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「如虚如实说」| 能量与能量转换之热能（二）

iseeyu2年前 (2024-11-27)推广104

原作始发于广东科学中心官方微信公众号

在《广东科学中心「如虚如实说」| 能量与能量转换之热能（一）》一文中讲到瓦特（James Watt，1736—1819）的蒸汽机催生了第一次工业革命。卡诺（Nicolas Léonard Sadi Carnot, 1796—1832）的卡诺循环描述了蒸汽机做功的循环过程。

讲到蒸汽机，读者会想到喷火吐烟的锅炉。每个人都知道火。但是火是什么？许多人却答不上来。

在1970年代的时候，美国芝加哥的一位中学生问他的物理老师火是什么，老师被问住了。他到图书馆去查资料，发现众说纷纭，不得要领。于是他写信到各大学校物理系询问。这件事情传开，美国物理学会还特意把有代表性的回信编辑成文，在学会的期刊上发表。许多美国的中学教材也因此重写。

什么是火？火是一个叫做燃烧的化学反应过程。火的发生必须要有可燃物质（燃料）和助燃物质（氧气或氧化物）。物质会有个燃点。超过燃点时就会和助燃物质产生化学反应，从而起火。要达到燃点温度可以用各种方法加热，如摩擦、通电、光照、火花等等。起火后温度增高，燃烧就会持续下去，一直到可燃物质或助燃物质消耗殆尽（图1）。

图1，燃烧图解

不同的物质燃点不同，氢气的燃点为585℃。汽油的燃点为247~280℃。纸的燃点为218~245℃。磷的燃点很低，只有34℃，所以用来做火柴。金属的燃点高些。镁的燃点为473℃，加工时不小心就会燃烧。铁的燃点为1315℃，所以不容易起火。

助燃物主要是氧或氧化物，可以是气体，也可以是液体或固体。空气中含有大量的氧气，所以要加速燃烧要鼓风，要灭火就要阻断空气。

人们研究燃烧这个过程已经有数千年了。在古代，中国与世界各地都有用火作为武器的记录。三国时代的赤壁之战（208年）就是一个例子。七世纪时，犹太人加利尼科斯（Kallinikos of Heliopolis）发明了“希腊火”。希腊火的燃料是一种液体，燃点很低，喷射出去就会起火，喷到那里就烧到那里。这一犀利的火器帮助康斯坦丁堡（现为伊斯兰堡）的东罗马帝国两次击退阿拉伯人的围攻（678年、717年）（图2）。

图2，“希腊火”

古希腊有所谓“燃素”的理论。这一理论认为物体可燃是因为其中含有燃素，燃素耗尽，火也就熄灭了。1665年德国科学家奥托·冯·格里克（Otto von Guericke，1602—1686）发明了往复式真空泵并利用真空泵做了一系列实验。他把密闭容器中的空气抽走，进而发现容器中的蜡烛会就此熄灭。这证明燃素理论是错误的。格里克还发现放在真空容器中滴答作响的钟没有了声音，这说明空气是传播声音的媒体。他把鸟儿放在容器中，容器抽了真空鸟儿就死了，这说明鸟儿需要空气才能存活。他最著名的实验是大气压强实验。他将两个直径50厘米的铜半球合在一起，抽了真空后两个半球就紧紧地咬合在了一起，要用八匹马才能拉开（图3）。格里格出生于马德堡（Magdeburg），并曾任马德堡的市长多年。所以这个实验也称之为马德堡实验。

图3，奥托·冯·格里克和他的马德堡实验

第一个发现燃烧本质的是法国科学家安托万-洛朗·拉瓦锡（Antoine-Laurent de Lavoisier，1743—1794）。1772年他发现燃烧后的磷比燃烧之前的磷要重些。他推测这一重量的增加是磷在燃烧时与空气相结合的结果。当时人们已经知道硫磺在燃烧后会轻于燃烧前的重量，这又怎么解释呢？拉瓦锡用实验证明这是由于与硫磺结合的气体在燃烧过程中逸出，所以就变轻了。

他还发现这逸出的气体与水银燃烧时逸出的气体是一样的。拉瓦锡把这种气体叫做“oxygen” ，即氧气。氧气的拉丁文意思是生成酸的元素，然而这实际上并不准确。生成酸的方法有多种，不一定要氧气。根据物质在其燃烧过程中重量不变的事实，拉瓦锡提出了著名的物质守恒定律：物质可以从一种形式变成另一种形式，但其总质量不变。他还编辑了一个元素表，列举了33个元素（后来证明有些元素不存在或不是元素而只是化合物）。他写了一本有关化学原理的书，这本书影响深远。直到今天人们都尊他为化学之父。

拉瓦锡出生于巴黎一个富裕的律师家庭。他20岁就拿到了律师证书。但他感兴趣的则是科学。一系列成功的科学实验让他在25岁时就入选法国科学院院士。同年他还成了法国王室的税收官，收入丰盛。几年后他与玛丽-安妮·皮尔雷特·波尔茨（Marie-Anne Pierrette Paulze）结为夫妻（图4）。

图4，拉瓦锡夫妇

玛丽-安妮不但年轻美貌，而且聪颖过人。她精通绘画、音乐，还通晓好几种语言。1772年英国科学家亨利·卡文迪许（Henry Cavendish，1731—1810）和约瑟夫·普里斯特利(Joseph Priestley，1733–1804) 发现了氢气。由于氢气可燃，所以他们把氢气称为可燃气。玛丽-安妮把普里斯特利的专著翻译成法文。她还在实验室里为丈夫做助手（图5），证明了把氢和氧组合在一起就成为水。拉瓦锡最后把氢气定名 “hydrogen”，拉丁文的意思是生成水的元素。拉瓦锡与玛丽-安妮夫妇两人琴瑟和鸣，过着美满富裕的。1794年，法国大革命爆发，拉瓦锡本想置身事外，但是却不幸做了砍头机下之鬼，令整个欧洲科学界为之震惊。

图5.玛丽-安妮画的图画，她的丈夫站在中间指挥做实验，她坐在边上记录

后来，朗福德伯爵（Count Rumford，1753—1814）进一步完善了燃烧理论。燃烧是化学反应，在这个反应过程中，燃烧物与助燃物结合，从一种物质变成另外一种物质，同时释放出能量，驱使周围的分子运动（包括气体、液体和固体），因此产生了热能。

朗福德伯爵本名本杰明·汤普森（Benjamin Thompson）。他出生于美国马萨诸塞州一个普通家庭。他自幼聪颖，能说会道，19岁时就当上了郎福特镇学校的校长。这一年他与当地一位富有的寡妇结婚，马萨诸塞州的总督提拔他填补了这位寡妇的前夫留下的少校空缺，这使他名利双收。不久，美国的独立战争爆发，他支持英军。1776年英军战败撤离波士顿，他抛下妻女只身逃到英国。他在英国工作了几年，很有成就，不但入选为英国皇家学会的院士而且还荣获爵士头衔。1783年他去了欧洲大陆，并成为巴伐利亚的行政和军政长官。

他锐意改革，为巴伐利亚的振兴做出了很大的贡献。在行政上他引进美洲的马铃薯和瓦特的蒸汽机，兴办学校和工厂。至今在慕尼黑还有他建立的公园。在军政上他改革军饷制度，加强教育和训练，使巴伐利亚日益强盛。1790年汤普森被封为伯爵，他特意选定朗福德为自己的封号。1798年他回到英国建立了英国皇家研究院（Royal Institution of Great Britain）。这个研究院与英国皇家协会不同。皇家协会是个荣誉组织。而研究院是个实体的研究机构，实实在在的地促进了英国的科研，催生了一大批著名的科学家。

同时他深入研究热能。他注意到在镗削大炮炮筒时（图6），炮身会不断升温。根据拉瓦锡的理论，热是流体，流完了就没有了。但是镗削大炮时，热不断产生，永无止境。因此他提出了热能是通过粒子运动传播的理论（参见《「如虚如实说」| 温度四讲之二：地球的温度》）。他首先测量了机械能与热能转换的当量，并证明了切削炮身时的发热量等于镗削机床的动能。他还发明了壁炉和咖啡机，但都没有申请专利。后来他移居巴黎。1804年他与拉瓦锡的遗孀玛丽-安妮结婚，这时候两人都快50岁了。因为性情不合，两人很快就离了婚。1814年郎福德伯爵病逝世于巴黎。

图6，朗福德伯爵和他的大炮镗削实验

不同的燃料燃烧时会产生不同颜色的火焰。例如，钙（Calcium）的火焰是橙色的，镁（Magnesium）的火焰是白色的，锶（Strontium）的火焰是红色的，铜（Copper）的火焰是蓝色的，钠（Sodium）的颜色是黄色的，锶和铜加在一起（Strontium+Copper）的火焰是紫色的。节日的焰火用的就是这个原理（图7）。这也是现代光谱分析仪的基本理论依据（参见《广东科学中心「院士说」 | 物质的成分、质谱和色谱谱》）。

图7，焰火的化学

还需要一提的是爆炸。燃烧不一定会导致爆炸（例如用煤气炉烧菜）。爆炸不一定需要燃烧（例如吹爆一个气球）。不过由于燃烧会导致火焰周围的分子运动加剧，气体的压力增加，容易产生爆炸（例如加热一个气球）。图8是氢-氧混合物（如空气）在不同温度和压力下的爆炸曲线。在1个大气压（760 mm Hg）下，温度超过580℃就会爆炸。