摩擦生熱

17 世紀以後，多數人根據摩擦生熱的現象，認為熱是一種特殊的運動形式，不少物理學家都相信這一點。但是這種看法由於缺乏精確的實驗根據，還不能形成科學的理論。到了18 世紀，對熱的研究走上了實驗科學的道路。把熱看成是一種特殊物質的熱質說，由於能夠解釋某些實驗結果，因而在當時獲得了承認。熱質說將熱看成一種沒有質量或不可稱量的流質——熱質，它不生不滅，存在於一切物體之中，物體的冷熱程度，決定於其中所含熱質的多少。熱質說對摩擦生熱的解釋是，摩擦並沒有改變熱質的總量，但物質在摩擦時比熱降低了，因此摩擦可以使物體的溫度升高。1798 年，英國學者倫福德（1753～1814）在從事槍炮製造時，發現鑽孔鑽下的金屬屑具有極高的溫度，用水來冷卻時，甚至可以使水沸騰。他懷疑金屬屑具有極高溫度是不是由於比熱降低造成的。倫福德在他的筆記中寫道，由摩擦所生的熱，來源似乎是無窮無盡的，要用熱質說解釋摩擦生熱現象，鑽下的金屬屑的比熱要改變很大才行。於是他設計並做了一系列實驗，發現鑽下的金屬屑的比熱在摩擦時並沒有降低。根據實驗結果，倫福德斷言熱質說不足為信，應當把熱看成是一種運動形式，熱質說的統治地位開始動搖了。1799 年，英國的戴維做了更加嚴格的實驗。他在零攝氏度以下的露天里，在抽成真空的玻璃罩內，使金屬輪子和盤在鐘錶裝置的帶動下相互摩擦，結果使金屬盤上的蠟熔化了。在這個實驗中，熱不可能是由周圍物體傳遞給蠟的，而且倫福德的實驗已經證明，金屬也不會由於比熱的降低而放熱，那就只能是由於摩擦生熱使蠟粒子的運動加快了。戴維的實驗有力地打擊了熱質說。

此後，科學家進一步研究了熱和做功的關係，特別是英國科學家焦耳做了大量實驗，定量地研究了熱和功的關係，證明做了多少機械功，就有多少機械能轉化成熱這種形式的能量。焦耳的工作，表明熱不是一種特殊的物質，同時為能量守恆定律奠定了基礎。能量守恆定律的建立，徹底否定了熱質說，同時為分子運動論的發展開闢了道路。經過科學家的長期研究，關於熱是一種運動形式的設想，終於成為公認的真理。人們認識到：宏觀的熱現象原來是物體內部大量分子的無規則運動的表現。

一個運動的物體其中的分子同時在做定向的運動和無規則的熱運動。其中所有分子定向運動的總動能就是宏觀物體的動能。而無規則運動的總動能和分子間的相互作用勢能構成了宏觀物體的內能（嚴格地應稱為熱力學能）。兩個溫度相同的物體，其內部分子的平均熱運動動能相等。

摩擦的過程實質上是：相互摩擦的物體表面分子相互碰撞的過程。假定一個物體靜止，另一物體相對該物體運動。則在此過程中，靜止物體中的分子被撞擊，獲得了運動物體中分子的部分或全部定向動能。獲得此定向動能的分子又會與周圍的其它分子相互碰撞，由於分子間的碰撞極為頻繁，而撞擊的方向又是隨機的，因此，原本的定向動能最終轉變為無規則運動動能，即熱運動動能增大。從而導致相互摩擦的物體表面在宏觀上表現為內能增大，溫度升高。另一方面，獲得由定向動能轉變而來的額外熱運動能的表面附近分子，在運動中有可能會跑到物體內部，或與內部分子碰撞，從而使內部分子的熱運動加劇。從而導致整個物體變“熱”。由於運動是相對的，因此，相互摩擦的物體實際上溫度是同時升高的。

鑽木取火是人類最早掌握的取火方式之一，早在原始社會它就已經給人類帶來了火種。而這一方式利用的正是摩擦生熱原理。