热是什么？
人们对热本质的探索，从2000多年前就开始了。当时曾经出现了两种不同的看法，一种把热看成是一种特殊物质；另一种认为热是物质的某种运动形式。这些观点，只是人们根据摩擦生热、冷暖转化等表面现象进行的直观而朴素的猜测。
从17世纪开始，许多人根据摩擦生热的现象，认为热是一种特殊的运动形式。不少物理学家和哲学家持有这一观点，培根（Bacon，英国哲学家）认为“热本身，热的本质精髓就是运动而不是别的”；笛卡儿（Descartes，法国哲学家、数学家、物理学家）认为，热就是物质粒子的旋转运动；玻意耳（Boyle，英国化学家）认为热就是由微小物质粒子的急速运动而产生的。但是这些看法由于缺乏精确的实验根据，还不能形成科学的理论。
l8世纪，对热的研究走上了实验科学的道路。许多化学家提倡把热当作没有重量的一种流体，即“热流体”。当时，热流体与电流体、磁流体一起被广泛采用，在热流体假说的基础上能对许多热现象提出解释。起初，科学家们还弄不清楚温度和“热的数量”的区别，把温度看成是热在数量上的表现。
1732年，荷兰化学家波尔哈夫（Boerhaave）发现，把温度不同而数量相同的水银和水混合时，所得到的温度数值，并不等于两个初始温度的平均值。1760年，英国化学家布莱克（Black）根据这个事实，得出了“水和水银相对于热来说，具有不同的容量”这一结论。他认识到，不同物质各有特定的热容或比热，提出了“热容量”这一概念。1761年，布莱克又发现了潜热现象，并测量和定义了熔解和蒸发过程中的潜热。
由于布莱克取得的上述那样的成就，热流体假说有了更加明确的理论表述。1780年，法国化学家拉瓦锡（Lavoisier）发明了冰量热器，用冰的熔化来确定物质的热容量，把布莱克原本进行的测定物质热容量实验的精确度显著提高了。
基于“燃素”说（即把“燃素”看成火的基本元素）建立了氧化学说的拉瓦锡明确主张把热看成是一种特殊的物质，并于1787年正式提出“热质”这一概念。在1789年出版的《化学纲要》一书中，他把热物质取名为“热质”（caloric），并把它列进他的化学元素表里。从此，“热质说”走上台面，流行一时。
图1 化学家拉瓦锡是热质说的拥趸
热质说的流行不是偶然的，因为它能够解释许多实验结果。比如，热平衡是热质的交换；温度变化是热质的吸收与释放；热传导是热质的流动；热膨胀是热质注入所致；太阳光透镜聚焦生热，也是由于热质集中，等等。甚至后来大名鼎鼎的法国工程师卡诺（Carnot），在提出关于热机效率的理论（卡诺热机、卡诺定理）时，出发点也是热质说！虽然他对此将信将疑，据说后来改变了自己的立场。
但是，一些问题热质说也没法解决，比如，热质有质量吗？热质注入物体一定使得物体体积膨胀吗？只是这些争论并没有撼动热质说的根基。
在热质说所向披靡的时期，一些不合谐音出现了。
1798年，英国学者伦福德（Rumford，他由于美国独立战争而离开美国，流离欧洲，在巴伐利亚被封爵位）在慕尼黑指挥军工生产时，发现在镗削大炮炮筒的过程中，炮筒和钻孔钻下的金属屑在短时间内变得非常热。用水来冷却时，甚至可以使水沸腾。这里面的热质从哪里来的呢？是不是由于金属的比热容在摩擦变成金属屑后降低造成的？他设计了一系列实验，发现金属屑的比热容并没有改变，由此得出结论：“在这些实验中，摩擦所生的热显然是无穷无尽的。”因此，热“不可能是一种物质。”“据我看来，要想对这些实验中的既能激发又能传播热的东西，形成明确的概念，即使不是绝无可能，也是极为困难的事，除非那东西就是运动。”
图2 伦福德最先对热质说提出有力的置疑
伦福德把自己的报告呈给了慕尼黑皇家学会，引起巨大的反响，但大部分观点是反对他的。只有英国的科学家戴维（Davy）和托马斯·杨（Thomas Young）明确支持热运动说。
1799年，戴维在伦福德的启示下，进行了下面这个著名的实验：使两块冰在真空中摩擦，而且使周围的温度低于实验设备和冰块的温度。结果，冰块熔化为水。这样，实践再次以事实驳斥了“热质说”——因为摩擦中的产生的“热质”从哪里来呢？他由此得出结论：“实验证明，热质或热的物质是不存在的。”“既然物体微粒的运动或振动是摩擦或撞击必然产生的结果，那么，我们可以作出合理的结论——这种运动或振动就是热。”
1801年，托马斯·杨在英国皇家学会所作的演讲中，也强调必须把热看做一种运动。
其实，此时脆弱的热质说已经基本失守了。但是抛弃几乎“放之四海而皆准”的热质说，许多人都不舍得。况且，“热是一种运动”的观点也是立足未稳，如果热不是物质而是一种微观的运动，那么这种微观的运动对应的能量能与别的能量形式（机械能、电能）互相转化吗？也就是说热和做功会有等量关系吗？
19世纪电磁学获得巨大发展，人们不光发现摩擦做功能生热，电流也能产生热。在这些事实面前，热质说捉襟见肘，同时随着蒸汽机技术的不断进步和自然科学各领域研究的进展，运动、能量的概念日趋明晰，一种各形式运动的能量可以互相转化的观点处在萌芽之中。如果存在这样的定律，把热解释为一种运动更行得通，因为它是不可避免地参与到转化、转移的洪流中去的。
1840年，德国医生迈尔（Mayer）在一条从荷兰驶往东印度的船上当船医。他发现海员病号的静脉血在热带地区比在欧洲时要红，并认为这是血液含氧较多的缘故。因为在热带高温环境中，人体只需吸收食物中较少的热量，致使人体食物的“燃烧”过程减弱了，而静脉血里留下了较多的“氧”。经过思考与研究，迈尔认为动物的体热和对外输出的机械能可能是由它们所吃的食物的化学能转化而来的，并进一步设想，机械能、热能和化学能是等价的，可以相互转化。
1840年以后，英国科学家焦耳（Joule）多次发表文章，先后介绍了四种测定热功当量（表征热和做功之间的等量关系的一个物理量，现已不再使用）的方法，其中之一就是用通电金属丝放在水中加热。根据电流做的功和水获得的热量来计算当量。他发现：通电导体所产生的热量，跟电流的平方、导体电阻和通电时间成正比。这就是后来以他的名字命名的焦耳定律。在测定热功当量的实验中，最著名的是1845年发表的通过摩擦加热液体的实验，在这个实验中，焦耳测得热功当量的平均值为428.9千克·米/千卡，和后来的公认值427千克·米/千卡非常接近。焦耳在近40年的时间里，实验400多次，精确地测定了热功当量值。这项工作，导致了能量转化和守恒定律的确定。
图3 焦耳和它的热功当量测定装置
亥姆霍兹（Helmholtz）、克劳修斯（Clausius）、开尔文（Kelvin）……许多科学家都对这个被誉为19世纪自然科学三大成就的“能量转化与守恒定律”的确立作出了贡献，宏观、系统的观念开始渗入人们的心灵。随后，热力学领域的第一定律（涉及热现象的能量守恒）、第二定律（热量传递的方向性）相继出炉。至此，热质说彻底失去了市场，被淘汰出局。
在19世纪下半叶，统计力学逐步建立，热的微观解释——分子动理论的不断发展，人们心中关于热的图景——大量分子无规则的运动不再模糊，日趋清晰。
