热力学发展史

热力学 thermodynamics 全称热动力学 是自然科学的一个分支 它是研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科 其中主要研究热量和功之间的转化关系 热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质 它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律 不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用 因此它是一种唯象的宏观理论 具有高度的可靠性和普遍性 热力学早期发展的概况人们对热的本质及热现象的认识 经历了一个漫长的 曲折的探索过程 在原始社会人们钻木取火 相当早的年代 人们加热岩石再泼冷水让它爆裂 从而制造出石头工具 热力学的历史可以追溯到17世纪 在1592 1600年间 伽利略制作了人类第一个空气温度计 开始了对物体的冷热程度 温度 进行定量测定的研究 这可作为 测温学 的开端 伽利略 1620年培根首先注意到 两个物体之间的摩擦所产生的热效应 与物体的冷热程度 温度 是有区别的 他认为 热是运动 这可看作是 人们对 热量 的本质进行科学研究的开端 弗朗西斯 培根 在整个17世纪中 并没有制作出复现性好的 可供正确测量的温度计及温标 在18世纪中 测温学 有较大的突破 其中最有价值的是 1714年法伦海脱所建立的华氏温标 以及1742年摄尔修斯所建立的摄氏温标 即百分温标 1760 1830年间的工业革命 有力地推动了生产力的发展及社会的进步 科技方面的成就也是空前辉煌的 力学 热学 电磁学 光学及数学都有丰硕的成果 特别是蒸汽机的发明和应用 直接促进了热机理论的研究 随着蒸汽机的广泛应用 促使人们对水蒸气热力性质进行研究及对改善蒸汽机性能进行研究 从而推动了热科学的发展 1848年 开尔文根据卡诺原理 建立了与工质性质无关的热力学温标 并提出采用一个定义点的建议 开尔文温标的建立 使 测温学 与热力学基本定律之间建立了联系 是 测温学 的一个重要进展 热力学发展史 基本上就是热力学与统计力学的发展史 约可分成四个阶段 一 17世纪末到19世纪中叶二 19世纪中到19世纪70年代末三 19世纪70年末到20世纪初四 20世纪30年代到今 此时期累积了大量的实验与观的结果 并制造出蒸气机 这一阶段的热力学还留在描述热力学的现象上 并未引进任何的数学算式 第一个阶段 17世纪末到19世纪中叶 德国的斯塔尔提出热是一种燃素 后来荷兰的波哈维说热是一种物质虎克认为热是物质各部分激烈的运动 牛顿也认为热是粒子的运动俄国的克拉夫特提出冷水 热水混合的公式 1750年理奇蒙也做了一系列热量测的研究 并改进克拉夫特的公式 1755年 兰勃特将热量与温度的概念加以区别和澄清 英国的布雷克成功地澄清了温度和热量这两个概念 并提出相变时潜热的概念 并暗示出不同物质具有不同的 热容量 第二个阶段 19世纪中到19世纪70年代末此阶段热力学的第一定律和第二定律已完全理论化 卡诺认为最理想的机械应该具备 由带着活塞的汽缸里面的气体所产生的等温膨胀 绝热膨胀 等温压缩 绝热压缩等四种循环过程 1842年他提出热可以作功 功也可以产生热的能量等价观念1848年 焦耳通过过实验证明 当物体所含的力学能转换为热能时 能的形式可以互相转变 但是总能量永远不变 在这个基础上逐渐发展出 能量守恒定律 1850年克劳修斯在揭示第一定律的论文中 他也以能量守恒和转换的观点重新验证了卡诺定理 提出了第二定律 到了1865年第二定律概念更加成熟 熵的概念被克劳修斯提出 而写出另一种形式的第二定律 即 在所有可逆循环过程中 热能变化对温度的熵的积分值为零 第三个阶段 19世纪70年末到20世纪初这个时间内 热力学诞生 吉布斯提出系统理论建立统计力学的基础 这一时期的汤姆逊为热力学也做出了重大贡献 他研究卡诺循环也提出第二定律 同时更由此订定绝对温标 又称凯氏温标K 他利用卡诺循环建立绝对温标 他重新设定水的冰点为273 7度 沸点为373 7度 他在1851年发表题为 热动力理论 的论文 写出热力学第二定律的凯尔文表述 我们不可能从单一热源取热 使它完全变为有用的功而不产生其它影响 第四个阶段 20世纪30年代到今主要是量子力学的引进而建立了量力统计力学 同时非平衡态理论更进一步的发展 形成了近代理论与实验物理学中最重要的一环 热力学基本定律 热力学第零定律热力学第一定律热力学第二定律热力学第三定律 热力学第零定律 两个热力学系统均与第三个系统处于热平衡状态 此两个系统也必互相处于热平衡 即 A C B C 则A B 在19世纪早期 不少人沉迷于一种神秘机械 第一类永动机的制造 因为这种设想中的机械只需要一个初始的力量使其运转 之后不再需要任何动力和燃料 却能自动不断地做功 直至热力学第一定律发现后 第一类永动机的神话才不攻自破 在一个热力学系统内 能量可转换 即可从一种形式转变成另一种形式 但不能自行产生 也不能毁灭 一般公式化为 一个系统内能