【科學講堂】摩擦能生熱 「熱」究竟是什麼？

近日氣溫驟降，不知道會否讓大家想起與溫度、熱力有關的科學問題：例如什麼是溫度？熱力是怎樣傳播出去？這些問題，今日就和各位簡單探討一下。我們對熱力較有系統的探究，應該源於十九世紀的工業革命時期：那個時候的工業家亟欲引入各種機器以提升生產力，因而為探究能量的使用、熱力的本質這些問題提供了極大的誘因。那麼「熱」究竟又是什麼呢？

前人視熱為物質 現已理解是動能

在十六世紀左右，人們曾經將熱猜想為一種無質量的氣體（也就是說是一種實際的物質）：含有這種「熱物質」愈多的東西就愈熱；假如這種氣體自己互相排斥，就會從含量高的地方流動到含量低的區域，因而就能解釋熱從溫度高的範圍傳到較冷地方的這種常見的現象。

不過，這個理論有一個弱點：日常之中我們摩擦物品、雙手，就能輕易產生熱力；十八世紀英國的倫福德伯爵（Count Rumford）更指出，他們在製造大炮和炮彈的時候，摩擦金屬就能隨時產生熱力，而且源源不絕。如果說熱是一種物質，難道它們在每件物品之中的含量都是毫無極限，一經摩擦就能將它們釋放出來？

時至今日，我們不再將熱力視為物質，反而將溫度理解為組成物品的粒子的動能量：物品都是由粒子組成，並且都是或快或慢不停地移動着；物品的溫度愈高，其實就是這些組成的粒子移動得愈快；而這些動能量從一件物品傳到另一件，就是熱力。由於可以用不同的方法將能量注入這些粒子之中，令它們的速度變得更高（例如藉由互相摩擦），我們自然可以隨時隨地將物品的溫度提升，而不需要擔心「這件物品是否藏有無限的熱力」這類問題。

這就好比風是流動的空氣：只要有足夠的能量鼓動空氣，我們要多少風就有多少風，而不需擔心「風在這個世界中的存量」是否有限。

粒子轉移能量 熱力得以傳播

不過在將溫度理解為粒子的移動的當兒，我們又如何解釋熱力的傳播？我們可以想像一團熱的氣體碰上另一團冷的氣體：熱氣團中正在快速移動的粒子自然會不斷地撞上冷氣團中動得較慢的粒子，並在這些碰撞之中在粒子之間互相轉移能量。得到更多能量的粒子自然會加速起來；從宏觀的角度來看，加速了的粒子就代表氣體的溫度得到提升，也就是熱力從一個氣團傳到另一個氣團了。

對熱力的研究，在工業革命的時候得到了長足的發展，確立了鞏固的基礎；熱力學甚至被愛因斯坦認為是最不會被推翻的學說。不過這並不代表熱力學已經是一個「式微」的領域。到了今天，科學家們還在探討量子世界之中的熱力學法則：如果溫度是眾多粒子移動速度的表徵，那麼在只有小量微小粒子的量子世界之中，溫度、熱力又將如何理解呢？可惜的是我們在這方面的認識還在摸索階段，還需要未來進行更多的研究。

●杜子航 教育工作者

早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。