热现象与热运动
什么是热
人类在原始时代就学会用火，接触到了热现象。关于热是什么的问题，很早就成为人们探讨的对象，形成两种截然相反的见解。
一种见解把热看成是自然界的特殊物质。我国殷朝形成的“五行说”，把热（火）看作和金、木、水、土一样的东西，是构成宇宙万物的物质元素。
在古希腊产生的物质元素论中，也把热（火）看作是一种独立的物质元素，赫拉克利特认为，世界就是火。
另一种见解把热看成是物质粒子运动的表现，我国古代朴素唯物主义思想家提出的“元气论”，就认为热（火）是物质元气聚散变化的表现。在古希腊和古罗马，也有一些学者，特别是原子论者，把冷热看成是物质微粒（原子）在虚空中运动的一种表现。卢克莱修就曾经说过，运动可以使一切东西都变得很热，甚至燃烧起来。
不过，在科学不发达的古代，这两种见解都只是直觉的猜测。
在漫长的中世纪，热学几乎毫无进展。直到17 世纪以后，一些著名科学家根据摩擦生热的现象，恢复了古人关于热是物质粒子的特殊运动的猜测，比如，英国的培根就曾说过，热是一种运动。法国的笛卡儿更把热看成是物质粒子的一种旋转运动。当时，牛顿、胡克、罗蒙诺索夫等人都相信和支持热是运动的观点。但是由于没有充分可靠的实验依据，这种正确的观点还没有形成系统的理论，更没有赢得学术界的普遍承认。
到了18 世纪，人们对热的本质的认识，奇怪地走上了一条弯曲的道路，复活了古人把热看成是特殊物质的错误猜测。英国的布拉克提出了系统的“热质说”，又叫做“热诉说”。他认为热是一种看不见、没有重量的流质，故把热叫做热质。热质可以渗透在一切物体之中，物体的冷热取决于它所含热质的多少。热质可以从比较热的物体流到比较冷的物体，就像水从高处流向低处一样。自然界存在的热质数量是一定的，它既不能创造，也不会消灭。
热质说能够顺利地解释许多人所共知的热现象。比如，说物体受热膨胀是热质流入物体的结果，热传导是热质的流动，对流是载有热质的物质的流动，太阳光经过凸透镜聚焦生热是热质集中的结果，等等。因此它压倒了热是运动的观点，获得了广泛的承认。1789 年，法国的拉瓦锡把热列入他的化学元素表里，用T 表示，属于气体元素类，物理学中常用的热量概念和它的单位卡路里（简称卡），也是在热质说的基础上建立的。当时，热量就表示热质的多少。
热质说取得胜利，成为热学的正统理论后，仍旧不时受到一些新的实验事实的冲击。比如在冰熔解成水和水沸腾变成蒸汽的过程中，只吸收热量，温度并不升高的事实，就向热质说提出挑战，按照热质说，物质含的热质越多，温度应该越高。给冰加热，就是把热质注入冰里去，所以冰的温度应该逐渐升高。然而冰熔解的时候，尽管每1 千克冰吸收了80 千卡热，冰的温度没有升高，同样，水沸腾的时候，每1 千克水虽然吸收了539 千卡的热，水的温度也没有升高，冰或者水吸收的热质跑到哪里去了呢？
还是布拉克提出了一种“巧妙”的解释，说这些热质“束缚”到物质内部去了，或者说“潜伏”起来了。他把这部分热质叫做“潜热”。虽然这种解释不能叫人满意，但是也能搪塞过去。就这样，热质说在热学中称雄了近一百年。
热质说究竟是不是真理呢？只有科学实验才能做出权威的判断！
1798 年，从美国移居欧洲的科学家汤姆生，后来被封为伦福德伯爵，在用钻头钻炮筒的时候看到，钻头、炮筒和铁屑的温度都升高了，而且产生的热量和钻磨量或多或少成反比。他发现，钝钻头比锐利的钻头能够给出更多的热，但是切削反而少了。这和热质说的观点是矛盾的。根据热质说，锐利的钻头应当更有效地磨削炮筒的金属，放出更多的和金属结合的热质。伦福德还用一只几乎不能切削的钝钻头，在2 小时45 分钟里使大约8 千克的水达到了沸点。实验使伦福德得到了“热是由运动产生的，它绝不是一种物质”
的正确结论。
热质说的维护者人多势众，对伦福德的发现进行了种种刁难和歪曲，讥笑他违反“常识”。他们说：“钻炮时候的热是其他化学变化产生出来的。”伦福德经过仔细检查，没有发现在钻孔过程中有任何东西发生了化学变化。热质说的维护者们又声称：“热是由于钻头把组成炮筒的金属中的“潜热”钻出来了。”伦福德又经过反复检验，没有发现金属发生了从液态到固态或者从气态到液态的转变。因此“钻出了潜热”的说法纯属胡扯。极力维护热质说的人又说什么这是由于金属的比热发生了变化。在激烈的唇枪舌剑中，虽然热质说理屈词穷，但仍不甘失败，最后宣称热是由“外面的热质跑进来的”，千方百计把新发现纳入自己的框框。
为了驳倒热质说，1799 年，戴维做了冰的摩擦实验。他在真空中用一只钟表机件使两块冰相互摩擦，整个实验仪器的温度正好是冰的冰点温度。实验结果，两块冰在摩擦的地方不断熔解成水。大家知道，水的比热比冰的比热还要大。这个实验驳倒了“外边的热质跑进来的”谬论，也证明了所谓热质不生不灭的守恒定律是错误的。根据确凿的实验事实，戴维大胆否定了热质的存在，认为热是一种特殊的运动，可能是各个物体的许多粒子的一种振动。
做功能够产生热，消耗热也能做功，功和热之间有没有确定的关系呢？
为了寻找这个关系，就是测定所谓热功当量，英国酿酒匠出身的物理学家焦耳，从22 岁开始，花了近40 年时间，一共做了400 多次实验，他历尽艰难，遭受过压制，终于创建了辉煌业绩。
在19 世纪40 年代头几年，默默无闻的焦耳埋头实验，用不同的方法初步测出了热和功之间的数量关系，指出只要做了一定数量的机械功，总能得到和这个功相应的热。这个新人焦耳的发现，在科学界引起轰动，有的赞同，但更多的是遭到怀疑和反对，甚至无理地拒绝他在皇家学会宣读实验论文。
焦耳不畏困难，决心继续实验，用更精确的实验来驳倒反对派。1847 年，他精心设计了一个迄今认为是最好的实验，就是在下降重物的作用下，使转动着的叶片和水发生摩擦而产生热。焦耳坚信，自己的实验结论是正确的。
在这一年六月举行的英国学术会议上，焦耳要求宣读论文，又遭到阻拦，他费了一番口舌，才被同意做简要介绍。然而，他的介绍遭到信奉热质说的科学权威汤姆生等的强烈反对，连法拉第也表示怀疑。
直到19世纪50 年代，由于其他国家的科学家从不同角度也得出了热功当量的数量，焦耳的成就才得到普遍承认，他本人也被选为英国皇家学会会员。
1878 年，年已花甲的焦耳对热功当量做了最后一次测定，得到的结果是423.9 千克米/千卡，和三十年前的测定结果相差极小。为了纪念他，人们用他名字的第一个大写字母J 来表示热功当量，J=427 千克米/千卡。意思是，1千卡的热量和427 千克米的功相当，假如功用焦耳做单位，热量用卡做单位，J=4.18 焦/卡。
热功当量的测得，标志着热质说被彻底摧毁，热的运动说取得完全胜利，也导致了自然界的一条普遍规律——能量守恒和转化定律的产生。
通过长期反复较量，在实践中经受了考验的热的运动说终于赢得了胜利。
热的运动说指出，热量是物质运动的一种表现。它的本质就是物质内部大量实物粒子——分子、原子、电子等的杂乱无规则运动。这种热运动越剧烈，由这些粒子组成的物体就越热，它的温度也越高。物质的运动总是和能量联系在一起的。实物粒子的热运动所具有的能量，叫做热能。热运动越剧烈，它所具有的热能也越大。所以，温度其实就是无数粒子的热运动平均能量的量度。
19 世纪中叶以后，热学的理论和实践都取得了突飞猛进的发展。
物质由分子组成
两千多年以前，我国古代的学者提出了“一尺之棰，日取其半，万世不竭”的论断。“棰”是一种策马鞭上的短木棍。意思是，一尺长的短木棍，每天分割一半，就是亿万年也分割不完。它朴素地说出了物质无限可分的思想。但是，对于木棍这样的具体物质进行机械分割，是不可能“万世不竭”
的。
比如你“日取其半”地分割一尺长的木棍，分割到第29 天，剩下的长度大约是五亿分之一尺，它还具有木头的性质。因为木头是由一种纤维素的单元构成的，这是一种很长的链，每个环节大约是五亿分之一尺，和第29 天分割以后剩下的长度相当。但是经过第30 天分割；剩下的长度只有十亿分之一尺，变成了比组成木头的纤维素单元更小的东西。在第30 天以后，虽然物质还可以无止境地分下去，但是分出来的小粒子已经不再具有木头的性质了。
可见，具体物质的分割是有限度的。
在物理学中，能够保留某种物质性质的最小粒子，叫做这种物质的分子。
自然界里千姿百态的物质，都是由各种各样不同的分子组成的。
分子的尺寸和重量都小得惊人。一滴油滴到水面上，可以散成很大面积，油层可以薄到只有百万分之一厘米；延展性很好的金子，可以加工成厚度只有十万分之一厘米的金箔。但是这样薄的油层还有几十个油分子厚，这样薄的金箔竟有几百个金分子厚。
精确的实验告诉我们，一般物质分子的直径，大约只有亿分之几厘米。
在物理学中，常把亿分之一厘米叫做1 埃。像水分子的直径是亿分之四厘米，就是4 埃。这是一个很小的数字，把2500 万个水分子肩并肩地排列起来，总长度才是1 厘米。蛋白质分子它的直径也只有几十埃。
常见物质里含有的分子数目庞大无比。比如1cm3 的水里含有335 万亿亿个水分子，把它们分给全世界所有的人，平均每人能够分到8 万亿个。假想有一种极小的动物喝水，每1 秒钟喝进100 亿个水分子，喝完1cm3 的水至少要用10 万年以上的时间！
分子的质量也极其微小，1cm3 水的质量是1 克，含有的水分子是 335 万亿亿个，所以一个水分子的质量只有2.99×10－23 克。分子里最轻的成员是氢分子，质量小到只有3.35×10－24克，拿一个氢分子质量和一个中等大小的苹果质量之比，大约相当于这个苹果质量和地球质量之比。
分子的热运动
组成气体的分子都十分好动。比如你种的茉莉花，一旦开了花，全家甚至邻居都可以闻到扑鼻香气；鱼、肉腐烂了，会弄得周围臭气熏天。组成液体的分子也很好动。你在一杯清水里滴入一滴墨水，墨水就会慢慢散开，和水完全混合。这表明一种液体的分子进入到另一种液体里去了。或者说液体分子在不停地运动。固体分子，也不很安分守己。比如把表面非常光滑洁净的铅板紧紧压在金板上面，几个月以后就可以发现，铅分子跑到了金板里，金分子也跑到了铅板里，有些地方甚至进入1 毫米深处。如放5 年，金和铅就会连在一起，它们的分子互相进入大约1 厘米。又如长期存放煤的墙角和地面，有相当厚的一层都变成了黑色，就是煤分子进入的结果。
证明液体、气体分子做杂乱无章运动的最著名的实验，是英国植物学家布朗发现的布朗运动。
1827 年，布朗把藤黄粉放入水中，然后取出一滴这种悬浮液放在显微镜下观察，他奇怪地发现，藤黄的小颗粒在水中像着了魔似的不停运动，而且每个颗粒的运动方向和速度大小都改变得很快，好像在跳一种乱七八糟的舞蹈。就是把藤黄粉的悬浮液密闭起来，不管白天黑夜，夏天冬天，随时都可以看到布朗运动，无论观察多长时间，这种运动也不会停止。在空气中同样可以观察到布朗运动，悬浮在空气里的微粒（如尘埃），也在跳着一种杂乱无章的舞蹈。
发生布朗运动的原因是组成液体或者气体的分子本性好动。比如在常温常压下，空气分子的平均速度是500 米/秒，在1 秒钟里，每个分子要和其他分子相撞500 亿次。好动又毫无规律的分子从四面八方撞击着悬浮的小颗粒，综合起来，有时这个方向大些，有时那个方向大些，结果小颗粒就被迫做起忽前忽后、时左时右的无规则运动来了。
你倒一杯热水和一杯冷水，然后向每个杯里滴进一滴红墨水，热水杯里的红墨水要比冷水杯里的扩散得快些。这说明温度高，分子运动的速度大，并且随着物体温度的增高而增大，因此分子的运动也做热运动。
热与冷的奥秘
在我们的现实生活中，人们以及众多的动物在身体内部及皮肤等组织中都有一个奇妙的传感器，它与感觉体表接触，压力、机械形变等的触觉、与感觉各种气味的嗅觉、感觉各种美味的味觉以及感觉色彩斑斓的光线的视觉一样，都对周围的某种特定的现象特别敏感。当我们的手拿一块晶莹透明的冰时，我们似乎感觉到了刺骨的寒意；当我们喝一口鲜汤时，如果性急一点，却总是感觉到火辣辣的烫，如电流般从嘴里一直传到肚子里；而当我们在夏日里，酷热难换之际时，喝上一杯冰镇的饮料，凉爽的感觉便油然而生，沁人心脾；在冬季的冰天雪地中呆久了，回到家中，温暖的感觉便立刻会弥漫全身，倍感舒爽和惬意。如此种种，这便是我们在日常生活中的冷、热、凉、暖的奇妙感觉。虽然在生理学上说并没有“热觉”这么一种感官组织，但实实在在的，我们体内便有着这么一种传感器，来专门感觉我们周围的冷与热，凉与暖。从古至今，人们都与冷热的感觉结下了不解之缘。古代的人们更由这些感觉而总结出了许多原始的热学规律，虽然较为含糊和表观化，却也是为现代热学理论系统打下了坚实的基础。近代及现在的科学家们，利用这些积累下来的原始热学规律，再结合新发明的多种科学实验仪器，对冷热等热学现象进行了深入的探讨，从而产生了现代的较为完善的热学理论体系。
在浩瀚的热学理论之中，最为简单，也最为基础的一部分便是对热与冷进行了量度，从而定量而不是定性地对热与冷。这些感觉和现象进行了合理的科学的解释，揭开了冷与热的奥秘。
热与冷的对象与环境