探索热的本质：从微观角度揭示热水比冷水更热的奥秘

好奇是人类的天性，正是强烈的好奇心驱使着科学家们不断的思考探索万事万物背后的奥秘。夏天的时候，面对一杯冷水和一杯热水，我们知道它们在某一方面，比如温度，是完全不一样的。伸出手指，冷水将使我们感到凉爽，而热水将使我们感到温暖，于是我们忍不住去思考，究竟是什么使得热水比冷水更热呢？什么使得相同的物质却能有不同的温度呢？

答案是，热的本质就是能量。从微观的角度来看，热能就是分子动能。对于同一杯水而言水变成冰 水分子停止了运动嘛，如果水分子运动的越激烈，那么这杯水的热能也就越大，温度也就越高。如果我们用肉眼就能看到分子的话，我们就会发现冰里水分子的热运动速度，要比烧开的水里的水分子的运动速度更低。而加热一壶水的过程，就是一个使得水分子的热运动速度越来越快的过程。

然而人们以前并不知道热的本质就是能量，过去人们认为热是一种物质，是一种微妙的弹性流体，并把它命名为热素。人么认为，一块木头能够燃烧，是因为它含有热素，燃烧的过程就是一个消耗木头中的热素的过程，而一旦热素消耗完了，木头也就变成了灰烬，无法再发光放热，为我们继续提供热量了。

热素学说听上去也是很合理的，你从来没见过木头燃烧过后的灰烬能被继续燃烧吧？所以热素学说在相当长的一段时间里都占据着人们对热的认知。但还是有人发现了问题，在18世纪末，曾任慕尼黑兵工厂厂长的汤普森即后来的朗福德伯爵，一直对于大炮穿孔时产生大量热量的现象持怀疑态度，为此他进行了实验。他把钝刀具压进圆筒的孔内，在几乎只有摩擦作用的条件下进行旋转，测定了圆通的温升。并对加热效应进行了定量的研究（可以理解为需要算数的意思），结果证明摩擦是加热的原因。没有理由认为在摩擦的过程中创造了热素这种神秘的物质，所以朗福德伯爵的实验明确否定了热素说。

但事情到这里还不算完，朗福德伯爵虽然知道摩擦是加热的原因，但他对热的本质是什么也不是十分清楚的，他并未提出热与功等价的原理，或者是热就是能量的原理。此后不久，即1847年，*物理学家焦耳也进行了实验，他的实验装置如下图所示：

焦耳让重物p和p’下降一定的距离，而这将带动容器中的叶片转动，叶片搅拌水，水的温度将升高，焦耳精确测量了重物下降的距离，以及水的温升。焦耳断定水温上升是由于内摩擦的结果，并由此确定了热和功的能量是等价的，首次测定了它们之间转换的定量关系。焦耳的这项研究，为当时的学术界所瞩目，对以后建立能量守恒定律起了重要作用。因为这个实验，我们可以说焦耳是世界上第一个搞清楚了热是什么的人。