热力学发展史

1、.：.；要求：1、30个PPT左右2、画面明晰明了3、相关图片不少于是10张4、每个画面文字总数不超越80个，配备讲解稿5、3人组成一小组资料如下：热力学第一定律能量守恒定律：英国出色的物理学家焦耳、德国物理学家亥姆霍兹等1、我们既不能发明，也不能消灭能量。宇宙中的能量总和一开场便是固定的，而且永远不会改动，但它可以从一种方式转化为另一种方式。一个人、一幢摩天大楼、一辆汽车或一棵青草，都表达了从一种方式转化成为另一种方式的能量。高楼拔地而起，青草的生成，都耗费了在其他地方聚集起来的能量。高楼夷为平地，青草也不复生长，但它们原来所包含的能量并没有消逝，而只是被转移到同一环境的其他所在去了。我们都

2、听说过这么一句话：太阳底下没有新颖东西。要证明这一点他只需呼吸一下，他刚刚吸进了曾经让柏拉图吸进过的5000万个分子。2、宇宙的能量总和是个常数，总的熵是不断添加的。熵是不能再被转化做功的能量的总和的测定单位。这个称号是由德国物理学家鲁道尔夫克劳修斯于1868年第一次造出来的。蒸汽机之所以能做功，是由于蒸汽机系统里的一部分很冷，而另一部分却很热。换一句话说，要把能量转化为功，一个系统的不同部分之间就必需有能量集中程度的差别(即温差)。当能量从一个较高的集中程度转化到一个较低的集中程度(或由较高温度变为较低温度)时，它就做了功。更重要的是每一次能量从一个程度转化到另一个程度，都意味着下一次能再做

3、功的能量就减少了。比如河水越过水坝流入湖泊。当河水下落时，它可被用来发电，驱动水轮，或做其他方式的功。然而水一旦落到坝底，就处于不能再做功的形状了。在程度面上没有任何势能的水是连最小的轮子也带不动的。这两种不同的能量形状分别被称为“有效的或“自在的能量，和“无效的或“封锁的能量。熵的添加就意味着有效能量的减少。每当自然界发生任何事情，一定的能量就被转化成了不能再做功的无效能量。被转化成了无效形状的能量构成了我们所说的污染。许多人以为污染是消费的副产品，但实践上它只是世界上转化成无效能量的全部有效能量的总和。耗散了的能量就是污染。既然根据热力学第一定律，能量既不能被产生又不能被消灭，而根据热力学

4、第二定律，能量只能沿着一个方向即耗散的方向转化，那么污染就是熵的同义词。它是某一系统中存在的一定单位的无效能量。在19世纪早期，不少人沉浸于一种奥秘机械第一类永动机的制造，由于这种想象中的机械只需求一个初始的力量就可使其运转起来，之后不再需求任何动力和燃料，却能自动不断地做功。在热力学第一定律提出之前，人们不断围绕着制造永动机的能够性问题展开猛烈的讨论。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。热力学第一定律是能量守恒和转化定律在热力学上的详细表现，它指明：热是物质运动的一种方式。这阐明外界传给物质系统的能量热量，等于系统内能的添加和系统对外所作功的总和。它否认了能量的无中生有，

5、所以不需求动力和燃料就能做功的第一类永动机就成了天方夜谭式的想象。热力学第二定律：1、没有某种动力的耗费或其他变化，不能够使热从低温转移到高温不能够把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化或热量只能自发地从高温物体传向低温物体，而不能够从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。德国物理学家鲁道尔夫克劳修斯18502、不能够从单一热源汲取热量，使之完全变成有用功而不产生其他影响从单一热源汲取热量完全转化成有用功而不引起其他影响那么是不能够的。英国物理学家开尔文原名汤姆逊1851年3、我国有一句成语“覆水难收，其实是“覆水不收。脸盆里的水泼到地上，是不能够再收回来的，这也可以看作是热力学第二定律

6、的一种表述方式。第二类永动机：一种从海水汲取热量，利用这些热量做功的机器。第二类永动机是不能够实现的，不能够呵斥的。这是由于从海水吸收热量做功，就是从单一热源汲取热量使之完全变成有用功并且不产生其他影响。利用致冷机就可以把热量从低温物体传向高温物体，但是外界必需做功。热力学第三定律：1、各种物质的完美晶体在绝对零度时熵为零。2、与任何等温可逆过程相联络的熵变，随着温度的趋近于零而趋近于零。3、绝对零度不可到达但可以无限趋近。人类最伟大的十个科学发现之九：热力学四大定律18世纪，卡诺等科学家发如今诸如机车、人体、太阳系和宇宙等系统中，从能量转变成“功的四大定律。没有这四大定律的知识，很多工程技术

7、和创培育不会诞生。 热力学的四大定律简述如下：热力学第零定律假设两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度一样)，那么它们彼此也必定处于热平衡。热力学第一定律能量守恒定律在热学方式的表现。热力学第二定律力学能可全部转换成热能， 但是热能却不能以有限次的实验操作全部转换胜利 (热机不可得)。热力学第三定律绝对零度不可到达但可以无限趋近。法国物理学家卡诺Nicolas Leonard Sadi Carnot,17961823(左图)生于巴黎。其父L.卡诺是法国有名的数学家、将军和政治活动家，学术上很有造诣，对卡诺的影响很大。 卡诺身处蒸汽机迅速开展、广泛运用的时代，他看到从国外进

8、口的尤其是英国制造的蒸汽机，性能远远超越本人国家消费的，便决心从事热机效率问题的研讨。他独辟蹊径，从实际的高度上对热机的任务原理进展研讨， 以期得到普遍性的规律；1824年他发表了名著右图，书中写道：“为了以最普遍的方式来思索热产生运动的原理，就必需撇开任何的机构或任何特殊的任务介质来进展思索，就必需不仅建立蒸汽机原理，而且建立一切假想的热机的原理，不论在这种热机里用的是什么任务介质，也不论以什么方法来运转它们。卡诺出色地运用了理想模型的研讨方法，以他富于发明性的想象力，精心构思了理想化的热机后称卡诺可逆热机卡诺热机，提出了作为热力学重要实际根底的卡诺循环和卡诺定理，从实际上处理了提高热机效率

9、的根本途径。 卡诺在这篇论文中指出了热机任务过程中最本质的东西：热机必需任务于两个热源之间，才干将高温热源的热量不断地转化为有用的机械功；明确了“热的动力与用来实现动力的介质无关，动力的量仅由最终影响热素传送的物体之间的温度来确定，指明了循环任务热机的效率有一极限值，而按可逆卡诺循环任务的热机所产生的效率最高。实践上卡诺的实际曾经深含了热力学第二定律的根本思想，但由于遭到热质说的束缚，使他当时未能完全探求到问题的底蕴。1832年8月24日卡诺因染霍乱症在巴黎逝世，年仅36岁。按照当明的防疫条例，霍乱病者的遗物一概付之一炬。卡诺生前所写的大量手稿被烧毁，幸得他的弟弟将他的小部分手稿保管了下来，其

10、中有一篇是仅有21页纸的论文-，其他内容是卡诺在1824-1826年间写下的23篇论文。后来，卡诺的学术位置随着热功当量的发现，热力学第一定律、能量守恒与转化定律及热力学第二定律相继被提示的过程渐渐构成了。热力学第一定律与能量守恒定律有着极其亲密的关系。德国物理学家、医生迈尔Julius Robert Mayer，18141878左图1840年2月到1841年2月作为船医远航到印度尼西亚。他从船员静脉血的颜色的不同，发现膂力和体热来源于食物中所含的化学能，提出假设动物体能的输入同支出是平衡的，一切这些方式的能在量上就必定守恒。他由此遭到启发，去探求热和机械功的关系。他将本人的发现写成一文，但他

11、的观念短少准确的实验论证，论文没能发表直到1881年他逝世后才发表。迈尔很快觉察到了这篇论文的缺陷，并且发奋进一步学习数学和物理学。1842年他发表了的论文，表述了物理、化学过程中各种力能的转化和守恒的思想。迈尔是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人。但1842年发表的这篇科学杰作当时未遭到注重。以后英国出色的物理学家焦耳James Prescort Joule,18181889右图、德国物理学家亥姆霍兹Hermannvon Helmholtz,18211894等人又各自独立地发现了能量守恒定律。1843年8月21日焦耳在英国科学协会数理组会议上宣读了论文，强调了自然界的能是等量转

12、换、不会消灭的，哪里耗费了机械能或电磁能，总在某些地 方能得到相当的热。焦耳用了近40年的时间，不懈地研讨和测定了热功当量。他先后用不同的方法做了400多次实验，得出结论：热功当量是一个普适常量，与做功方式无关。他本人1878年与1849年的检验结果一样。后来公认值是427千克重米每千卡。这阐明了焦耳不愧为真正的实验巨匠。他的这一实验常数，为能量守恒与转换定律提供了无可置疑的证据。1847年，亥姆霍兹左图发表，第一次系统地论述了能量守恒原理，从实际上把力学中的能量守恒原理推行到热、光、电、磁、化学反响等过程，提示其运动方式之间的一致性，它们不仅可以相互转化，而且在量上还有一种确定的关系。能量守

13、恒与转化使物理学到达空前的综合与一致。将能量守恒定律运用到热力学上，就是热力学第一定律。热力学第二定律是在能量守恒定律建立之后，在讨论热力学的宏观过程中而得出的一个重要的结论。1834年，卡诺去世两年后，卡诺的才有了第一个仔细的读者-克拉派隆Benoit Paul Emile Clapeyron,1799-1864右图。他比卡诺低几个年级。他在学院出版的杂志上发表了题为的论文，用PV曲线翻译了卡诺循环，但未引起学术界的留意。英国物理学家开尔文Lord Kelvin，1824-1907左图在法国学习时，偶尔读到克拉派隆的文章，才知道有卡诺的热机实际。然而，他找遍了各图书馆和书店，都无法找到卡诺的

14、1824年论着。实践上，他根据克拉派隆引见卡诺实际写的一文在1848年发表。1849年，开尔文终于弄到一本他盼望已久的卡诺著作。1851年开尔文从热功转换的角度提出了热力学第二定律的另一种说法，不能够从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响；或不能够用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最低温度还低，从而获得机械功。 德国物理学家克劳修斯Rudolph Julius Emmanuel Clausius,1822-1888右图不断没弄到卡诺原著，只是经过克拉派隆和开尔文的论文熟习了卡诺实际。1850年克劳修斯从热量传送的方向性角度提出了热力学第二定律的表述：热量不能够自发地、不花任何

15、代价地从低温物体传向高温物体，他还首先提出了熵的概念。英国物理学家克拉克.麦克斯韦James Clerk Maxwell，18311879左图是经典电磁实际的奠基人。但他兴趣广泛，才智过人，不但是建立各种模型来类比不同物理景象的能手，更是运用数学工具来分析物理问题的巨匠。他在热力学领域中也做出了奉献。1859年他用统计方法导出了处于热平衡态中的气体分子的“麦克斯韦速率分布律。1877年，奥地利物理学家玻尔兹曼Ludwig Eduard Boltzmann，18441906右图发现了宏观的熵与体系的热力学几率的关系。他在使科学界接受热力学实际、尤其是热力学第二定律方面立下了汗马功绩。 1906年

16、，德国物理化学家能斯特Walther Hermann Nernst,18641941左图根据对低温景象的研讨，得出了热力学第三定律，人们称之为“能斯特热定理，有效地处理了计算平衡常数问题和许多义务业消费难题，因此获得了1920年诺贝尔化学奖。主要著作有：等。德国物理学家普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 18581947)右图是量子物理学的开创者和奠基人，他早期的研讨领域主要是热力学，他的博士论文就是。他在能斯特研讨的根底上，利用统计实际指出：各种物质的完美晶体在绝对零度时熵为零。1911年普朗克也提出了对热力学第三定律的表述，即“与任何等温可逆过程相联络的熵变

17、，随着温度的趋近于零而趋近于零。 通常是将热力学第一定律及第二定律作为热力学的根本定律，但有时添加能斯特定理当作第三定律，又有时将温度存在定律当作第零定律。 热力学第零定律用来作为进展体系丈量的根本根据，其重要性在于它阐明了温度的定义和温度的丈量方法。表述如下： 1.可以经过使两个体系相接触，并察看这两个体系的性质能否发生变化而判别这两个体系能否曾经到达平衡。2.当外界条件不发生变化时，曾经达成热平衡形状的体系，其内部的温度是均匀分布的，并具有确定不变的温度值。3.一切互为平衡的体系具有一样的温度，所以，一个体系的温度可以经过另一个与之平衡的体系的温度来表达；或者也可以经过第三个体系的温度来表

18、达。 热力学开展史一、简介：人类很早就对热有所认识，并加以运用。但是将热力学当成一门科学且有定量的研讨，那么是由17世纪末开场的，也就是在温度计制造的技术成熟以后，才真正开启了对热力学的研讨。 热力学开展史，根本上就是热力学与统计力学的开展史，约可分成四个阶段： 第一个阶段：17世纪末到19世纪中叶 此时期累积了大量的实验与察看的结果，并制造出蒸气机，对于热(Heat)的本质展开研讨与争论，为热力学的实际建立作好了暖身。在19世纪前半叶，首先出现了卡诺实际，热机实际(第二定律的前身)和功热互换的原理(第一定律的根底)。这一阶段的热力学还留在描画热力学的景象上，并未引进任何的数学算式。 第二个阶

19、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实际化。由于功热互换原理建立了热力学第一定律，由第一定律和卡诺实际的结合，导致热力学第二定律的成熟。另一方面，以牛顿力学为根底的气体动力论也开场开展，但这期人们并不了解热力学与气体动力论之间的关连。第三个阶段：19世纪70年末到20世纪初这个时间内，首先由波兹曼将热力学与分子动力学的实际结合，而导致统计热力学的诞生，同时他也提出非平衡态的实际根底，至20世纪初吉布斯(Gibbs)提出系综实际建立统计力学的根底。 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，同时非平衡态实际更进一步的开展，构成

20、了近代实际与实验物理学中最重要的一环。 二、温度计的开展：1593年：意大利伽利略建造了第一支温度计，如上图： 此空气为测温物质由玻璃泡内空气的热胀冷缩来指示冷暖。1632年：法国Jean Rey，将伽利略的温度计倒转过来，并注入水，以水为测温物质。利用水的热胀冷缩来表示温度高低，但管子是开口的，因此水会不断蒸发。1657年：位于意大利，佛罗伦萨的西门图科学院的院士，改用酒精为测温物质，并将玻璃管的开口封锁，除了防止酒精蒸发同时不受大气压力影响的温度计，同时选择了最高和最低的温度固定点。 1659年：巴黎天文学家Boulliau将西门图院士传到法国的温度计充以水银，而制造出第一支水银温度计。1

21、660年到1700年期间：博伊尔(Boyle)和其助理虎克(Hooke)，甚至牛顿均体认到制定温标的重要性，虽然他们现代温度计没有采用制定的温标但他们对温度计的开展是非常重要的。 1702年：阿蒙顿(Amontons)仿伽利略的方法制出一个装有水银的U型且与大气压力无关的气体温度计，与现今规范气体温度计相近。 1714年：Fahrenheit，荷兰气候学家，制造出第一批刻度可靠的温度计(有水银的，也有酒精的)。他选定三个温度固定点，(1)零度为冰水和氯化铵的混合物，(2)32度为冰水混合的温度。(3)96度为人体的温度，这就是华氏温标，。1724年他丈量水的沸点为212度，同时他还证明了沸点会

22、随大气压力变化。现代人以冰在规范气压下的沸点标以180刻度是为华氏温标。 1742年：瑞典天文学家Celsius，引进百分刻度法。他把水的沸点定为0度，水的冰点定为100度，此即所谓摄氏温标。其同事Stromer将此两温度值倒过来即近代所用的摄氏温标。到此为止，温度计算是定型了。 问：近代的温度计有那些种类呢? 三、热量概念的演进：人们长久以来对温度和热量的概念混淆不清。多数人以为物体冷热的程度代表着物体所含热的多寡。首先德国Stahl教授提出热是一种燃素，后来荷兰Boerhaave教授甚至说热是一种物质。虽然热是一种物质的说法不正确，但Boerhaave教授将40冷水与同质量80热水相混而得

23、60的水，却隐射地得到热量守恒的一个简单定那么。不过对于不同质量，甚至不同物质的冷热物体混合，他就难以解释了。另一类的人如Hooke，就以为热是物质各部猛烈的运动，牛顿也以为热是粒子的运动。 1740年左右，俄彼得堡科学院院士克拉夫特提出冷水、热水混合的公式，以为混合后温度(当时称之为热)为其中c1,c2为数据fitting 的系数，以当今的目光来看，可以视为比热。 1750年由德移民到彼得堡的Richmann院士也做了一系列热量测的研讨，他将不同温度的水混合，研讨热量的损失，并改良克拉夫特的公式： 此公式虽不正确，但他却指混合前后，热量要相等的概念。插曲，Richmann为反复Frankli

24、n的实验时不幸被雷打死 1755年，Lambert院士才将热量与温度的概念加以区别和廓清。真正对热量丈量任务有宏大奉献的是英化学教授J. Black。他不仅胜利的廓清了温度和热量这两个概念，同时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。而他的学生W. Irvine正确提出热容量的概念。1777年化学家拉瓦锡(Lavoisier)和拉普拉斯(Laplace)设计了一个所谓拉普拉斯冰量热器，可以正确测出热容量和潜热。 1784年麦哲伦(Magellan)引进比热的术语，同一时期威尔克(Wilcke)提出假设把水的比热是为1，那么可以定出其他物质的比热。 但是在这一段期间人们依然以为拉

25、瓦锡提出热是一种物质是正确的。 1789年出生于美国后到英国又到德国而受封的Count Rumford 原名Benjanin Thompson在慕尼黑兵工厂监视大炮钻孔，发现热是因摩擦而产生，因断言，热不是物质而是运动。 1799年英国化学家后来的首任皇家研讨院院长戴维(Davy)在维持冰点的真空中容器中进展摩擦的实验，发现即使是两块冰相互摩擦也有些冰熔化成水，所以Davy以为摩擦引起物体微粒的振动，而这种振动就是热。 虽然有Count Rumford 和Davy教授竭力否认热是一种物质说法，但是仍无法改动人们以为热是一种物质的概念，直到19世纪中叶以后，Carnot身后50年其实际再被人们注

26、重加上德国Mayer医师和英国物理学家进耳(J.D. Joule)的努力才改动了人们的观念，促使了第一定律和第二定律成熟的产生。 四、能量守恒与功能互换：首先谈Carnot这个人。Carnot(1796-1832)祇活了36岁，活于拿破仑末期时代。1832他先患猩红热，又得了脑膜炎最后死于霍乱，所以几乎一切研讨数据都被烧毁了。其弟于其死后46年(1878年)将其部份手稿交给法科学院。其中他还计算热动当量的数值，约365 kgwm/kcal，(现今用的数值是4.187 Joule/cal)，他明白指出热不是一种物质而是一种能量的构成，虽然他是最早有热力学中能量守恒概念的人，但由于晚了近50年，其

27、间有J.R. Mayer和焦耳提出功能互换的原理，故普通都不把Carnot视为能量守恒定律的开创人。且1878年时第一定律和第二定律皆已完成了。 J.R. Mayer是一德国的医生，但对行医兴趣不大，他没有实验设备，更没有从当代任何物理学家获得协助 ，是一个独立研讨的任务者。1840年左右，Mayer的第一篇论文寄给德国物理年鉴，文中提出能量守恒和转换的概念，以为运动，热、电等都可以归结为一种力的景象，它们有一定的规律转换，但此论文被退回并未发表。1842年Mayer不死心又投稿到化学和药学年鉴上，除了重述能量守恒的概念，并提出热可以作功，功也可以产生热的能量等价的观念，并根据比热实验数据推出热功当量 1kcal=365kgwm ，此文也未受注重，于是1845年公费印发了第三篇论文，且明确指出是如何计算热功当量的，是气体在等压膨胀过程中所作的功等于定压下所吸数热量与定容下所吸数的热量之差。后来称Cp-Cv=R 为Mayer公式。由于Mayer所用推理方法无法为当代人所习惯，同时又与焦耳发生谁是第一个发现能量守恒的人的争议，加上两个小孩先后夭折，一连串打击导致精神失常，在精神病院受尽折磨。英国J.P.焦耳(Dalton的学生)，花了将近40年的时间来证明由功转换成热时，功和所产生热之比是一个恒定的值，即热功当量。从1843年发表了一系列论文