第四节 论弹性流体的比热理论

自从上节付印以来，我曾经花费相当多时间考虑弹性流体结构与热的关系，业已得到的结果是不能够信赖的，可是要想出和进行一些实验比克劳福德的更少受到非难却是很困难的。然而获得弹性流体的准确比热却非常重要。

在说到克劳福德的弹性流体比热的结果不够牢靠时，一定要看到，并不是所有这些结果都是同样不能信赖。在对氢燃烧时放出的热多次做过的实验中，曾发现11容量混合气体当用电火花点火时，平均把20.5容量水加热2.4°。这个实验被认为是相当准确的，是可以信得过的。大气与水相比较的热（比近乎0.25度的温度的观测作为依据）可能与实际情况相差并不太远；但是由等体积的氧、氢、碳酸、氮气与普通空气所传递的热的微小差别，以及这些差别在计算中的巨大重要性，致使所得结果很难确定。他说得很对，如果我们假定等容量这些气体所给予的热是相等的，这将不影响他的学说。他这种想法必然引导他在同相等重量的碳酸和水蒸气，以及氮气或燃素化空气（当时对氮气的叫法，意义与氧气或去燃素空气相反）等比较时，把氧气的热估计过高。的确，他的关于氮气的推断是和他的实验不一致的：因为他没有利用适用于这个目的的唯一直接实验——实验12和13，而是从氧气与普通空气所观测到的差别推出氮气的热。该结果使得它比普通空气的热的一半还少，可是从第13实验却几乎发觉不出它们之间有任何显著的差别。他极其可能是大大地低估了氮气的热，但是在这方面不管他的错误是怎样，这些都不会影响他的体系。

当我们考虑到，所有弹性流体在温度升高时作相等的膨胀，而固体和液体则不是这样时，似乎有关弹性流体对热亲和作用的普遍规律比之液体或固体应该更加容易推出而且更简单些。关于弹性流体有三个假定是值得讨论的。

1.等重量的弹性流体在相同温度与压力的条件下可以有相同量的热。

这个假定的真实性为以下几个事实所否定：氧与氢在化合时放出大量热，虽然它们形成的水蒸气也是弹性流体，其重量与组成它的元素的重量一样。亚硝气与氧气也在相似的条件下化合。碳酸是由低比热的木炭与氧形成的，有大量热放出，这些热一定是主要从氧得到的。如果炭含热很少，而与它化合的氧又减少了热，则碳酸一定要比等重量的氧气含的热少得多。

2.等容量的弹性流体在同压力与同温度下可以有同量的热。

这个假设看来似乎合理得多。当氧与氢的混合物转变为蒸汽时，其体积的减小可能是由成比例的绝对热的减少所引起的。亚硝气与氧气的混合物也可以同样看待。克劳福德所观测的微小差别可能是由于他的实验的复杂性所引起的误差。但是考虑到另外一些事项，这个假设看来又极不可靠，即使不是完全否定的话。碳酸含有与其自身相等容量的氧，因此，在其形成时所放出的热，根据这个假设，一定正好等于以前在炭中所含的总热。但是燃烧一磅炭所放出的热似乎至少要等于足够产生一磅水的氢的燃烧热，而这个燃烧热是等于或多于水所保留的热的，因为蒸汽的密度差不多是生成它的弹性混合物的两倍。因此，我们可以说，炭应该和水具有相同的比热，然而它只是它的1/4。如果这个假设是真实的，则等重量弹性流体的比热应该与它们的比重成反比。那么如果水蒸气的比热用1来表示，氧就应该是0.64，氢是8.4，氮是0.72，碳酸是0.46。但是这个假定是站不住脚的。

3.属于所有弹性流体最小质点的热量，在同压力同温度下，一定是相同的。

显然，在一给定重量或体积内，一种气体最小质点或分子的数目同另一种气体是不相等的。因为，如果等容量的氮气和氧气被混合在一起，并能立即发生化学结合，它们将形成两容量亚硝气，并具有与原来两容量相等的重量，但是最小质点的数目最多只能有化合前的一半。因此，很可能不管是在相同体积还是相同重量中没有两种弹性流体有着相同数目的质点数。现在假设一给定体积任何弹性流体由每个被热气氛所环绕的质点所组成，这些质点通过这些气氛的媒介而相互排斥，并在恒定的力的压迫下处于平衡状态，像地球的大气一样，而且温度与周围物体的温度一样。再假设，通过某一突然变化每个空气分子被赋予对热的较强的亲和力，那么，根据这后一假设的结果将会发生怎样的变化呢？唯一能够作出的回答，在我看来，将是这样：这些质点将使它们各自的热气氛凝聚，这样它们的相互排斥将被减少，因而外部压力将使空气体积发生相应凝聚。围绕每个分子，或围绕全部分子的热量既未发生增加也未发生减少。这样，该假设，或者现在可以叫做定理，就被证明了。

结论：1.等重量的任何两种弹性流体的比热，与它们的原子或分子的重量成反比。

2.等容量的弹性流体的比热，与它们的比重成正比，而与它们原子的重量成反比。

3.弹性流体，凡含有最凝聚的原子，对热具有最强的吸引力。这较大的吸引力是用于在给定空间或体积内积累较多的热，但并不增加任何单独原子周围的热量。

4.当两个弹性原子由化学亲和力结合成一个弹性原子，它们热的一半被释放掉。当3个原子化合时，那么它们热的2/3被释放掉，等等。因而总的说来，当m个弹性质点由化学结合成为n个，则放出的热与保留的热之比为m-n比n。

排除对这个命题的一个异议也许是适当的。人们将会说，各个原子在特有的吸引力方面的增加，一定同外部压力增加时对体系产生相同的影响。现在已经知道，后者是压出或放出绝对热的量。因此，前者也一定是这样。这个结论一定要予以承认，而且它有助于证实前面命题的真实性。把任何弹性流体的密度增加一倍所放出的热，根据我以前的实验，大约相当于50°，这样数量的热还抵不上全体的1%，这将在以后指出。因此它不会显著地影响比热，它似乎只是空气的小球形分子空隙间的热，很难说是属于这些分子的。因为它在真空或没有空气的空间内同样可以发现，这可以通过把空气引入真空而使温度增加来证明。

在我们能够应用这个学说来求弹性流体的比热以前，我们一定要首先确定它们最小质点的相对重量。现在先设想（以后将予以证明），如果一个氢原子的重量为1，一个氧原子的重量将为7，氮为5，亚硝气为12，氧化亚氮为17，碳酸为19，氨气为6，碳化氢为7，油生气为6，硝酸为19，氧化碳为12，硫化氢为16，盐酸为22，水蒸气为8，醚蒸气为11，而酒精为16。我们将在下表中列出几种弹性流体的比热。为了把它们与水的比热进行比较，我们还设想水的比热和蒸气比热之比为6∶7，或1∶1.166。

弹性流体的比热表

现在让我们看看这些结果与实际经验符合到何种程度。值得注意的是，普通空气的热与克劳福德由实验所求得的大致相同。此外，氢也和他所测定的一样，超过所有其他气体。但是氧要低得多，而氮要高得多。可是克劳福德的动物热和燃烧学说的原理一点也没有受到这种变化的影响。除掉业已说过的认为氮被估得太低的理由以外，我们从第25页的表中看到，氨（一个氢和氮的化合物）比水（一个类似的氢和氧的化合物）具有较高的比热。

总的说来，在关于物体的比热方面，不管是弹性流体还是液体，据我所知，还没有任何确定的事实是与上表相矛盾的。希望能有些原理类似于这里所采用的可以很快地推广到固体和液体。