物态变化中的物理学史.ppt

物态变化中的物理学史 一 温度计的发明和改进 我国战国时期 就根据水的结冰来推知气温下降的程度 汉代初年有一种 冰温度计 按文献记载 睹瓶中之冰而知天下之寒暑 意思是观察瓶里冰的融化和增厚 就可知气温的变化 古人也利用光的颜色判断温度的高低 炉火纯青 形容炉温达到最高点时 火焰从红色转成青色 16世纪依靠热胀冷缩显示温度高低的科学家 1 伽利略发明的温度计大约在1593年 伽利略发明了温度计 他取一个鸡蛋大小的玻璃泡 玻璃泡接到像麦秸一般粗细的玻璃管 管长约半米 用手掌将玻璃泡握住 使之受热 然后倒转插入水中 等玻璃泡冷却后 水升高约二三十厘米 他用水柱的高度表示冷热程度 测量了不同地点 不同时候 不同季节的相对温度 伽利略温度计的重大缺点 就是大气压会对水柱高度产生影响 而且温度计插入水盆里用起来很不方便 伽利略最早的温度计 雷伊的弯管温度计 2 法国化学家雷伊的温度计雷伊将伽利略的温度计做了一点改进 他把玻璃泡调头放在下方 从上面灌进一定量的水 于是温度计可以携带了 但水会蒸发 温度仍然不很可靠 此后不久 意大利出现了把酒精或水银密封在玻璃泡中做成的温度计 为了表示温度的高低 在玻璃管上标有刻度 管子太长 就做成螺旋状 由于刻度没有统一标准 不适于推广使用 温度标准点的确定 惠更斯推荐水的冰点和沸点作为标准玻意耳认为冰点会随纬度改变 建议用大茴香油的凝固点作为标准牛顿选用融雪温度和人体温度作为温标 并将这中间分成十二等份1703年 丹麦学者罗默选用冰 水和食盐的混合温度作为零点 因为这是当年所能达到的最低温度 德国人华伦海特用水银代替酒精作为测温物质 于是就有可能利用水的沸点 他做了许多实验研究水的沸腾 认识到水的沸点在大气压一定的条件下是固定的 不同的大气压下 沸点会有所变化 他把结冰的盐水混合物的温度定为00 以健康人的体温为960 中间的320正好是冰点 后来又确定水的沸点为2120 这就是华氏温标 以0f表示 瑞典天文学家摄尔修斯1742年创制的温度计是在水的冰点和沸点之间分100等份 为避免冰点以下出现负温度 定冰点为1000 沸点为00 与现行的摄氏温标相反 现在采用的摄氏温标是1743年法国人克利斯廷首先采用的 现在通用的国际单位制中温度以开尔文 k 表示 这个温度单位也是基本单位 严格说来 温度单位的选择实际上是一个温标问题 热学发展史中出现过华氏温标 列氏温标 兰氏温标 摄氏温标 气体温标和热力学温标等 热力学温标是1848年开尔文首先提出的 由热力学温标定义的热力学温度具有最严格的科学意义 华氏温标是德国人华伦海特 d g fahrenheit 大约在1710年提出的 规定水的冰点为32度 水的沸点为212度 列氏温标由列奥缪尔 r a f reaumur 于l730年提出 规定水的冰点为零度 水的沸点为80度 二 温标 兰氏温标由英国人兰金 rankine 提出 其定义为tr tf 459 67摄氏温标是瑞典天文学家摄尔萨斯 a celeius 在1742年提出的 他原来的方案是以水的沸点为零度 水的冰点为100度 次年法国人克里斯丁 christian 把两个标度倒过来 就成了现在通用的标度 以气体温度计标定温度所构成的气体温标最接近热力学温标 由于气体温度计的复现性较差 国际间又协议定出国际实用温标 以统一国际间的温度量值 国际实用温标几经变革 为的是由此定出的温度尽可能接近热力学温度 早在1887年 国际计量委员会就曾决定采用定容氢气体温度计作为国际实用温标的基础 1927年第七届国际计量大会决议采用铂电阻温度计等作为温标的内插仪器 并规定在氧的凝固点 182 97 到金凝固点 1063 之间确定一系列可重复的温度或固定点 1948年第十一届国际计量大会对国际实用温标作了若干重要修订 例如 以金融点代替金凝固点 以普朗克黑体辐射定律代替维恩定律 引用更精确的常数值 计算公式更为精确 光测高温计的测量限值扩大等等 1960年又增加了一条重要修订 即把水的三相点作为唯一的定义点 规定其绝对温度值为273 16 精确 以代替原来水冰点温度为0 00 精确 之规定 而水的冰点根据实测 应为273 1500 0 0001k 1968年对国际实用温标又作了一次修订 代号为ipts 68 其特点是采用了有关热力学的最新成就 使国际实用温标更接近热力学温标 这一次还规定以符号k表示绝对温度 取消原来的符号 0k 并规定摄氏温度与热力学温标的绝对温度单位精确相等 摄氏温度t 绝对温度t 273 15 精确 1975年和1976年分别对ipts 68作了修订和补充 把温度范围的下限由13 8lk扩大到0 5k 但还是出现不足之处 主要是在实验中不断发现ipts 68在某些温区与国际单位制定义的热力学温度偏差甚大 1988年国际度量街委员会推荐 第十八届国际计量大会及第77届国际计量委员会作出决议 从1990年1月1日起开始在全世界范围内采用重新修订的国际温标 这一次取名为1990年国际温标 代号为its 90 取消了 实用 二字 因为随着科学技术水平的提高 这一温标已经相当接近于热力学温标 和ipts 68相比较 100 时偏低0 026 即标准状态下水的沸点已不再是100 而是99 974 热力学第三定律的建立和低温物理学的发展 一 气体的液化与低温的获得低温的获得是与气体的液化密切相关的 十八世纪末荷兰人马伦第一次靠高压压缩方法将氨液化 1823年法拉第在研究氯化物的性质时 发现玻璃管的冷端出现液滴 经过研究证明这是液态氯 1826年他把玻璃管的冷端浸入冷却剂中 从而陆续液化了h2s hcl so2 及c2n2等气体 气液转变的关键问题是临界点的发现 临界点的发现者托尔 化学家安德纽斯1861年用了比前人优越得多的设备从事气液转变的实验 他选用co2作为工作物质 作了完整的p v图 如图 由图可以看出co2气液转变的条件和压强 温度的依赖关系 1877年 几乎同时由两位物理学家法国人盖勒德和瑞士人毕克特分别用不同方法实现了氧的液化 1883年 波兰物理学家乌罗布列夫斯基和化学家奥耳舍夫斯基合作 第一次收集到了液氧 后来奥耳舍夫斯基除了氢和氦 对所有的气体他都实现了液化和固化 此外还研究了液态空气的种种性质 1895年德国人林德和英国人汉普孙同时而分别地利用焦耳和w 汤姆生发现的多孔塞效应实现液化气体 并分别在德国和英国获得了专利 1893年1月20日杜瓦宣布发明了一种特殊的低温恒温器 杜瓦瓶 1898年了氢的固化 达到了12k 荷兰莱登大学的低温实验室在昂纳斯的领导下于1908年首开记录 获得了60cc的液氦 达到4 3k 第二年达到1 38 1 04k 绝对零度的概念早在17世纪末阿蒙顿的著作中就已有萌芽 他认为任何物体都不能冷却到这一温度以下 预言 达到这个温度时 所有运动都将趋于静止 一个世纪以后 查理和盖 吕萨克建立了严格的气体定律 从气体的压缩系数 l 273 得到温度的极限值应为 273 二 热力学第三定律的建立 1848年 w 汤姆生确定绝对温标时 对绝对零度作了如下说明 当我们仔细考虑无限冷相当于空气温度计零度以下的某一确定的温度时 如果把分度的严格原理推延足够地远 我们就可以达到这样一个点 在这个点上空气的体积将缩减到无 在刻度上可以标以 2730 所以空气温度计的 2730 是这样一个点 不管温度降到多低都无法达到这点 1906年 德国物理化学家能斯特在为化学平衡和化学的自发性寻求数学判据时 作出了一个基本假设 并提出了相应的理论 他标之为 热学新理论 人称能斯特定理 1912年能斯特在他的著作 热力学与比热 中 将 热学新理论 表述成 不可能通过有限的循环过程 使物体冷到绝对零度 这就是绝对零度不可能达到定律 也是热力学第三定律通常采用的表述方法 西蒙在1927 1937年对热力学第三定律作了改进和推广 修正后称为热力学第三定律的能斯特 西蒙表述 当温度趋近绝对零度时 凝聚系统 固体和液体 的任何可逆等温过程 熵的变化趋近于零 自从1908年莱顿实验室实现了氦的液化以来 低温物理学得到了迅速的发展 昂纳斯及其合作者对极低温下的各种物理现象进行了广泛的研究 测量了10k以下的电阻变化 发现金 银 铜等金属的电阻会减小到一个极值 1911年 他们发现汞 铅和锡等一些金属 在极低温度下电阻会突然下降 1913年卡麦林 昂纳斯用 超导电性 来表示这一事实 这年他获得诺贝尔物理学奖 l928年凯森发现2 2k下液氦中有特殊的相变 十年后 苏联的卡皮查和英国的阿伦和密申纳分别却是同时地发现液氦在2 2k以下可以无摩擦地经窄管流出 一点粘滞性也没有 这种属性叫超流动性 三 低温物理学的发展 在用各种方法探索低温的进程中 一种崭新的致冷方法 磁冷却法应运而生 这种方法也叫顺磁盐绝热去磁冷却法 加拿大青年物理学家盖奥克和德国著名物理学家德拜于1926年分别发表了这方面的论文 1933年盖奥克和麦克道盖尔在美国加州的伯克利以及德哈斯 韦尔斯玛和克拉麦斯在莱顿 分别达到0 25k和0 13k 经过近二十年的努力 用磁冷却法最低达到了0 003k左右 1956年 英国人西荣和克尔梯用核去磁冷却法获得10 5k 1979年芬兰人恩荷姆