態。這一理論推動了19世紀早期冷藏工業的迅速發展。

對熱力學第二定律進行尋根究底的，是維也納物理學家路德維希·愛德華·玻耳茲曼。他做出了如下的猜想：如果能量是基于原子的運動，那么熱力學應該能夠通過數學來進行分析和論證。于是，玻耳茲曼創立了很多數學公式。這些數學公式既有關于分子中能量分布的，也有關于熵效應的。

玻耳茲曼認為，任一系統中的無秩序現象都可以被測量出來，即使不是最精確的，也是八九不離十的。通過在物質原子結構和能量的所有形式之間建立數學統計關系的研究成果，與麥克斯韋并肩作戰的玻耳茲曼成為19世紀晚期闡釋物質與能量的關系以及把這些研究整合起來的關鍵性人物。那段歷史時期也見證了對物質原子理論的反對聲。作為這一理論最為積極的提倡者和鼓吹者，玻耳茲曼發現自己也被卷入到這場學術激戰之中。最終，筋疲力盡、悲觀失望的玻爾茲曼在1906年上吊自殺。