無法計量流體概念開始受到質疑

「 無 法 計 量 流 體 」 可 說 是 十 九 世 紀 中 期 以 前 ， 科 學 家 們 常 用 來 解 釋 自 然 現 象 的 一 種 媒 介 。 一 般 的 物 質 流 體 通 常 都 具 有 質 量 ， 但 是 無 法 計 量 流 體 卻 普 遍 被 認 為 是 一 種 例 外 － 那 是 難 以 感 知 掌 握 ， 以 致 無 法 被 計 算 測 量 出 來 的 物 質 ， 但 卻 仍 需 藉 由 它 來 解 釋 自 然 現 象 的 流 體 物 質 。

例 如 ， 熱 的 流 體 － 熱 質 ， 就 常 被 當 時 科 學 家 們 用 來 解 釋 熱 學 的 現 象 。 舉 例 而 言 ： 高 溫 物 體 之 所 以 和 低 溫 物 體 不 同 ， 即 被 認 為 是 高 溫 物 體 所 含 的 熱 質 較 低 溫 物 體 多 ； 因 此 當 高 、 低 溫 物 體 相 接 觸 時 ， 熱 質 即 會 由 高 溫 流 向 低 溫 物 體，有 如 擴 散 的 作 用，這 就 是 熱 傳 導 現 象 的 原 因 ； 至 於 碰 撞 或 摩 擦 會 生 熱 ， 則 是 因 為 物 體 的 熱 質 被 擠 壓 出 來 所 造 成 ； 而 物 體 之 所 以 會 熱 膨 脹 ， 則 是 熱 質 被 物 體 吸 收 後 ， 熱 質 在 物 體 內 彼 此 間 會 相 互 排 斥 的 結 果 。 由 於 熱 質 具 有 如 同 物 質 一 般 的 性 質 ， 可 以 流 動 ， 而 且 不 可 無 端 被 創 造 或 消 失 ， 因 此 法 國 化 學 家 拉 瓦 節 (A. Lavoisier, 1743-1794)在 1789 年 出 版 的《 化 學 基 礎 論 》一 書 中 ， 就 把 熱 質 列 為 構 成 物 質 的 三 十 三 種 基 本 元 素 之 一 。

後 來 到 了 1798 年 ， 英 國 物 理 學 家 倫 福 德 (Sir B. Thompson, Count Rumford, 1753-1814)在 《 關 於 摩 擦 生 熱 來 源 的 實 驗 探 究 》 中 ， 發 現 只 要 鏜 孔 工 具 持 續 不 斷 地 對 炮 管 摩 擦 ， 則 熱 就 會 源 源 不 絕 產 生 。 他 說 ：

我 們 已 經 看 到 ， 非 常 大 量 的 熱 被 兩 個 金 屬 表 面 的 摩 擦 所 引 發 出 來 ， 它 以 一 固 定 的 流 速 在 所 有 方 向 上 不 間 斷 的 流 出 ， 絲 毫 沒 有 減 少 或 枯 竭 的 跡 象 。 … 這 幾 乎 已 沒 有 必 要 再 說 明 了，任 何 孤 立 物 體 或 系 統 所 能 夠 無 限 制 提 供 的 ，

如 果 熱 是 一 種 物 質 ， 則 儲 存 在 物 體 內 的 熱 質 應 該 是 有 限 的 ， 不 可 能 有 源 源 不 斷 穩 定 的 熱 流 產 生 。 因 此 他 開 始 質 疑 熱 質 說 的 正 確 性 ， 並 認 為 熱 應 該 是 來 自 於 工 具 對 炮 管 的 摩 擦 ， 也 就 是 運 動 的 效 應 ， 因 此 熱 不 是 一 種 物 質 。 不 過 ， 由 於 熱 質 說 早 已 深 入 人 心 ， 而 且 摩 擦 後 炮 管 與 剩 下 金 屬 屑 的 整 體 熱 質 ， 被 認 為 “應 該 ”比 原 先 未 摩 擦 前 的 炮 管 小 ， 因 此 倫 福 德 的 發 現 在 當 時 尚 不 具 有 充 份 的 說 服 力 。

緊 接 著 在 1799 年，英 國 化 學 家 戴 維 爵 士 (H. Davy, 1778-1829)討 論 了 兩 冰 塊 互 相 摩 擦 的 實 驗 ， 他 認 為 冰 塊 只 是 因 為 摩 擦 而 融 化 ， 而 與 擠 壓 出 熱 質 無 關 。 因 為 已 知 水 的 比 熱 比 冰 大 ， 若 依 照 熱 質 說 ， 冰 塊 欲 融 化 產 生 水 就 必 須 要 有 熱 質 進 入 冰 塊 中。然 而 當 時 只 有 兩 冰 塊 互 相 摩 擦，

從 何 處 擠 出 來 的 熱 質 讓 冰 塊 融 化 呢 ？ 因 此 戴 維 的 結 論 是

熱 只 可 能 由 摩 擦 產 生 ， 而 不 是 由 物 體 ( 兩 冰 塊 ) 接 觸 而 來 … 。 因 此 ， 我 們 可 由 實 驗 證 明，熱 質 並 不 存 在 …，可 見 運 動 或 振 動 就 是 熱，… ( D avy , 1 839 , pp.

1 3 - 1 4 ) 。

不 過，最 後 戴 維 的 實 驗 結 果 在 當 時 仍 然 無 法 獲 得 科 學 家 們 的 重 視。

因 為 在 1824 年 ， 法 國 工 程 師 卡 諾 (S. Carnot, 1796-1832)為 了 探 討 熱 機 在 最 一 般 情 況 下 運 作 的 動 力 學 原 理 ， 也 就 是 為 了 尋 找 熱 機 所 有 操 作 方 法 或 工 作 物 質 皆 適 用 的 普 遍 性 原 則 (Carnot, 1824, p. 43)， 他 在 所 發 表

《 論 熱 的 動 力 和 發 動 這 種 動 力 的 機 器 》 的 重 要 著 作 中 ， 仍 然 是 以 熱 質 說 作 為 論 述 的 前 提 (Clausius, 1867, p. 267; Harman, 1982, p. 48)。 因 為 他 說 ：

動 力 並 不 是 來 自 於 熱 質 在 蒸 汽 機 內 的 實 際 損 耗，而 是 當 熱 質 從 高 溫 到 低 溫 物 體 的 流 動 所 造 成 … ， 這 個 原 則 適 用 於 熱 所 造 成 運 動 的 各 種 機 器 。

根 據 這 一 原 則 ， … 必 須 要 有 低 溫 物 體 ， 沒 有 它 ， 熱 質 將 是 無 用 的 。 只 要 有 溫 度 差 的 存 在 ， 才 可 能 讓 熱 質 重 新 建 立 熱 平 衡 ， 如 此 動 力 才 可 能 發 生 。 蒸 汽 是 實 現 這 種 動 力 的 工 具 ， 但 它 並 不 是 唯 一 。 在 自 然 界 中 體 積 容 易 收 縮 和 膨 脹 的 所 有 物 質，都 可 以 藉 由 熱 和 冷 的 交 替，達 到 這 一 目 的 (C arn ot , 182 4 , p p . 4 6 - 4 8 ) 。

以 上 是 卡 諾 對 於 熱 機 為 何 會 作 功 的 原 理 解 釋 。 因 為 他 認 為 工 作 物 質 在 吸 收 與 釋 放 熱 質 時 會 造 成 體 積 的 膨 脹 與 收 縮 ， 如 此 熱 機 才 能 夠 作 功 。 此 外 ， 由 於 熱 質 在 循 環 過 程 中 會 被 吸 收 與 釋 放 ， 因 此 卡 諾 認 為 熱 機 在 運 作 時 ， 熱 質 並 沒 有 損 耗 ， 其 總 量 是 保 持 不 變 的 。 以 現 在 的 觀 點 來 看 ， 卡 諾 認 為 熱 是 物 質 的 說 法 應 該 不 合 理 ， 不 過 這 種 熱 質 說 的 理 論 確 實 是 當 時 科 學 社 群 的 普 遍 認 知 。 因 為 在 卡 諾 之 前 與 之 後 都 一 直 有 支 持 熱 質 說 的 論 文 陸 續 發 表，例 如：1816 年 法 國 物 理 學 家 拉 普 拉 斯 (P. S.

Laplace, 1749-1827)的《 論 聲 音 在 空 氣 和 水 中 的 速 度 》、1822 年 傅 立 葉 所 著 (J. Fourier, 1768-1830)《 熱 的 分 析 理 論 》， 以 及 1835 年 帕 松 (S. D.

Poisson, 1781-1840)《 熱 的 數 學 理 論 》等 等 (Harman, 1982, pp. 27-29)。

不 過 到 後 來 ， 對 無 法 計 量 流 體 的 質 疑 聲 浪 也 開 始 越 來 越 多 了 ， 例 如：法 拉 第 在 1834 年 論 述 化 學 力 和 電 力 的 同 一 性 時，就 已 經 提 到，由 磁 、 電 與 光 彼 此 依 存 的 關 係 來 看 ， 所 謂 的 無 法 計 量 流 體 應 該 僅 僅 只 是 (自 然 )力 的 不 同 形 式 表 現 罷 了 (J oule, 1849, pp. 62-63)。 不 過 ， 這 一 切 仍 要 等 到 量 化 的 研 究 提 出 後 ， 才 有 足 夠 的 證 據 讓 無 法 計 量 流 體 的 學 說 走 入 歷 史 ， 能 量 守 恆 的 概 念 才 得 以 出 現 。

第三節 熱 與 功 關 係 的 量 化 研 究