热学的形成和发展.ppt

二 热学的形成和发展 热学是研究热现象的规律及其应用的科学 热现象虽然是人们经常接触到的 但由于缺乏测试手段和实际应用的迫切性 热学的研究相当落后 早期人们只知道热能传递 透镜能聚焦生热等现象 还没有热量和温度的概念 也没有定量地实验研究 热是人类最早发现的一种自然力 是地球上一切生命的源泉 恩格斯 1 从测温 量热到热质说 热学上的第一个重要进展是建立了温度的标准 1593年伽利略用热胀冷缩研制了第一个温度计 气体 气体 液体 汞 酒精 伽利略 确定温标 三种温标 a 摄氏温标 1742年由瑞典的摄尔修斯确定 b 华氏温标 1714年由德国的华仑海特确定 水 冰和海盐混合物的冰点为零点 把健康人的温度为另一固定点 其间分为96等份 每份1度 这样 水的冰点 0 相当华氏32 水沸点为212 100 人体温为96 35 56 F 9c 5 32c 热力学温标其一度与摄氏一度相等 零点为 273 16 科学测量标准 T 273 16 t 开尔文 量热 热容量 英国化学家布莱克最早把热量与温度区分开 并发现相同重量不同种类的物质每上升或下降一度时吸热或放热不同 由此产生热容量概念 潜热和热质 潜热 英国化学家布莱克最著名的发现是潜热 就是物态变化时的熔解热和汽化热 英国化学家布莱克又提出热流体 拉瓦锡 拉普拉斯称作热质 瓦特 卡诺利用热质说研究 热质守恒 热质在物体间交换时数量守恒 2 能量转化与守恒定律 从论文发表的时间上讲德国医生迈尔占先 从提供确凿实验证据上讲英国焦尔占先 从全面而精确的阐述原理上讲德国亥姆霍兹占先 可见欧洲科技人才济济 近代科学诞生在欧洲是有一定的原因 能量守恒和转化定律的建立 能量守恒定律是物理学中一个具有普遍意义的原理 涉及的范围非常广泛 不仅适用于无机界 也适用于生命过程 能量守恒定律是19世纪最伟大的发现之一 也是自然科学长期发展的结果 包括热现象在内的能量守恒和转化定律 就是热力学第一定律 第一类永动机的不可能实现 是导致能量守恒定律建立的重要线索之一 在十七 十八世纪 人们曾提出过永动机的各种各样的设计方案 但是 每一种方案都以失败告终 这启示人们考虑 是否存在一条普遍规律 决定了无论利用什么结构 都不可能不要代价地获得无穷无尽的可供利用的自然动力 以致于1775年法国科学院不得不作出决议 声明不再审理任何有关永动机的设计方案 尽管在历史上能量守恒的思想具有悠久的渊源 但目前科学界公认 能量守恒定律的奠基人是迈耶 R Mayer 1814 1874 焦耳 J P Joule 1818 1889 和亥姆霍兹 HermannHelmholtg 1821 1894 迈耶是一位德国医生 他在1840年随船驶往印度尼西亚时 在爪哇得到了他的重要发现 他在给病人抽血时 发现静脉血不像生活在温带国家中的人那样暗淡 迈耶从拉瓦锡 A L Lavoisier 得知 人的体温是靠血液的氧化来维持的 在热带 人体散热少 血液氧化少 故静脉血和动脉血的颜色差别小 他想到 食物中含有化学能 它象机械能一样可以转化为热 在热带高温下 机体只需要吸收食物中较少的热量 所以机体中食物的燃烧过程减弱了 因此静脉中留下了较多的氧 迈耶早年不熟悉物理 因而他有幸未被 热质说 搞糊涂 径直达到了显然是正确的结论 但他也因物理知识欠缺而吃苦头 1841年他投稿给 物理年鉴 由于该文的语言是非专业性的 晦涩难懂 未获录用 1842年 他在 化学和药学年鉴 上发表了论文 论无机界的力 从 无不生有 有不变无 和 原因等于结果 等哲学观念出发 表达了物理 化学过程中能量守恒的思想 在这篇论文中 迈耶给出了365kgm cal的热功当量值 合3 575J cal 尽管此值比正确值小了17 但却比焦耳早了一年 可算是世界上发表热功当量值的第一篇文章 在19世纪40年代到50年代 迈耶的贡献长期未受到科学界的承认 他深邃的能量守恒思想也未获得理解 1850年他跳楼自杀未遂 在精神病院疗养了三年 60年代以后科学界开始给予迈耶公正的评价 方使他晚年聊以自慰 2020 3 16 14 可编辑 焦尔 焦尔 焦耳的不朽功勋在于他精确测定了热功当量 这是确立能量守恒定律的实验基础 焦耳极力想从实验上证明能量不变 他首先研究了电流的热效应 1840 1841年他总结出著名的焦耳定律 但是焦耳明白 该实验还不能对热的本质作出判断 1845年 焦耳在 论由空气的胀缩所产生的温度变化 一文中 给出热功当量的实验值是779磅码 英制卡 即约436kgm kcal 1850年在 论热功当量 一文中给出的热功当量值是776 303磅码 英制卡 或425 77kgm kcal 焦耳关于热功当量测定的文章还有1867年的 由电流的效应测定热功当量 1878年的 热功当量的新测定 最后的热功当量值是423 85kgm kcal 亥姆霍兹是能量守恒的第三个独立发现者 他受过良好的数学训练 同时也很熟悉力学 亥姆霍兹坚信 第一类永动机 是不可能的 1847年 他在给从 物理年鉴 投稿失败之后 以小册子的形式单独刊印了论文 论力的守恒 论述了他的能量守恒与转化方面的基本思想 他把能量的概念从机械运动推广到热 电 磁乃至生命过程 提出了普遍的能量守恒定律 亥姆霍兹 能量守恒与转化定律这样一条普遍规律的确立 是许多人 许多学科共同完成的 除了物理学家的严谨 还需要与其它学科 特别是生命科学的配合 以开阔思维 有生物学背景的科学家在此处起了不可磨灭的作用 另外 从运动的质的方面 即运动形式的相互转化的准确概括 哲学家 恩格斯 也作出了贡献 3 热力学定律与 永动机 热力学第一定律 第一类永动机不可能制成 数学表述为 Q A U热力学第二定律 与热现象有关的宏观过程都是不可逆的 第二类永动机不可能制成 热机效率不可能达到100 热力学第二定律的数学表达式 熵增原理 克劳修斯引入 熵 熵是能量可以转化为有用功的量度 熵与无序性 玻尔兹