常州工程学院物理学史课件03热学发展

1、第三章 热学发展 第一节热现象早期研究 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 热学的发展史实际上就是热力学和统计物理学的发展史，可以分为四个时期：第一个时期，也就是热学的早期史，开始于17世纪末直到二十世纪中叶，这个时期积累了大量的实验和观察事实。关于热的本性展开了研究和争论，为热力学理论的建立做了准备，在19世纪前半叶出现的热机理论和热功当量原理已经包含了热力学的基本思想。第二个时期，从19世纪中叶到9世纪70年代末。这个时期发展了唯象热力学和气体动理论。这些理论的诞生直接与热功当量原理有关。热功当量原理奠定了热力学第一定律的基础。它与卡诺理论结合则导致了热力学第

2、二定律。第三时期内唯象热力学的概念和气体动理论的概念结合的结果导致了统计物理学。代表人物：玻尔兹曼第四时期，也就是从20世纪30年代起-现在。这个时期出现的量子统计物理学和非平衡态理论现代物理学的重要分支。 1、温度计的发明和改进 人类很早就思考着这个问题：热是什么。古代人们就曾思索这个问题，但为此而臆想出来的种种假设，并未涉及热现象的任何实质。 16世纪末，伽利略对热现象感到兴趣。他决定制作一个能指示物体“热”程度的仪器（当时还没有温度的概念）。 1593年，伽利略利用空气热胀冷缩的性质，制成了温度计的雏形。一、热现象的早期研究 伽利略温度计是一个象麦杆那么粗的长玻璃管，起一端带有鸡蛋大小的

3、玻璃泡。使用时把玻璃管插入水中，通过把玻璃泡预先受热，使水沿管子升高一些，这就构成了伽利略温度计。 2、温标的建立 要使用温度计确定物体的热状态，必须对温度计进行刻度，这样才能对不同的热状态进行比较。 在18世纪，温标的种类很多，但留下来的只有以下三种： 荷兰人华伦海特（1686-1736）制作了第一个比较准确的温度计。1709年选用酒精作为测温物质，1714年以后又改水银为测温物质。 法国的化学家雷伊（1582-1630）将伽利略的温度计简单的倒过来了，将水注入玻璃泡，而将空气留在管中。于是，水成了测温物质，由于他不知道封闭管子的上部，因水的蒸发会出现误差。 1659年，法国天文学家布里奥制

4、造了第一把水银作为测温物质的水银温度计。 当时，对温度计测量的是什么物理量是很含糊的，通常认为被测量的是热量，即使在18世纪的著作中可以看到“失去了多少度热”或说物体“具有多少度热”等含糊的概念。 他选用三个固定点：结冰的盐水混合物的温度定为0度，人体的血液的温度定为96度，并把他们之间分隔为96度，第三个固定点为冰水混合物的温度，定为32度。而在1724年以后，他又把水的沸点212度作为一个固定点，这就是华氏温标。法国的列缪尔（1683-1757）设计了另一种温度计，他用酒精作为测温物质。他的温度计在冰点和沸点之间分为80份。这就是列氏温标。1742年瑞典的天文学家摄尔修斯定义水的沸点为零度

5、，冰的熔点为100度，八年后施勒默尔将两个固定点倒过来，建立了摄氏温标。到19世纪，1854年，开尔文提出开氏温标（绝对温标），得到世界公认。 3、量热学的发展 热学中的许多基本概念，诸如热量、热容量等都是在量热学的发展过程中产生的。 俄国的物理学家李赫曼在这方面做了许多工作。还有英国的化学家布拉克也作出了贡献。他第一个把温度和热量概念区分开，从而实现热学上的一大进步。继而布拉克的学生伊而文引入了热容量的概念。接着在热学的研究中逐步确定了物质的比热、溶解热、汽化热等概念。4、热本性说的争论 第一种 认为热是一种物质，即热质说。代表人物：伊壁鸠鲁、付里叶、卡诺。认为热量是渗透到物体空隙中的一种无

6、重量的流体，热质的多少决定热量的多少。 第二种 认为热是物体粒子的内部运动，这是不能直接被观察而却是存在的一种运动。 代表人物：笛卡尔、胡克、罗蒙诺索夫，伦福德。他们认为：“尽管看不到，也不能否定分子运动是存在的。” 从17世纪下到18世纪上，这两种观点同时并存，并都有所发展。 其中丹尼尔.伯努利和罗蒙诺索夫等，通过摩擦声生热等现象详细研究了关于热的运动理论。但是，由于人们当时采用了把热现象和其他现象割裂开来的研究方法，加上热质说比热的运动说更为简明，更加易被人接受，而大多数物理学家不愿接受看不见摸不着的运动说。因此，从18世纪中期开始，热质说得到愈来愈广泛的传播，并占据了统治地位。 当时以热

7、质说为主导思想的热学分支，除量热学外，还有研究传热现象的传热学。传热学在18世纪初就建立了定量的规律，这就是牛顿在1701年发现的冷却定律：热的损失正比于温度差。 在1804年毕奥（1774-1862）根据热量守恒的思想建立了初步的热传导理论，接着傅立叶（1768-1830）在1807年向巴黎科学院交了他的关于热传导的论文。由于拉格朗日等人认为缺乏严密性，论文没有通过。直到1822年写成热的分析理论一书，这本书总结了他在热学领域内多年的研究成果。 在这本书里他热传导方程。后来他的成就得到了泊松的肯定。 随着物理学的发展，发现和热质说相矛盾的现象越来越多，直到19世纪中期，人们才抛弃了热质说。

8、伦福德伯爵（1753-1814）起了很重要的作用。5.热机的发展“蒸汽机是一个真正的国际发明，而这个事实又证实了一个巨大的历史进步。”蒸汽机的发明可以追溯到古希腊时代。公元50年，希罗发明过一种演示用的蒸汽球。这个发明没有得到利用。 1695年，法国人巴本第一个发明蒸汽机，但操作不便，不安全。1705年，英国的萨佛里和钮科门制造了新蒸汽机，有一定实用价值，但用水冷却气缸，能量损失很大。1769年，英国技工瓦特改进了钮科门机，加了冷凝器，使机器运作由断续变连续，从而蒸汽机的使用价值大大提高，导致了欧洲的工业革命。1785年，热机被应用于纺织。1807年，热机被美国人富尔顿应用于轮船，1825年被

9、用于火车和铁路。 瓦特发明的蒸汽机 第二节 热力学的发展一、第一定律诞生的背景 社会现状： 随着蒸汽机的发明和推广使用，迫切需要研究热和功的关系，以提高热机效率，适应生产力发展的需要。 能量转化与守恒思想的萌发： 俄国的赫斯，1836年：“不论用什么方式完成化合，由此发出的热总是恒定的。” 1830年，法国萨迪卡诺：“准确地说，它既不会创生也不会消灭，实际上，它只改变了它的形式。”1.德国的迈尔(1814-1878)，他是从哲学思维方面得到能量守恒概念的。1840年，迈尔是一位随船医生，在一次驶往印度尼西亚的航行中，给生病的船员做手术时，发现血的颜色比温带地区的新鲜红亮，这引起了迈尔的沉思。他

10、根据拉瓦锡的理论，他认为，动物的热是在燃烧过程中产生的，食物中含有的化学能，可转化为热能，在热带情况下，机体中燃烧过程减慢，因而留下了较多的氧。迈尔还认为，人是一个热机关，体力和体温都来自于食物中所含的化学能。迈尔的结论是：“因此力（能量）是不灭的，而是可转化的，不可称量的客体”。二、确立能量转化与守恒定律的三位科学家迈尔在1841年、1842年撰文发表了他的观点，在1845年的论文中，更明确写道：“无不能生有，有不能变无。” “在死的或活的自然界中，这个力（能）永远处于循环和转化之中。”他不仅 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，而且也是第一个将热学观点用于有机世界研究人。但

11、他的理论在当时的科学界得不到重视，他的论文杂志拒绝发表。直到1860年，他才开始出席科学会议，1871年获得了英国皇家学会的科普勒奖章。 恩格斯对迈尔的工作给予很高的评价。2.亥姆霍兹德国科学家，他认为，大自然是统一的，自然力(即能量)是守恒的。1847年，26岁发表著名论文力的守恒，把能量概念从机械运动推广到普遍的能量守恒。 3.焦耳的实验研究 焦耳是英国著名的实验物理学家，家境富裕。16岁在名家道尔顿处学习，使他对科学浓厚兴趣。当时电机刚出现，焦耳在1841年发表文章指出:“热量与导体电阻和电流平方成正比。”这就是著名的焦耳楞次定律。探求热和得到的或失去的机械功之间是否存在一个恒定的比值，

12、又成了焦耳感兴趣的问题。 1845年，焦耳为测定机械功和热之间的转换关系，设计了“热功当量实验仪”，并反复改进，反复实验。 1849年发表论热功当量。 1878年发表热功当量的新测定，最后得到的数值为423.85公斤米/千卡。 焦耳测热功当量用了四十多年，实验了400多次，付出大量的辛勤劳动。能量守恒和转化定律是自然界基本规律，恩格斯曾将它和进化论、细胞学说并列为三大自然发现。三.热力学第一定律建立的成因）理论迈尔迈尔是明确提出“无不能生有”，“有不能变无”的能量守恒与转化思想的第一人。而这理论正是建立热力学第一定律的基础。）实验焦耳由于焦耳精心严谨地进行了热功当量测定等一系列实验，奠定了热力

13、学第一定律的实验基础，得到了人们的认同。）一批科学家的不懈努力亥姆霍兹将能量守恒定律第一次以数学形式提出来，而卡诺、赛贝等人也都有过这方面的见解。）说明了客观条件成熟，相应的自然规律一定会发现。永动机达.芬奇1500斯梯芬1600法国科学院 1775我们用一张联络图来表示能量转化与守恒定律的建立过程机械运动塞贝克温差电1821哲学热学电磁学化学、生物学开尔文1851克劳修斯1850焦耳1843-78热功当量赫斯1836拉瓦锡1794黑格尔相互联系和转化康德哲学笛卡儿运动不灭思想法拉第1831彭斯勒（功）1829杨（能）1801牛顿1681伽利略单摆1600亥姆霍兹（力的守恒）1847迈尔（生物

14、热）1942-45卡诺（蒸汽机效率）1824伦福德1798电流的热效应1840哈密顿（正则方程）1834克劳修斯1850第一定律 四、热力学第二定律 第二定律的发现与提高热机的效率密切有关。（1） 1765-1782年瓦特两次改进蒸汽机的设计，但是效率仍很低。 （2）卡诺父子的研究；1824年萨迪.卡诺发表了关于火的动力及适于发展这一动力的机器的思考，提出了热机理论中有重要地位的卡诺定理。卡诺定理：热机必须工作在两个热源之间，热机的效率仅仅决定于两个热源的温度差，而与工作物质无关，在两个固定热源之间工作的所有热机，以可逆机的效率最高。卡诺信奉的是热质说，他的结论中有不正确的成分。 卡诺患了猩红

15、热，脑膜炎，不幸又雪上加霜，患了流行性霍乱，于1832年去世。卡诺的这一思想，在1878年才公开发表，但热力学第一定律已建立了。 （3）1834年，克拉珀龙（1799-1864）把卡诺的思想几何化为由两个等温过程和两个绝热过程组成的卡诺循环，用几何的方法来计算功，提出了由功和吸热之比来测量效率。（4）绝对温标的提出 1848年，W.汤姆孙（开尔文）提出绝对温标，是卡诺热动力理论的直接结果。T=t+273.3这就是绝对温标和摄氏温标的关系。1887年，绝对温标得到了世界的公认。（5）热力学第二定律的两种表述：第一种是克劳修斯在1850年提出的：热不可能独立地、不付代价地从冷物传向较热物体。第二种

16、说法是开尔文于1851年提出的：不可能借助于无生命的机器，从任何物体得到机械功，而所应用的方法为 使这个物体冷却至比周围物体更冷。这两种说法是等价的。 在实际情况中，并不是所有满足热力学第一定律的过程都能实现，比如热不会自动地由低温传向高温，过程具有方向性。这就导致了热力学第二定律的出台。克劳修斯提出熵的概念世界的“热寂说” 五、热力学第三定律 它是热力学的又一条基本规律，它不能由任何其他物理学定律得出，只能看作由实验事实作出的经验总结。 当时的背景：气体的液化和低温的获得。18世纪末，荷兰人马伦第一次用高压压缩的方法得到液态的氨；1823年法拉第在研究氯化物的性质时得到液态的氯。1826年，

17、他使许多气体的液化。1893年1月20日，杜瓦（1842-1923）宣布发明了一种特殊的低温恒温器-后来叫杜瓦瓶。1898年他实现了氢的液化，达到20.4K。后来又得到故态氢，达到12K。 到了19世纪下半期，随着低温技术的发展，低温物理学提出了一些新问题，即物体继续冷却下去会出现一些什么新的性质？温度是否可以无限降低？ 1912年，德国物理学家能斯特（1864-1941）进一步提出“绝对零度是不可能达到的”热力学第三定律。第三节 分子运动论的发展 古代的分子运动论 分子运动论是热学的一种微观理论.它基于以下两个基本概念：物质是大量分子和原子组成的；热现象是这些分子做无规则运动的一种表现。这些

18、概念起源很早，2000多年前的中国和希腊,都有人提出物质由原子组成的假说。认为万物是由原子组成，不同的原子组成了世界上不同的物质,而原子在不停的运动着。德莫克里特（公元前460-前371）：认为物质皆由各种不同微粒组成。虽然这些概念只是哲学上的主张，但对后来的分子运动论的发展起了启示和指引的作用。一、早期的动理论 在17世纪和18世纪,出现了一些比古代原子论进一步的但还只是定性的分子运动论假说。 1658年，伽森第以分子运动论的观点解释了物质的气、液 、固三态的区别； 1678年胡克又以气体分子不断碰撞器壁的结果，解释了产生气体压强的来由。 1738年，瑞士物理学家伯努利在他的液体动力学一书中

19、，发展了这种假说，从分子运动论的角度出发，也同样得出气体压强与所占体积成反比的玻意耳定律，并且指出，这个定律在必须考虑分子本身所占体积的情况下，需要加以修正。 俄国学者罗蒙诺索夫在1746和1748年的两篇论文里，发表了自己的见解。他始终坚持热的根源在于运动。并在讨论气体的性质时，提出气体分子运动的无规则性，还肯定了运动守恒在热现象中的正确性。 19世纪上半叶，动理论续有进展，值得一提的有以下几位：1.英国的赫拉帕斯，在1816年向英国的皇家学会提出自己的分子动理论。他明确提出温度决定于分子速度的思想。但权威们认为他的思想过于遐想。2.苏格兰的瓦特斯顿，在1846年提出混合气体中不同比重的气体

20、，所有分子的MV2的平均值应该相同。这大概是能量均分定理的最早提法。3.焦耳在1847-1848年发表过两篇动理论的演讲。他提出了热是分子运动的动能和分子间相互作用的能量。二、动理论的复活 能量守恒和转化定律建立之后，彻底否定了热质说。热质说衰落后，动理论取而代之，于是就创造了一个对动理论复活很有利的形势。 德国的化学家克里尼希（1822-1879），他激发了克劳修斯和麦克斯韦进一步发展这个理论。克劳修斯和麦克斯韦是动理论的真正奠基人。 三 、克劳修斯的理想气体分子模型1857年发表论热运动的类型的文章，以十分明晰和清楚的方式发展了气体分子运动论的基本思想，推导出理想气体的压强公式。他的出发点

21、是：（1）分子所占的空间对于气体本身所占有的空间来说必须是无限小。（2）改变两个分子的运动的碰撞过程所经历的时间，比起两次碰撞所经历的时间间隔来说必须是无限小。（3）分子力的影响必须是无限小。 他还引入了一个新的概念-统计的概念，并借用统计处理的方法解释气体压强的产生。 他用分子的速率在各个方向相等这一简化了的统计法推导出压强公式 P=1/3mnv2 他另外的一个贡献是引入了气体分子平均自由程的概念。平均自由程的引入，为分子运动论提供了一个重要的物理量，他给出了分子在连续两次碰撞间所走过的路程的长短，从而更好地描绘气体分子的运动图象。*解释气体分子速度大而扩散速度小的现象。一、麦克斯韦速率分布 麦克斯韦（1831-1879）发现气体分子速度分布律对动理论和统计力学的发展具有里程碑的意义。 他在1859年开始进行研究，当时28岁，已经是国王学院教授。受克劳修斯论文的启示，他认为可以用概率理论对动理论进行全面的论证。 他从分子乱运动的解释得出结论：气体分子的大量碰撞不是导致象某些科学家所期望的使分子速度平均，而是呈现一定的速度分布，所有速度都以一定概率出现。第四节、统计物理学的创建1860年，麦克斯韦从理论上，导出了气体的速率分布律，同时得出了气体分子的速率分布函数的表达式为 式中，m是一个分子质量，T是气体的热力学温度，k是玻尔兹曼常量。1860年，麦克斯韦把速度分布规律发表