热力学三大定律.doc

热力学第一定律热力学第一定律 ：也叫能量不灭原理，就是能量守恒定律。简单的解释如下 ：U = Q+ W或U=Q-W（目前通用这两种说法，以前一种用的多）定义：能量既不会凭空产生，也不会凭空消灭，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不变。基本内容：热可以转变为功，功也可以转变为热；消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。普遍的能量转化和守恒定律在一切涉及热现象的宏观过程中的具体表现。热力学的基本定律之一。热力学第一定律是对能量守恒和转换定律的一种表述方式。热力学第一定律指出，热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换过程中，能量的总值不变。表征热力学系统能量的是内能。通过作功和传热，系统与外界交换能量，使内能有所变化。根据普遍的能量守恒定律，系统由初态经过任意过程到达终态后，内能的增量U应等于在此过程中外界对系统传递的热量Q 和系统对外界作功A之差，即UUUQW或QUW这就是热力学第一定律的表达式。如果除作功、传热外，还有因物质从外界进入系统而带入的能量Z，则应为UQWZ。当然，上述U、W、Q、Z均可正可负（使系统能量增加为正、减少为负）。对于无限小过程，热力学第一定律的微分表达式为 QdUW因U是态函数，dU是全微分1；Q、W是过程量，Q和W只表示微小量并非全微分，用符号以示区别。又因U或dU只涉及初、终态，只要求系统初、终态是平衡态，与中间状态是否平衡态无关。 热力学第一定律的另一种表述是：第一类永动机是不可能造成的。这是许多人幻想制造的能不断地作功而无需任何燃料和动力的机器，是能够无中生有、源源不断提供能量的机器。显然，第一类永动机违背能量守恒定律。 热力学第二定律 (1)概述/定义热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体(不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化，这是按照热传导的方向来表述的)。不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响(这是从能量消耗的角度说的,它说明第二类永动机是不可能实现的）。 (2)说明热力学第二定律是热力学的基本定律之一，是指热永远都只能由热处转到冷处(在自然状态下)。它是关于在有限空间和时间内，一切和热运动有关的物理、化学过程具有不可逆性的经验总结。上述(1)中的讲法是克劳修斯(Clausius)在1850年提出的。的讲法是开尔文于1851年提出的。这些表述都是等效的。在的讲法中，指出了在自然条件下热量只能从高温物体向低温物体转移，而不能由低温物体自动向高温物体转移，也就是说在自然条件下，这个转变过程是不可逆的。要使热传递方向倒转过来，只有靠消耗功来实现。在的讲法中指出，自然界中任何形式的能都会很容易地变成热，而反过来热却不能在不产生其他影响的条件下完全变成其他形式的能，从而说明了这种转变在自然条件下也是不可逆的。热机能连续不断地将热变为机械功1，一定伴随有热量的损失。第二定律和第一定律不同，第一定律否定了创造能量和消灭能量的可能性，第二定律阐明了过程进行的方向性，否定了以特殊方式利用能量的可能性。 人们曾设想制造一种能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响的机器，这种空想出来的热机叫第二类永动机。它并不违反热力学第一定律，但却违反热力学第二定律。有人曾计算过，地球表面有10亿立方千米的海水，以海水作单一热源，若把海水的温度哪怕只降低O.25度，放出热量，将能变成一千万亿度的电能足够全世界使用一千年。但只用海洋做为单一热源的热机是违反上述第二种讲法的，因此要想制造出热效率为百分之百的热机是绝对不可能的。从分子运动论的观点看，作功是大量分子的有规则运动，而热运动则是大量分子的无规则运动。显然无规则运动要变为有规则运动的几率极小，而有规则的运动变成无规则运动的几率大。一个不受外界影响的孤立系统，其内部自发的过程总是由几率小的状态向几率大的状态进行，从此可见热是不可能自发地变成功的。热力学第二定律只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程。而不适用于少量的微观体系，也不能把它推广到无限的宇宙。 根据热力学第零定律，确定了态函数温度； 根据热力学第一定律，确定了态函数内能和焓；根据热力学第二定律，也可以确定一个新的态函数熵。可以用熵来对第二定律作定量的表述。 第二定律指出在自然界中任何的过程都不可能自动地复原，要使系统从终态回到初态必需借助外界的作用，由此可见，热力学系统所进行的不可逆过程的初态和终态之间有着重大的差异，这种差异决定了过程的方向，人们就用态函数熵来描述这个差异，从理论上可以进一步证明:可逆绝热过程Sf=Si， 不可逆绝热过程SfSi，式中Sf和Si分别为系统的最终和最初的熵。也就是说，在孤立系统内对可逆过程，系统的熵总保持不变；对不可逆过程，系统的熵总是增加的。这个规律叫做熵增加原理。这也是热力学第二定律的又一种表述。熵的增加表示系统从几率小的状态向几率大的状态演变，也就是从比较有规则、有秩序的状态向更无规则，更无秩序的状态演变。熵体现了系统的统计性质。第二定律在有限的宏观系统中也要保证如下条件：1、该系统是线性的；2、该系统全部是各向同性的。另外有部分推论很有意思：比如热辐射：恒温黑体腔内任意位置及任意波长的辐射强度都相同，且在加入任意光学性质的物体时，腔内任意位置及任意波长的辐射强度都不变。 热力学第二定律与时间的单方向性所有不涉及热现象的物理规律均时间反演对称, 它们没有对时间的方向作出规定. 所谓时间反演, 通俗地讲就是时光倒流; 而物理定律时间反演对称则指, 经过时间反演后, 该定律依然成立. 以牛顿定律为例, 它是时间反演对称的. 不妨考察自由落体运动: 一物体由静止开始, 在重力作用下自由下落, 其初速度V(0)=0, 加速度a=g, 设其末速度为V(t), 下落高度为h. 现进行时间反演, 则有其初速度V(0)=-V(t), 加速度a=g, 末速度V(t)=V(0), 上升高度为h, 易证这依然满足牛顿定律. 但热现象则不同, 一杯水初始温度等于室温, 为T(0), 放在点燃酒精灯上, 从酒精灯火焰吸收热量Q后温度为T(t). 现进行时间反演, 则是水的初温为T(0)=T(t), 放在点燃酒精灯上, 放出热量Q给酒精灯火焰, 自身温度降为T(t)=T(0). 显然这违背了热力学第二定律关于热量只能从高温物体传向低温物体的陈述. 故热力学第二定律禁止时间反演. 在第一个例子中, 如果考虑到空气阻力, 时间反演后也会与理论相悖, 原因在于空气阻力做功产生了热.热力学第二定律体现了客观世界时间的单方向性, 这也正是热学的特殊性所在.热力学第二定律是热力学定律之一，是指热永远都只能由热处转到冷处。1824年法国工程师萨迪卡诺提出了卡诺定理，德国人克劳修斯（Rudolph Clausius）和英国人开尔文（Lord Kelvin）在热力学第一定律建立以后重新审查了卡诺定理，意识到卡诺定理必须依据一个新的定理，即热力学第二定律。他们分别于1850年和1851年提出了克劳修斯表述和开尔文表述。这两种表述在理念上是相通的。热力学第三定律热力学第三定律是对熵的论述，一般当封闭系统达到稳定平衡时，熵应该为最大值，在任何过程中，熵总是增加，但理想气体如果是绝热可逆过程熵的变化为零，可是理想气体实际并不存在，所以现实物质中，即使是绝热可逆过程，系统的熵也在增加，不过增加的少。 在绝对零度，任何完美晶体的熵为零；称为热力学第三定律。对化学工作者来说，以普朗克（M.Planck,1858-1947,德）表述最为适用。热力学第三定律可表述为“在热力学温度零度（即T=0开）时，一切完美晶体的熵值等于零。”所谓“完美晶体”是指没有任何缺陷的规则晶体。据此，利用量热数据，就可计算出任意物质在各种状态（物态、温度、压力）的熵值。这样定出的纯物质的熵值称为量热熵或第三定律熵。热力学第三定律认为，当系统趋近于绝对温度零度时，系统等温可逆过程的熵变化趋近于零。第三定律只能应用于稳定平衡状态，因此也不能将物质看做是理想气体。绝对零度不可达到这个结论称做热力学第三定律。 理论发展是否存在降低温度的极限？1702年，法国物理学家阿蒙顿已经提到了“绝对零度”的概念。他从空气受热时体积和压强都随温度的增加而增加设想在某个温度下空气的压力将等于零。根据他的计算，这个温度即后来提出的摄氏温标约为-239C，后来，兰伯特更精确地重复了阿蒙顿实验，计算出这个温度为-270.3C。他说，在这个“绝对的冷”的情况下，空气将紧密地挤在一起。他们的这个看法没有得到人们的重视。直到盖-吕萨克定律提出之后，存在绝对零度的思想才得到物理学界的普遍承认。1848年，英国物理学家汤姆逊在确立热力温标时，重新提出了绝对零度是温度的下限。1906年，德国物理学家能斯特在研究低温条件下物质的变化时，把热力学的原理应用到低温现象和化学反应过程中，发现了一个新的规律，这个规律被表述为：“当绝对温度趋于零时，凝聚系(固体和液体）的熵（即热量被温度除的商）在等温过程中的改变趋于零。”德国著名物理学家普朗克把这一定律改述为：“当绝对温度趋于零时，固体和液体的熵也趋于零。”这就消除了熵常数取值的任意性。1912年，能斯特又将这一规律表述为绝对零度不可能达到原理：“不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度。”这就是热力学第三定律。1940 年R.H.否勒和 E.A.古根海姆还提出热力学第三定律的另一种表述形式：任何系统都不能通过有限的步骤使自身温度降低到0K，称为0K不能达到原理。此原理和前面所述及的热力学第三定律的几种表述是相互有联系的。但在化学热力学中，多采用前面的表述形式。 在统计物理学上，热力学第三定律反映了微观运动的量子化。在实际意义上，第三定律并不像第一、二定律那样明白地告诫人们放弃制造第一种永动机和第二种永动机的意图。而是鼓励人们想方设法尽可能接近绝对零度。目前使用绝热去磁的方法已达到510-10K，但永远达不到0K。开普勒第一定律开普勒第一定律，也称椭圆定律；也称轨道定律：每一个行星都沿各自的 椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点中。 开普勒第二定律开普勒第二定律，也称面积定律：在相等时间内，太阳和运动中的行星的连线（向量半径）所扫过的面积都是相等的。 这一定律实际揭示了行星绕太阳公转的角动量守恒。用公式表示为 开普勒定律开普勒第三定律开普勒第三定律，也称调和定律；也称周期定律：各个行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。 由这一定律不难导出：行星与太阳之间的引力与半径的平方成反比。这是牛顿的万有引力定律的一个重要基础。 开普勒定律这里，a是行星公转轨道半长轴，T是行星公转周期，K是常数。燃素说燃素充塞于天地之间，流动于雷电风云之中。在地上，天上，海洋，陆地，动、植、矿物，和人的心中都含有它。大气中含有燃素，因而会在空气中引起闪电，而使大气动荡不已；生物含有燃素就富有生机；无生命物质含有燃素，就会燃烧。燃素不仅具有各种机械性质，而且又像灵魂一样，本身就是一种动因，是“火之动力”。物体失去燃素，变成死的灰烬，灰烬获得燃素，物体又会复活。 物质在加热时，燃素并不能自动分解出来。而须外加空气将其中燃素吸取出来，燃烧才能实现；上好的空气是具有吸收燃素的性质的。 腐蚀剂夺取了金属中的燃素，金属就被腐蚀;煅烧金属，金属失去尊贵的光芒而变成渣滓当赋予它们以燃素，它们又变得不可一世。 物体中含燃素越多，燃烧起来就越旺；含的燃素少，燃烧起来就弱。上好的空气是具有吸收燃素的性质的，因此物体必须在空气中才能燃烧；各种实体都是由物体所共有的基本物质（元素）和该物体所特有的“灵气”所构成并可以用火炼的方法使其分离。当实体被加热时，“灵气”便从实体中逸出。 由于金属等物质被氧化后质量增重，有的科学家认为燃素和“灵气”一样与地心是相排斥的具有负重量（即所谓“轻量”），因此金属失去燃素时，重量反而增加了。有人说，金属失去燃素，好比活着的人失去了灵魂，因此就象死体比活着的时候要重那样，“死”的灰渣自然就比活的金属重。燃素说后被证明是错误的。热质说在古希腊的德谟克里特和伊壁鸠鲁以及古罗马的卢克莱修的著作中出现了“热是物质的”这种说法：“热把空气一起带来，没有热也就没有空气，空气和热混合在一起。”而我国古代人的“元气论”把热看成是一种“气”，它的集中表现是燃为火。所以淮南子天文训有“积阳之热气生火”的说法，东汉王充论衡寒温篇解释冷热也说是“气之所加”。我国古代人的观点类似西方的“热质说”。燃素说是如何推翻的17世纪德国化学家贝歇尔(1635-1682年)在他1669年的著作土质物理一书中对燃烧作用有很多的论述。他被认为是与施塔尔共同创立燃素说的人。他认为燃烧是一种分解作用，动、植物和矿物燃烧之后，留下的灰烬都是成分更简单的物质。因此，按照他的理论，不能分解的物质(尤其是单质)当然不会燃烧。贝歇尔的理论中提出了一种“油土”的概念，即相当于以后的所谓“燃素”，因此贝歇尔可以说是燃素学说的第一个发起人。 不久后，普鲁士王的御医、德国化学家施塔尔(1660-1734年)总结了燃烧中的各种现象及各家的观点之后，于1703年更系统地阐述、发挥了燃素学说。 按照燃素说，火是由无数细小而活泼的微粒构成的物质实体。这种火的微粒既能同其他元素结合形成化合物，也能以游离方式存在。大量游离的火微粒聚集在一起就形成明显的火焰，它弥散于大气之中便给人以热的感觉，由这种火微粒构成的火的元素就是“燃素”。 按照燃素说，燃素充塞于天地之间，流动于雷电风云之中。在地球上，动、植、矿物中都含有它。大气中含有燃素，因而会在空气中引起闪电，而使大气动荡不已；生物含有燃素就富有生机；无生命物质含有燃素，就会燃烧。燃素不仅具有各种机械性质，而且又像灵魂一样，本身就是一种动因，是“火之动力”。物体失去燃素，变成死的灰烬；灰烬获得燃素，物体又会复活。 燃素说解释燃烧现象时，认为一切与燃烧有关的化学变化都可以归结为物体吸收燃素与释放燃素的过程。锻烧金属，燃素从中逸去，变成煅渣；煅渣与木炭共燃时，又从木炭中吸取了燃素，所以金属重生。燃烧硫磺，燃素逸去，变成硫酸；硫酸和富含燃素的松节油共煮时，又从松节油中夺回燃素，于是硫酸还原成硫磺 在燃素说者看来，物体中含燃素越多，燃烧起来就越旺，例如油脂、炭黑、硫、磷就是极富含燃素的物质；否则就相反，石头、木灰不含燃素，因此就不会燃烧。“燃素”的含义似乎很与波义耳的“大微粒”相似。但要知道。他们两方对金属煅烧过程的解释却恰恰相反，按燃素说，其过程可以下式表示：金属燃素煅灰。 那么煤炭、木柴燃烧为什么一定需要空气呢?燃素说者认为，这些物质在加热时，燃素并不能自动分解出来。而须外加空气将其中燃素吸取出来，燃烧才能实现；上好的空气是具有吸收燃素的性质的。燃素说还解释了金属溶解于酸以及金属置换反应，认为前者是由于酸夺取了金属中的燃素，铁置换溶液中的铜是由于金属铁中的燃素转移到铜中去的结果。 燃素说的这些说法曾足以说明当时所知道的大多数化学现象，虽然在某些场合不免有些牵强附会，由于大多数化学现象在燃素的基础上得到了统一的说明，因此很快得到当时许多化学家的相信和支持。 另一方面，在燃素说流行的100年中，即使是相信燃素说的科学家们，由于他们亲身从事化学试验，因而积累了相当丰富的科学实验材料，这些材料无论对科学燃烧理论的建立以及近代化学的发展都是很有价值的。 因此，恩格斯评价燃素说时认为，化学“借燃素说从炼金术中解放出来”。当时，燃素说虽然比炼金术更能定性地解释更多的化学现象，但是它同炼金术一样，不能解释金属煅燃增重的事实。既然金属在煅烧时要逸出燃素，为什么重量反而倒增加了呢? 为了说明这一点。当时一些化学家，例如法国人文耐尔(1723-1775年)竟强加给了燃素一些神秘莫测的性质，他们不顾物理学已经取得的成就，硬说燃素和“灵气”一样，与地心是相排斥的具有负重量(即所谓“轻量”)，因此金属失去燃素时，重量反而增加了。有人说，金属失去燃素，好比活着的人失去了灵魂，因此像死体比活体更重那样，“死”的灰渣自然就比活的金属重。这种玄之又玄的论调又被禁锢到神学之中了。 机械论者看不到燃烧现象的本质，任意地杜撰了一个由莫须有的“火微粒”所造成的燃素。然而，用燃素又不能解释全部燃烧现象。在“科学还深深地禁锢在神学之中”的历史情况下，形而上学的机械论只好向传统的神秘论求救，以为只要给燃素这个“臆想出来的”物质，再加上一些臆想出来的神秘特性，就可以使它变得像神灵一样神通广大，这样它当然经不起进一步实践的考验。 经过人们多方搜索，结果谁也没能拿到燃素，特别是人们对化学反应更多地进行了定量研究后，越来越使燃素说陷入无法克服的困境。到18世纪末，氧被发现，燃烧的本质终于被揭示，从而也宣告了燃素说的完全破产。氧化说是如何建立的自施塔尔于1703年系统地提出燃素说之后，化学界在很长一段时间内为之统治，并无一人怀疑此学说的真伪。这样，燃素说大一统的局面维持了近百年之久，然而17世纪中叶之后，科学家陆续发现了一些新气体，同时发现了一些学术上的新问题，这些问题如果用燃素说来解释则不同程度上有附合之嫌。从此，燃素说的弊端渐渐显示出来。 碳酸气体首先，布拉克在1775年的实验中，发现了碳酸气体并且首先应用一定量的方法对其进行研究。布拉克把石灰石煅烧前后分别称了重量，发现石灰石在煅烧后重量减轻了44，他断定这是因为有气体从中放出的缘故。布拉克又发现石灰石与酸作用放出一种气体，用石灰来吸收这种气体，发现其重量与煅烧时放出的相等，并且该气体与石灰水作用生成了性质与石灰石相同的沉淀物。布拉克称这种气体为“固定空气”。在以后的实验中，布拉克弄清了镁石与镁土的区别，即镁石中含有“固定空气”，失之则成为镁土。布拉克的发现与燃素而成为石灰，这与布拉克在实验中发现的燃烧失重并转变成石灰，以及苏打转变为苛性碱，都是由于失去酸性的“固定空气”所引起的，而与吸收不吸收燃素毫无关系，断然否定了燃素说。 如果说布拉克发现碳酸气是对燃素说的一次有力的批判，氢和氮的发现则更进一步动摇了燃素说的基础。 发现氢气在化学史上，很难说究竟是认第一个发现了氢气，但第一个收集并研究其性质的化学家凯文迪什。他在实验中用铁和锌等金属作用于盐酸及稀硫酸制得了氢气，并用排水法收集了这种气体。在研究中，凯文迪什发现了定量的某种金属和足量的各种酸作用，所产生的氢气的数量总是固定的，与所用酸的种类及酸的浓度并无关系，并发现氢气是与空气混合后点燃会发生爆炸，这与其他空气不一样。 但是，凯文迪什是燃素说的忠实信徒，他用燃素说的观点对氢的生成及其性质进行解释。凯文迪什认为金属中含有燃素，金属在酸中溶解的时候，它们的所含的燃素便释放了出来，并形成了这种“易燃空气”。他甚至说氢气就是燃素，并说把氢气充到气球中，气球会徐徐上升的现象恰恰证明了燃素有负重量。当时许多燃素说的信徒们都为凯文迪什的说法呐喊助威，但是当凯文迪什自己弄清了浮力的问题后，通过精确研究证明氢气是有重量的，只是它比空气轻的多。为此，凯文迪什和其他的信徒们又说，氢并非纯粹的燃素，而是燃素和水的化合物。其牵强附会的可见一斑，氢的发现以及有关它的争论又一次动摇了燃素说。 1772年，布拉克的学生卢瑟福在实验中发现了氢气，发现这种气体不能维持动物生命并能灭火的性质。同年，普利斯特里也发现了氮气。但是，卢瑟福和普利斯特里都是燃素说的虔诚信徒，他们虽然而对着诸多难以理解的实验现象，却不去思考其真正原因，而是很轻率地套用了燃素说的观点。他们认为氮气是一种“被燃素饱合了的空气”，因此失去了助燃的能力。显然，他们也不承认氮是空气中的成分之一，用以顽固地维护燃素说。 氧气的发现如果说碳酸气、氢气和氮气的发现是推翻燃素说的导火索，那么，氧的发现则是这一事件的火药。然而，这一火药在最初发现氧的舍勒和普利斯特里的手中却迟迟未能引爆，直到拉瓦锡对氧进行了深入的研究之后才摧毁了燃素说的老巢。这是什么原因呢？这不能说是陈旧观念的一种垂死挣扎，同时也由于舍勒和普利斯特里两人在研究工作中无法摆脱顽固的旧观念也未能更全面地进行研究的结果。 1774年前后，舍勒和普利斯特里分别先后独立地发现并制得了氧气，然而由于两人都是燃素说的信徒，受之困扰，对氧气能使火燃烧的更好的现象，他们都用了燃素说的解释。舍勒称氧气为“火气”，他仍认为燃烧是空气中的这种火气成分与燃烧体中燃素结合的过程，火是火气与燃素生成的化合物。普利斯特里则认为，空气乃是单一的气体，助燃能力之所以不同仅因为燃素含量的不同。他认为氧是一种“脱燃素空气”，故而吸收燃素的能力很强，助燃能力也就格外大。 相关评论正如恩格斯所说，舍勒和普利斯里“从歪曲的、片面的、错误的前提出发，循着错误的、弯曲的、不可靠的途径前进，往往当真理碰到鼻尖上的时候还是没有得到真理。”这种本来可以推翻全部燃素说的观点并使化学发生革命的元素，在他们手中没能结出果实。 1756年，俄国科学家蒙诺索夫曾在密闭的玻璃器内煅烧金属，发现金属燃烧后重量增加，他认为这是由于金属在煅烧时吸了空气的缘故。1774年，法国人贝岩曾发表过一篇讨论氧化汞的论文，他认为水银被煅烧后，不但没有失去燃素，而且和空气化合，增加了重量地。但是，他们的研究是不全面的，也不是定量的，更没有认识到氧是一种新元素，从而对其性质进行透彻的研究。 对燃烧现象作全面的研究，令人信服地彻底推翻燃素说并建立科学燃烧学说这一历史辊由拉瓦锡完成的。 氧气发现后不久，法国化学家拉瓦锡了解到普利斯特里制得氧的方法，在此之前，拉瓦锡已做过了煅烧金属的实验，他在工作中非常注重量的研究。1774年，他用锡和铅做了著名的金属煅烧实验，他首先将实验用的铅和锡进行精确称量，将它们放入曲劲瓶中，将瓶封闭后再准确称量铅、锡与瓶的总重量。准备就绪后，进行加热，直到铅、锡变为灰烬。再称量总重，与试验前一样。之后，当他把瓶子打开时发现空气冲了进去，这时再对瓶及煅灰进行称量，发现总生日重量增加了，另外，他发现金属在煅烧后重量也增加了，所增重量恰恰是等于空气冲进瓶后总增量。因此，拉瓦锡断定，金属所增加的重量，既不是来自水中，也不是来自瓶外任何物质，只能是金属结合了瓶中部分空气的结果。在这种鲜明的事实面前，拉瓦锡对燃素说产生了极大的怀疑。 金属煅灰金属的煅灰会不会是金属和空气的化合物？这了验证这一点，拉瓦锡又用煅灰做了许多实验。他发现，把铅煅灰与焦炭一起加热时有大量“固定空气”释放出来，与此同时，煅灰还原成金属铅。这些“固定空气”是从哪里来的呢？他感到这绝不仅仅是从焦炭里吸取一点燃素那样简单了。联系到焦炭在空气中燃烧也生成“固定空气”的事实，拉瓦锡更加确信煅灰是金属和空气相结合的产物，而煅灰在用焦炭还原时所放出来的“固定空气”，一定是从煅灰中释放出来的空气与焦炭相结合的结果。要进一步证实这个结论，最最有说服力的当然是设法从金属煅灰中直接分解出来空气，然而实验却未能成功。 命名氧气恰在这时，普利斯特里会见了拉瓦锡，告诉了拉瓦锡制得氧气的方法。拉瓦锡重复了普得斯特里垢实验，果然从汞煅灰中分解出了比普通空气更加助燃、助呼吸的气体，拉瓦锡于1777年将这种气体正式命名为Oxygene(氧）。意为“成酸元素”。上述实验有力地证明了拉瓦锡否定燃素说的结论，说明可燃物质的燃烧或金属变为煅灰并不是分解反应，而是与氧化合的反应，用化学式表示为： 金属+氧=煅灰 而绝非燃素说的所谓 金属-燃素=煅灰 拉瓦锡氧化学说此后，拉瓦锡又对金属的氧化与还原的反应进行了很精确的定量研究，证明了化学反应中质量不灭的定律。同时，他又做了大量的燃烧实验，对种种物质燃烧后的产物进行了一一试验研究。在几年的积累、归纳总结之后，拉瓦锡于1777年提出了科学的燃烧学说-氧化学说。此后不久，水的合成和分解试验取得成功，氧化学说也随之为举世公认了。DNA双螺旋结构的发现公元1953年4月25日是一个十分令人难忘的日子，这天沃森和克里克在英国著名的自然杂志（第171期）上，发表了一篇题为核酸的分子结构的论文。他们在论文中提出了DNA分子的双螺旋结构模型。这是20世纪生命科学最伟大的成就，标志着分子生物学的诞生。当时沃森年仅25岁，克里克也只有37岁，世人不禁感叹：如此伟大的发现居然出自这两位年轻人之手！因此有关DNA双螺旋结构的发现过程成为启迪学生和生物工作者的典范。我想这也是教育学生如何探索知识、进行研究性学习的楷模。 沃森是美国人，1947年毕业于芝加哥大学动物学系，由于迷上了基因，他选择了遗传学作为自己的研究专业，1950年获博士学位，1951年秋经导师介绍，沃森来到英国剑桥大学卡文迪什实验室继续深造，正如沃森所言，我是为着DNA而来的。就在这里，遇见了他的研究伙伴克里克，这时克里克正在研究蛋白质的晶体结构。1938年，克里克毕业于英国伦敦大学，学数学和物理，因战争需要，曾从事过武器研究。二战结束后，他选择生物学作为自己的研究方向，目的是把物理数学知识渗透于生命科学的研究。因此这两位年轻人可谓志趣相投，一见如故，他们相信只要搞清DNA的分子结构就能揭开基因遗传的奥秘。 1951年11月，沃森和克里克开始进行DNA空间结构的研究。当时人们已知DNA由核苷酸组成，美国细菌学家艾佛里已完成细菌转化实验，初步证实DNA是遗传物质。世界上已有几个实验室正在角逐看谁先发现DNA结构。例如，英国皇家学院的物理学家威尔金斯和弗兰克琳，美国加州理工学院的化学家鲍林，他（她）们虽然都不是生物学家，但是在DNA结构的研究方面都取得了一些进展。射线晶体衍射分析是威尔金斯领导小组的主要研究方法，并用此法获得了DNA衍射照片；弗兰克琳分析这些照片，她根据图中的阴影和标记部分推测DNA可能是一个螺旋体，分子平均直径是2.0。纯化的DNA是一种粘稠的液体，像鸡蛋清一样，但是一加热，DNA溶液的粘度就会下降，这是为什么呢？沃森和克里克特别注意到这是由于DNA分子中的一些弱的化学键被破坏的结果，而氢键是一种通过适度加热可以被破坏的弱键，所以DNA分子中可能会存在许多氢键，这些氢键对维持DNA的正常结构是十分必要的。 鲍林小姐发现多肽链是通过氢键扭成-螺旋的，沃森和克里克特别注意到鲍林成功的关键不仅仅是研究射线衍射图谱，更重要的是用一组模型来探讨分子中各原子间的联系。于是两位年轻人用剪裁的硬纸板和金属片构建DNA分子模型。他们好像孩子玩智力游戏一样，首先制作单个核苷酸的模型，并计算原子大小、键长和键角等。就这样建了拆，拆了建，因为至少有十几种方式可以让碱基、磷酸和糖环连接在一起，所以工作令人异常乏味，甚至产生中断研究的念头。幸运的是沃森对生物结构的独到见解加上克里克的物理数学知识，使他们从X射线衍射图上测量到DNA的两个周期性数据：0.34和3.4。沃森和克里克推测0.34可能是核苷酸的堆积距离，他们试探着在模型上把分子排成长3.4，直径2.0的螺旋体。若把两个双环嘌呤横排在双链之间，螺旋体显得太窄，容纳不下，若将两个单环嘧啶横排在双链之间，螺旋体显得太宽，只有一个嘌呤通过氢键与一个嘧啶配对最合适，并由氢键形成的位置关系决定，。真是功夫不负有心人，奇迹终于出现了，当他们突然从模型上看到与T相对，G和相对时，激动的心情难以言表，这正是查戈夫法则（现称碱基互补配对原则），碱基对堆积在双链内侧，它们排列方式非常像梯子上的横木，糖环和磷酸基排列在外侧，DNA分子不是三螺旋，而是由两条长链盘绕而成的双螺旋，双螺旋的螺距是3.4，直径为2，每个螺距包含10对碱基，相邻两碱基对之间的距离为0.34，而碱基对排列顺序的千变万化决定了DNA分子结构的多样性。 DNA双螺旋结构的发现道路是坎坷的，他们从事这项工作不久，就提出DNA三螺旋结构，但因与X射线衍射照片的分析数据不合而失败了。有识之士不禁要问：如此重大发现为什么只用了一年多的时间？沃森和克里克在核酸的分子结构一文中坦率地写道：我们主要是依靠别人已经发表的实验数据构建这个模型的。这使我想到鲁迅先生说的话：科学巨人是站在别人肩膀上的。由于在研究DNA分子结构方面的伟大贡献，沃森、克里克和威尔金斯、弗兰克琳共同获得了1962年的诺贝尔生理医学奖。 DNA双螺旋结构的发现是生命科学史上的奇迹和里程碑，具有划时代的意义。它不仅揭开了基因遗传之谜，也是近代生物工程勃勃兴起的重要基石。沃森和克里克的这种严谨务实、团结互助、勇于探索的科学精神，永远值得我们学习。波动说与微粒说的斗争十七世纪初，在天文学和解剖学等相关学科的推动下，并伴随着光学仪器的发明和制造，光学这一曾经神秘的领域也被卓越的科学探秘者开拓出了一块醒目的空间。到十七世纪末，光学已经成为了物理学的一个重要分支，是物理学中应用最为广泛的一个部门。 其中，几何光学的发展最为迅速，由荷兰数学家斯涅尔发现的准确的折射定律对于 光学仪器的改进具有首要意义，并为研究整个光学系统提供了计算的可能。随着几何光学的发展，物理光学的研究也开始起步。在人们对物理光学的研究过程中，光 的本性问题和光的颜色问题成为焦点。关于光的本性问题，笛卡儿在他方法论的三个附录之一折光学中提出了两种假说。一种假说认为，光是类似于微粒的 一种物质；另一种假说认为光是一种以“以太”为媒质的压力。虽然笛卡儿更强调媒介对光的影响和作用，但他的这两种假说已经为后来的微粒说和波动说的争论埋 下了伏笔。十七世纪中期，物理光学有了进一步的发展。1655年，意大利波仑亚大学的数学教授格里马第在观测放在光束中的小棍子的影子时，首先发现了光的衍射现象。据此他推想光可能是与水波类似的一种流体。格里马第设计了一个实验：让一束光穿过一个小孔，让这束光穿过小孔后照到暗室 里的一个屏幕上。他发现光线通过小孔后的光影明显变宽了。格里马第进行了进一步的实验，他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，这时得到了有明暗条 纹的图像。他认为这种现象与水波十分相像，从而得出结论：光是一种能够作波浪式运动的流体，光的不同颜色是波动频率不同的结果。格里马第第一个提出了“光 的衍射”这一概念，是光的波动学说最早的倡导者。格里马第1663年逝世，他的重要发现在1665年出版的书中进行了描述。1663年，英国科学家波义耳提出了物体的颜色不是物体本身的性质，而是光照射在物体上产生的效果。他第一次记载了肥皂泡和玻璃球中的彩色条纹。这一发现与格里马第的说法有不谋而合之处，为后来的研究奠定了基础。不久后，英国物理学家胡克重复了格里马第的试验，并通过对肥皂泡膜的颜色的观察提出了“光是以太的一种纵向波”的假说。根据这一假说，胡克也认为光的颜色是由其频率决定的。然而1672年，伟大的牛顿在他的论文关于光和色的新理论中谈到了他所作 的光的色散实验：让太阳光通过一个小孔后照在暗室里的棱镜上，在对面的墙壁上会得到一个彩色光谱。他认为，光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又 被分开一样。在这篇论文里他用微粒说阐述了光的颜色理论。第一次波动说与粒子说的争论由“光的颜色”这根导火索引燃了。从此胡克与牛顿之间展开了漫长而激烈的争论。1672年2月6日，以胡克为主席，由胡克和波义耳等组成的英国皇家学会评议委员会对牛顿提交的论文关于光和色的新理论基本上持以否定的态度。牛顿开始并没有完全否定波动说，也不是微粒说偏执的支持者。但在争论展开以后，牛顿在很多论文中对胡克的波动说进行了反驳。1675年12月9日，牛顿在说明在我的几篇论文中所谈到的光的性质的一个假说一文中，再次反驳了胡克的波动说，重申了他的微粒说。由于此时的牛顿和胡克都没有形成完整的理论，因此波动说和微粒说之间的论战并没有全面展开。但科学上的争论就是这样，一旦产生便要寻个水落石出。旧的问题还没有解决，新的争论已在酝酿之中了。（二）波动说的支持者，荷兰著名天文学家、物理学家和数学家惠更斯继承并完善了胡克 的观点。惠更斯早年在天文学、物理学和技术科学等领域做出了重要贡献，并系统的对几何光学进行过研究。1666年，惠更斯应邀来到巴黎科学院以后，并开始 了对物理光学的研究。在他担任院士期间，惠更斯曾去英国旅行,并在剑桥会见了牛顿。二人彼此十分欣赏，而且交流了对光的本性的看法，但此时惠更斯的观点更 倾向于波动说，因此他和牛顿之间产生了分歧。正是这种分歧激发了惠更斯对物理光学的强烈热情。回到巴黎之后，惠更斯重复了牛顿的光学试验。他仔细的研究了 牛顿的光学试验和格里马第实验，认为其中有很多现象都是微粒说所无法解释的。因此，他提出了波动学说比较完整的理论。惠更斯认为，光是一种机械波；光波是一种靠物质载体来传播的纵向波，传播它的物质载体是“以太”；波面上的各点本身就是引起媒质振动的波源。根据这一理论，惠更斯证明了光的反射定律和折射定律，也比较好的解释了光的衍射、双折射现象和著名的“牛顿环”实验。如果说这些理论不易理解，惠更斯又举出了一个生活中的例子来反驳微粒说。如果光是由粒子组成的，那么在光的传播过程中各粒子必然互相碰撞，这样一定会导致光的传播方向的改变。而事实并非如此。1678年，惠更斯向巴黎科学院提交了他的光学论著光论。在光论一书中，他系统的阐述了光的波动理论。同年，惠更斯发表了反对微粒说的演说。 1690年，光论出版发行。就在惠更斯积极的宣传波动学说的同时，牛顿的微粒学说也逐步的建立起来了。牛 顿修改和完善了他的光学著作光学。基于各类实验，在光学一书中，牛顿一方面提出了两点反驳惠更斯的理由：第一，光如果是一种波，它应该同声波一样 可以绕过障碍物、不会产生影子；第二，冰洲石的双折射现象说明光在不同的边上有不同的性质，波动说无法解释其原因。另一方面，牛顿把他的物质微粒观推广到 了整个自然界，并与他的质点力学体系融为一体，为微粒说找到了坚强的后盾。为不与胡克再次发生争执，胡克去世后的第二年（1704年）光学才正式公 开发行。但此时的惠更斯与胡克已相继去世，波动说一方无人应战。而牛顿由于其对科学界所做出的巨大的贡献，成为了当时无人能及一代科学巨匠。随着牛顿声望 的提高，人们对他的理论顶礼膜拜，重复他的实验，并坚信与他相同的结论。整个十八世纪，几乎无人向微粒说挑战，也很少再有人对光的本性作进一步的研究。这是否意味着波动说永久的沉默呢？(三）十八世纪末，在德国自然哲学思潮的影响下，人们的思想逐渐解放。英国著名物理 学家托马斯杨开始对牛顿的光学理论产生了怀疑。根据一些实验事实，杨氏于1800年写成了论文关于光和声的实验和问题。在这篇论文中，杨氏把光和声 进行类比，因为二者在重叠后都有加强或减弱的现象，他认为光是在以太流中传播的弹性振动，并指出光是以纵波形式传播的。他同时指出光的不同颜色和声的不同 频率是相似的。在经过百年的沉默之后，波动学说终于重新发出了它的呐喊；光学界沉闷的空气再度活跃起来。1801年，杨氏进行了著名的杨氏双缝干涉实验。实验所使用的白屏上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象，从而证明了光是一种波。同年，杨氏在英国皇家学会的哲学会刊上发表论文，分别对“牛顿环”实验和自己的实验进行解释，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。1803年，杨氏写成了论文物理光学的实验和计算。他根据光的干涉定律对光的衍射现象作了进一步的解释，认为衍射是由直射光束与反射光束干涉形成的。虽然这种解释不完全正确，但它在波动学说的发展史上有着重要意义。 1804年，这篇论文在哲学会刊上发表。1807年，杨氏把他的这些实验和理论综合编入了自然哲学讲义。但由于他认为光是一种纵波，所以在理论上遇到了很多麻烦。他的理论受到了英国政治家布鲁厄姆的尖刻的批评，被称作是“不合逻辑的”、“荒谬的”、“毫无价值的”。虽然杨氏的理论以及后来的辩驳都没有得到足够的重视、甚至遭人毁谤，但他的理论激起了牛顿学派对光学研究的兴趣。1808年，拉普拉斯用微粒说分析了光的双折射线现象，批驳了杨氏的波动说。1809年，马吕斯在试验中发现了光的偏振现象。在进一步研究光的简单折射中的偏振时，他发现光在折射时是部分偏振的。因为惠更斯曾提出过光是一种纵波，而纵波不可能发生这样的偏振，这一发现成为了反对