发布时间 : 星期四 文章自然辩证法课程教学案例 - 图文更新完毕开始阅读
幸运的是纽科门的一台蒸汽机出现故障并送到了一个不大出名的叫詹姆斯·瓦特（James Watt,1736-1819）的修理工那里。在修理那台蒸汽机的过程中，瓦特发现一种可以大提高蒸汽机效率的办法。1769年，詹姆斯·瓦特申请了他的第一项蒸汽机专利。这项专利是瓦特在改善蒸汽机性能方面所获得的众多专利中的第一个。当瓦特完成了蒸汽机的研究工作的时候，英国各地的矿井和工厂中都安装了他的蒸汽机，而瓦特也变成了一个富有的名人。当时，由瓦特的蒸汽机掀起的英国工业革命正在热火朝天地进行着。人类开始对热功之间的关系进行积极探索。
蒸汽机就是热机。要想了解蒸汽机的物理原理，必须先认识热。英国化学家、内科医师和物理学家约瑟夫·布莱克（Joseph Black,1728-1799）是詹姆斯·瓦特的朋友和经济上的支持者，他是最初认真研究热的本质的人之一。
布莱克博学多才，他在格拉斯哥（Glasgow）大学和爱丁堡（Edinburgh）大学学习医学和自然科学。后来，布莱克在格拉斯哥大学讲授化学、解剖学和医学。他还曾经是一名职业医生，但是今天我们之所以记得他是因为他在化学和物理学中的贡献。在化学方面，他证明了无色、无味的二氧化碳气体和普通的空气之间是有区别的。这些实验要先于拉瓦锡做的那些实验。在物理学中，布莱克是最早认真研究热的本质的人之一。在热力学发展的历史中，他最重要的贡献是那些关于热的实验和理论。
布莱克注意到了热的若干个重要性质。他注意到加热一个物体有时会导致这个物体的温度升高，但是有时则不会使物体升温。例如，如果加热一个装有冷水的容器，那么水的温度就会相应地升高。但是水已经沸腾，提高加热速度仅仅会导致水的沸腾更加剧烈，但温度并不会改变。同样地，如果对一块冰进行加热，
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就会导致冰块的温度升高直至其熔点（华氏32度或摄氏0度）。如果对达到熔点的冰块继续溶化而温度才会再次升高。
任何物质在气态和液态之间的相互转变，或者液态和固态之间的相互转变称为“相变”。布莱克的实验证明了当一种物质发生相变时，其温度会保持恒定，一直到相变完全结束。基于这种现象，布莱克根据“热可以做什么”而非“热是什么”定义了热的概念。他把可以导致温度变化的热称之为显热，而把可以导致相变的热称之为潜热。
布莱克也注意到了我们现在所谓的物体比热的变化。为了理解这个概念，假设我们把同样的热量传递给质量相等的两种液体，例如水和洒精。虽然两种液体吸收的热量相同，但是引起的温度变化却不同。洒精升高的温度要比水升高的温度多。此外，不仅温度变化随物质的不同而不同，而且物质随温度膨胀或收缩的程度也是如此。对于布莱克和他的同代人来说，他们观察到的这些存在于热和物质之间的复杂相互作用阻碍了他们对于热的本质的认识。
布莱克果后，建立释他所观察一种可以从的流体。当较冷的物体由较热的物较热的物体物体温度就一个物体流热物体的体
得到了许多重要的实验结了他所谓的热质理论来解到的现象。他猜想热质是一个物体流向另一个物体一个较热的物体与另一个相接触的时候，热质就会体流向较冷的物体。那个温度降低，而那个较冷的相应升高。而且当热质从向另一个物体时，那个较积就会减小，而那个较冷
物体的体积就会增加。假设存在热质后，他能够推导出热质所必备的各种各样的性质而使他的理论自洽。这些性质中最重要的是热质守恒。也就是说，布莱克认为热质以及动量、质量都不能产生或消失。布莱克提出了一种新的守恒定律。
回顾一下他的实验就不难理解为什么布莱克认为热质守恒了：在实验中如果要使一个确定的物体升高一定的温度，他可以知道需要给这个物体传递多少热质
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（热量）。同样，他也可以测量出如果要使同样的物体降低到一定的温度，需要减少多少热质。当两个物体彼此接触，通过测量其中一个物体的温度，他可以计算出另外一个物体的温度变化：第一个物体热质的减少反映了第二个物体热质的增加。这些发现使布莱克得出结论：热质既不能产生，也不能消失，它只能由一个物体传递给另一个物体。
布莱克的热质守恒定律颇具影响力。当时许多著名的科学家都接受了他的观点，当然也有一些人从一开始便持有不同意见。早期一位持有不同观点的人是美裔物理学家、发明家和行政管理者本杰明·汤姆森（Benjamin Thompson,1753-1814），即拉姆福德伯爵（Count Rumford）。在美国独立战争时期，汤姆森效忠于英国。战争中有一段时间他是英国间谍，后来在纽约成为英国军官。战争结束后，他明智地移居到了英国。
汤姆森极富有创造力。他在英国生活了一段时间，后来移居到巴伐利亚。在那里他发明了滴漏式咖啡壶和一种炉灶。他改进了壁炉和烟囱设计。作为一名巴伐利亚行政官，他进行了许多社会变革并推广了詹姆斯·瓦特的蒸汽机。而对科学史最重要的是，作为巴伐利亚兵工厂的主管，汤姆森督导了大炮钻孔事宜。大炮钻孔是一项进程缓慢、具有高温环境的工作。当钻孔机钻切金属的时候，钻头和大炮的温度会急剧增加并产生许多小金属碎片。这时，必须把大量的水倾倒在钻头上，以防止钻头和大炮变得过热。但是这需要源源不断地补充水量，因为水量很快就会蒸发掉。
按照热质理论，在钻孔过程中产生的大量热量就是由这些碎片引起的。这些从大钢管上切下来的小碎片容纳的热量无法像钢管一样多。因此由金属碎片流出的热质会传递到水中，从而导致水的沸腾。沸水的产生只不过是热质守恒的结果。但是汤姆森注意到，钻头在用过一段时间后就会变钝而不能再钻切金属，因此也不会再产生金属碎片，但是倾注到这个钝钻头的水仍然会沸腾。这时钻头是热的，大炮金属是热的，水也是热的。由此汤姆森推断，钝钻头和大炮之间的摩擦产生了热质。这就表明（按照汤姆森的观点）热质并不是守恒的。汤姆森甚计算出了对大炮所做的功大约与产生热量成正比，这有力地表明了热质理论是有缺陷的。然而大多数科学家忽视了汤姆森的发现。汤姆森的工作之后，热质理论还统治了科学界数十年。但是后来它逐渐地失去了其优势地位，因为越来越多的反例表明
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这个理论并没有事实依据。
萨迪·卡诺
法国工程师萨迪·卡诺（Sadi Carnot,1796-1832）赞成布莱克的热质理论。卡诺的父亲是一名作家、政治家和军事将领，他被卷入到法国政治动乱当中，这场动乱贯穿了卡诺的一生。当法国大革命局势变味，政治死刑成为家常便饭的时候，拉扎尔正在流亡之中。拿破仑上台之后，他回到法国成为军事部长兼内务部长。1815年，拿破仑最终战败，拉扎尔又开始了流亡生活。除了参与政治和军事活动之外，拉扎尔还是一位数学和机械方面的知名作家。
萨迪·卡诺如同父亲一样，也被卷入到祖国的政治动乱之中。在青年时代，他受益于来自他父亲的教育，他的父亲给讲授数学和自然科学方面的知识。后来他进入巴理工学校学习，那是当时顶尖的科学机构之一。但是萨迪·卡诺没有太多机会来学以致用，因为在他短暂的生命中，大部分时间都是在军队度过的。卡诺在服兵役期间忙于任务和晋级，直到1819年卡诺退役进入后备队，他才开始研究自然科学。
卡诺的经历使他相信，英国之所以能战胜拿破仑领导下的法国，其部分原因是英国的蒸汽机技术比法国先进得多。他曾经表示，蒸汽机对于英国的防御变得和舰队一样重要。此外，少数几个自学成才的工程师和发明家，尤其是詹姆斯·瓦特的工作，使英国的技术处于遥遥领先的地位。这激励卡诺开始亲自研究和记述关于蒸汽机的问题。但是他的研究方法与当时的人不同。当时大部分工程师专心钻研测量和设计的细节，卡诺则着手研究一般原理。他对热和功之间的关系尤其感兴趣。在自然科学中，功意味着在力的作用下移动一段距离，对此一个很有用的例子就是升高重物，在下面的叙述中有几个地方我们就通过升高一个重物来解释功。
他出版了一本小册子《谈谈火的动力》（Refexions sur la puissance motrice du feu）,使他留名于世，这本书剖析了怎样用热来产生运动：这就是“动力”的含义。在这本极富创意的书中，卡诺提出了一种观察这个世界的新方法。卡诺时代的科学家们早就意识到了力对运动状态的影响。这就是牛顿三定律的内容，牛顿、拉普拉斯和其他一些科学家研究了这三定律的含义。但是，在这个理论中
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