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科学概念形成中的科学智慧

[日期:2014-02-20] 来源:宣传组  作者:陈辉 [字体: ]
   

 

——读《热的简史》有感

 

科普读物一直是本人的喜爱的阅读的一类书籍。她能够把枯燥的科学知识活灵活现的、深入浅出的表达给我们,使我们更好地认识科学的本质。同时也会把科学家认识的过程、性格特质、历史地位反映出来,显得生动有趣。寒假中看了由2002年诺贝尔奖得主姜范恩撰写的《热的简史》,作者以其机智和妙语,通过许多日常经验和生动的故事,可以让读者系统的认识了与“热”有关的概念、历史和应用,充分体现了科学大家对科学本质、科学史、科学人文的深刻认识和掌控能力,也体会到科学家的科学智慧。本文将阅读中印象深刻的部分推荐给同仁。

一、对“热”的本质认识经历长期而曲折的探索

热是什么?可能很多人一下子也说不清楚。

远古时代,我们的祖先就懂得钻木取火,也知道,太阳底下晒的石头,摸起来与阴凉处的石头感觉是不一样的。究竟里面是什么使我们感觉不一样呢?聪明的人借助液体性质特点,推想液体可“从高压容器流到一个低压容器”,直到液面相平,压力相等,进行类比,可能是在高温物体中存在一种“热子”,是这一股“热子流”流向低温物体。“热”的物质通过将“热子”传递给“冷”的物质,从而实现热的交换。“热质说”逐步被建立,许多大科学家,包括拉瓦锡(推翻了燃素说)、普理斯特里、傅立叶等都接受了这一学说。利用“热质说”解释了许多关于热的现象。甚至,为热力学第二定律做出重大贡献的卡诺,就是用“热质说”研究热机的效率的。直到18世纪末,“迷人的鬼才”伦福德用(他曾力促并协助创立英国皇家研究院。)“一个钝钻头钻炮筒”来证明,“热”的产生,不可能是从金属中挤出或者磨掉“热子”而来,因为产生的金属刨花的比热与原来的金属一样。接着,戴维的实验“冰块摩擦”更是让“热质说”无法解释,因为当时人们普遍接受水的热含量要比冰大,哪冰融化为水的热子从哪儿来呢?现在,可能中学生,甚至小学生都知道,摩擦可以生热!哪这些热是从哪里来的呢?

直到焦耳登场,人们对“热”的认识才更进一步!

二、包含“热”的能量守恒定律

焦耳作为科学家确实是个传奇。由于先天背部有残疾,他没有上过大学,是在家接受的教育。不过他的老师有大名鼎鼎的原子理论之父道尔顿。他的许多实验是利用工作之余的早晨和晚上,在他父亲的酿酒厂完成的。关于他对实验的痴迷,有故事说,即使到欧洲的阿尔卑斯山区度蜜月,他都随身携带温度计。想要测量一个瀑布顶部与底部之间的水温之差。虽然是一个“业余科学家”,但是焦耳实验的精准成就了他对于物理学的重大贡献。

那么,主导焦耳研究的主线和灵感是什么呢?他有一个信念:在热的、化学的、电的以及机械的效应之间应当能找到数量上的等价性。焦耳在他的最著名的实验中,用砝码下落带动水、汞和油等液体中的搅拌浆,搅拌浆与液体摩擦会生热,热使液体的温度升高,这个温度的改变是可以测量的,从而可以测出液体获得的热量,并与砝码失去的能量作比较。原始人都可能知道摩擦生热,可是,这在之前,谁也没有去测量。实际上,即使测量也未必得到正确的结果,因为温度的变化太小了,如测量到的0.563F0.1738F这样的温度变化,必须测准到千分之一度。而他测得的1卡=4.155焦耳与现在精确测量1卡=4.1858焦耳,误差不到百分之一,你可知道,那是在1847年!实验构思之巧妙,仪器之简约,目标之清晰,精确度之高都是令人赞叹!这就是热功当量实验。原来功可以带来热,(反方向的转化:热也可以带来功),“热”与机械功、动能与热、电与热、化学的效应转化热、电的效应转化为化学“潜热”(电解反应),通过不同的方式进行实验,发现他们之间的转化确实具有等当性,说明有某种物理量是可以转化且保持守恒的。这样为一个新的概念产生提供了最重要的线索。

再过三年,一个新的词汇“���量”在汤姆逊(即开尔文,首先提出绝对温标的科学家)、克劳修斯(熵概念的提出者)的论文中开始出现,他们逐步把“热”纳入到“能量”的概念中,除了力学能(动能和势能)之外还有“内能”,如果动能和势能没有改变,那么外界对系统做功或系统获得热,则可以解释为系统内能的增加,它体现为温度的升高或者相变。差不多又过了五年,科学家才逐步统一了思想,真正建立了能量守恒定律,能量只能相互转化,不能自动产生或者消灭,即热力学第一定律。

原来,“热”就是一种能量,它可以在系统与系统之间相互作用中传递、转化。从这里我们不难看出,在今天众所周知的概念,真正开始建立并被接受,需要科学家的睿智、洞察力和长期不懈的努力。

接下来,新的问题又来了!热能够都转化为功,而不引起其它变化吗?

三、从蒸汽机效率到热力学第二定律

18世纪,由于采矿业的发展,需要从矿井中抽水,蒸汽机应运而生。后来经过瓦特的改造(瓦特并不是第一个发明蒸汽机的人),效率大大提高,应用范围逐步扩大。后来,开始被应用到运输上。现代交通离不开内燃机,而内燃机是从蒸汽机改变而来的,只是将产热的反应搬到气缸中完成,这样使得动力装置可以小型化。

由于蒸汽机的效率低下,所以蒸汽机都十分庞大。经过帕潘、瓦特等技师的改进,引擎的动力水平和效率有了一定的提高,但是并没有真正意义上量化且科学的意义上的突破,他们不能回答一吨煤究竟最多可以获得多少功。第一个抓住这一问题的本质“居然”是个年轻的法国军官——卡诺。他以一小篇专题论文《论热的动力以及用处动力的机器》而永垂不朽!

那他抓住了什么呢?他悟到其中连续发生的实质是:水不过是一种工作物质,要使蒸汽机持续不停地运转下去,水不仅需要从高温锅炉中获得热,变成蒸汽在气缸中膨胀做功,还需要把做完功的蒸汽冷却并将冷凝器中的热排给冷却水,就这样循环往复的进行。这就是著名的卡诺循环!做功的效率取决于高温源与低温槽的温度差,更进一步,他指出“没有任何一个引擎循环和工作物质的组合,可以导致从低温到高温的自发性的热的传递”,这实际上就是热力学第二定律!也就是说,热可以自发地从高温到低温传递,而反之不行。原来热的传递是有方向性的,系统吸收热不可能全部转变成功却不引起其它变化。

从卡诺的工作我们不难发现,科学概念的形成需要去伪存真,抓住本质,进行抽象,才能获得真正的、科学的认识。

对“热”的概念的认识和形成只是科学概念的一个例子,可以说无数的科学概念都有它的发展历程。我想,作为一名科学教师,如果我们能够更加清晰地认识这些概念的形成过程,那么,我们传递给学生就是科学家的思想和智慧,以及科学家对待科学的态度和科学方法。

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