热质说

熱質說（caloric theory）又名熱素說，是一種已被證實錯誤的科學理論，曾用來解釋熱的物理現象。此理論認為熱是一種稱為「熱質」（caloric）的物質，熱質是一種無質量的氣體，物體吸收熱質後溫度會升高，熱質會由溫度高的物體流到溫度低的物體，也可以穿過固體或液體的孔隙中。熱質說在拉瓦節1772年用實驗推翻燃素說後開始盛行，拉瓦節的《化學基礎》一書就把熱列在基本物質之中。

熱質說可以解釋一些熱的現象，不過無法解釋一些只要持續作功就可以持續產生熱的現象（如摩擦生熱）。19世紀中，熱質說被機械能守恆所取代；之後，熱質說仍然在許多科學文獻中出現，一直到19世紀末才消失《》是19世紀的科學教育書籍，其1880年版本中，仍然用熱質的流動來說明熱的傳遞。。

早期歷史
150px|right|thumb|世界上第一個冰量热器，拉瓦錫及拉普拉斯在18世紀末用冰量热器量測各種化學反應需吸收或釋放的熱，量測熱的方式是以約瑟·布拉克所發現的潛熱為基礎。此試驗也開始了熱化學的相關研究。

在熱力學發展的過程中，對熱的解釋常常和燃燒有關。化學家貝歇爾及施塔尔在17世紀提出燃素說，試圖解釋燃燒現象，當時也將燃素解釋為「熱的實體物質」。

熱質說是由普利斯特里提出的。普利斯特里在1770年代用氧（當時稱為「去燃素空氣」）來解釋燃燒現象。在1783年的論文《Réflexions sur le phlogistique》中，普利斯特里認為燃素說和他的實驗結果不吻合，因此提出「熱質」的說法。熱質是熱的實體物質，以流體的形式存在。依普利斯特里的理論，宇宙中熱質的總量為一定值，熱質會由溫度高的物體流到溫度低的物體。

1770年代時，有些科學家認為冷也是一種物質，不過認為冷只是一個缺乏熱的現象而已。

在熱質說中，熱是一種物質，無法產生或消滅，因此熱的守恒就成了這種理論中的一個基本假設例如尼古拉·卡諾在1824年的著作《Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu》。。

熱質說也影響了約瑟·布拉克一些有關物質熱力學性質的實驗。在十八世紀時，除了熱質說以外還有一個理論可以說明熱的現象－分子運動論。分子動力論是較新的理論，其中有些概念是來自原子論，可以解釋燃燒及熱量測定，不過當時將分子動力論和熱質說視為二個等效的理論。

熱質說的成功
熱質說可以成功的解釋許多物理現象。例如熱茶在室溫下冷卻就可以用熱質說解釋：熱茶的溫度高，表示熱質濃度較高，因此熱質會自動流到熱質濃度較低的區域，也就是周圍較冷的空氣中。熱質說也可以解釋空氣受熱的膨脹，因空氣的分子吸收熱質，使得其體積變大。若再進一步分析在空氣分子吸收熱質過程中的細節，還可以解釋熱輻射、物體不同溫度下的相變化，甚至到大部份的。

道爾頓的氣體分子模型中就包括了熱質。尼古拉·卡諾提出了卡諾循環及相關的定律，形成了熱機理論的基礎，而卡諾的分析就是架構在熱質的基礎上。

不過，熱質說的重大成就之一就是拉普拉斯修正牛頓的音速公式。拉普拉斯在熱質說的基礎上，在牛頓的公式中增加一個常數，此常數即為氣體的绝热指数Laplace, P.-S. (1816). Sur la vitesse dus son dans l'air et dans l'eau. In 《Annales de Chimie et de Physique》。上述的修正大幅的修正了音速的理論預測值。

後續發展
1798年時，英國科學家伦福德提出《探討摩擦生熱之來源》（An Experimental Enquiry Concerning the Source of the Heat which is Excited by Friction）的論文，其中描述他觀察加農砲製作時所產生的熱。他發現在加農砲時，只要持續加工，加農砲就會持續加溫，其產生的熱甚至可以使水沸騰，而且單位時間的發熱量不會下降。若依熱質說的理論，若熱質從加農砲中釋出，加農砲的熱質就會減少，因此發熱量就會下降，依他觀察到的情形，加農砲中的熱質沒有減少，因此提出熱質不是一種滿足守恆定律的物質，不過他實驗的不確定性也廣被質疑。

由於當時將熱質說視為和分子運動論等效的理論，因此伦福德的論文並未視為對熱質說的威脅Lavoisier, A.-L. de (1783). 《Mémoire sur la chaleur, lu à l'Académie royale des sciences, le 28 juin 1783, par MM. Lavoisier et de La Place》。事實上當時的科學家利用伦福德的論文來增加他們對熱質說的了解。


伦福德的研究引起了詹姆斯·焦耳及其他科學家的興趣，進而進行相關的研究。在1799年時漢弗里·戴維在《論熱、光和光的複合》論文中，描述了一個實驗：在一個和周圍環境隔絕的真空容器中，使二塊冰互相摩擦，最後變成水，以當時的理論來看，只可能是冰的熱容降低，釋放出熱質。但水的熱容比冰大水和冰的比熱為4200 J/(kg·K)及2060 J/(kg·K)，在相同質量的條件下，水的熱容比冰大，冰變為水不可能會釋放熱質。戴維因此導出熱質不存在的結論，並認為熱是物體微粒的振動。不過他的實驗並未得到當時的重視。

焦耳在1840年進行多次導體發熱的實驗，發現其發熱量和電流的平方成正比。並在1843年提出理論，認為熱只是一種能量的形式。後來為確認熱和能量之間的關係。焦耳用以下實驗來量測熱和能量單位間的轉換係數－熱功當量：在一量熱器中加水，量熱器中有葉片，經過轉軸連到量熱器外，量熱器外利用下降的重物帶動葉片旋轉，使葉片及水的溫度上昇。量測重物重量、落下距離、水（及葉片）的溫度、質量及比熱即可計算熱功當量，後來將液體由水改為鲸油及水銀，進行並改進實驗達40年之久。此實驗也確認熱及能量之間的關係。

1850年時，魯道夫·克勞修斯發表論文提出熱質說及分子運動論其實不相容，熱質說中提到的熱質守恆可以用能量守恆取代。熱可以等效為物質中粒子（如原子或分子）的動能，熱質說成為歷史，也開始了現代的熱力學研究。不過熱和粒子的運動在頻譜還是有不同之處：頻譜上尖銳的頻譜對應粒子的運動，而熱會以類似雜訊的連續頻譜出現在頻譜上。

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參照及備註

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