热力学和统计物理学的发展概述

（一）1603年，伽利略制成最早的验温计：一只颈部极细的玻璃长颈瓶，倒置于1631年，法国化学家詹•雷伊（JeanRey,1582-1630)把伽利略的细长颈瓶倒※)1659年法国天文学家伊斯梅尔•博里奥（IsmaelBuolliau)制造了第一支用水（二）16651703年，牛顿把雪的熔点定为自己制作的亚麻子油温度计的零度，把人体12度等等。华伦海特（GabrielDanileFahrenheit，1686-1736，德国玻璃工人，迁居荷00F320F960F，1724年，他又把水的沸点定为列奥米尔（Reaumur,1683-1757,法国）1/5的水的混合物作为测温80等分，称为列氏温标。00C1000C100个等分。8年后接受了同事施特默尔（M.Stromer）1779年19种。据此，1854年，开尔文提出开氏温标，T=272.3+t。又称热力学温标，它学温度的单位—开尔文（K）1/273.1617世纪，意大利的科学家在实验中发现，在同一温度下具有相同重量的不“潜热”1757年英国化学家布莱克（JosephBlack,1728-1799)320F1720F同等17601500C500C的水相混合，它们达到平衡时的温度为550C，同重量而不同温度的两种物质混正式引进“热容量”的概念。1780年，麦哲伦（Megellen)首先使用了“比热”名词。热的单位“卡”10C时所吸收或放出的热作为热的单位，称作“卡”。1777年制“热质说”1798年伦福德（CountRumford,英国）由钻头加工炮筒时产生热的现象，得出热是物质的一种运动形式；1799年，戴维（HumphreyDavy，1778-1829，英§2热力学第一定律的建立一定律产生的背景德国物理学家塞贝克（ThomasJohannSeebeck)1821年实现了热向电的转1834年，法国的帕尔帖（Peltier)发现了它的逆效应，即当有电流通过时，结点处发生温度变化。18401842年，焦耳和楞次分别发现了电流转化为热的著18201831年法拉第关于电磁感应现1800年伏打制成“伏打电堆”以及利用伏打电流进行电解，从而完成了化学1840年彼得堡科学院的黑斯（G.H.Hess)提出关于化学反应中释放热量的重池的电动势的发现；1845年光的偏振面的磁致偏转现象的发现等等，都从不同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， 于1832年去世，享年36岁。卡诺的这一思想，在1878年才由其弟弟整理发表，但热力学第一定律已建立27年。1940二.罗伯特•迈尔（RobertMayer,1814-1878)曾是一位随船医生，在一次驶往学和物理方面的缺陷，未能发表；1842“无不能生有，有不能变无”1845更明确写道：“力的转化与守恒定律是支配宇宙的普遍规律。”525种形式。迈尔，1814出生于德国海尔布隆一个药剂师家庭，1832年进入蒂宾根大学医学系学习，1837年因参加一个秘密学生团体而被捕并被学校开除，1838年完印度的荷兰轮船的随船医生。18411848年后发生了“能量守恒定律”发现优先权的争期间他的两个孩子夭折，1848年德国革命时由于他观点保守而被起义者逮捕，1862年才恢复科学活动。亥姆霍兹（HermannHelmholtz,1821-德国科学家，他认为，大自然是统一的，自然力是守恒的。1847年，海尔曼•亥姆霍兹简介：1821831日生于德国波茨坦，1838年考入柏进行物理学研究。1847年，在不了解迈尔等人工作的情况下，提出了能量守恒和转化定律。1855年最早测量了神经脉动速率，把物理方法应用于神经系统的尔贝格大学等校的生理学教授，1871年起，在柏林大学任物理学教授，1888年焦耳(1818-1889)是英国著名的实验物理学家，家境富裕。16岁在名家1840年发现:“产生的热量与导体电阻和电流平方成正比”并发表于《论伏打1843的重量和下落的距离计算出所做的功。测得热功当量为428.9千克力米/1844424.9千克力米/443.8千克力米/1849焦耳测定热功当量的工作一直进行到1878年，先后采用不同的方法做了1878423.85千克·米/4数学表达式为 19世纪的三大发现。理论——实验——§31917“绝萨迪•卡诺（SadiCarnot,1796-1832)法国工程师，从小从他父亲那里学习了学校学习，后来专心研究热机理论。1832824日因霍乱病逝。传递和消耗是同时发生的。1850年，克劳修斯在迈尔、焦耳和卡诺等人工作的19世纪中叶，开尔文（即威廉•汤姆逊）注意到：焦耳的工作表明机械能定低温热源。1851年，开尔文在总结这些及其它一些实验经验的基础上提出了热Q2Q1≠Q2。因此他根据热传导总是从高温热1850年提出了热力学第二1854Q1≠Q21877年，一生致力于用统计力学研究热运动的玻尔兹曼指出：熵是分子无之间的关系式为：S=klnW。S上式称为玻尔兹曼关系式，k=1.38×10-23J/K称为玻熵（entropy）※20元人民币在市场公平轻易购得一袋大米，而这袋大米却不能在市场20元。即：终态

S2

初态（反之

S1※熵增原理：在闭合体系中SS2S1微

态右

宏 观右40 小5166最大值”1867年的演讲中，又进一步指出：“宇宙越接近这一最大值的极限级---※※1944“一个生命有机体在不断地增加它的熵，…并趋于接近最大熵值的危险状态---…这就是生命的热力学基础。1967年，普里高金(I.Prigogine)为首的布鲁塞尔学派建立了耗散结构理dSdeSdi diS

deS质

dS

§4低温物理学18231835年，蒂洛勒尔(Thilorier)CO2，并将其和1845年，出了氢、氧、氮等几种气体外，当时所有已知的气体都被液化(2790个大气压)都无法使1863年，英国物理学家和化学家安德鲁斯(T.Andrews,1813-1885)做了一个300400大气压，在1877年12月24(L.Cailetet,1832-1905)和皮克泰特(R.Pictet,1846-1904)宣布他们各自独立地液化300和大气压和-29※下的氧气突然膨胀，使其温度降低200※采用使温度逐级下降的级联冷却法，获得了液态的氧。从而消灭了“永久气体”。1875-1880年间，德国工程师林德(K.Linde,1842-1934)利用焦耳-汤姆逊1908年，荷兰物理学家昂乃斯(H.K.Onnes,1853-1926)成功实现了氦的液化，从而消灭了最后一种“永久气体”4.3K-1.15K之间。10K以下电阻的变化，发现金、银、铜等金属的电阻会减小到一个极限值。超导电性的发现：1911年，昂内斯等发现，汞、铅、锡等金属，当温度降超流性的发现：1938苏联的卡皮查和英国的阿伦(J.F.Allen,1908-?)和迈申纳(A.D.Misener1911-?)2.2K以下，可以无摩擦地经窄管流出，1926-1933年加拿大青年物理学家吉奥克(W.F.Giauque,1895-?)等几位物理0.25K0.13K。1950195610-6K197910-81702年，法国物理学家阿蒙顿最早提到“绝对零度”。他由空气受热时体积t※的温度。一原子论的复兴1638年，法国学者伽桑狄（PierreGassendi,1592-1655)1678年则提出，空气是由大量快速运动的粒子组成的，他们对四壁的•1738年，丹尼尔•伯努利（DanielBernoulli,1700-1782,瑞士物理学家)在他出d小于小于粒D时，PS/P=V/VS(即压强与体积成反比)，并指出“适用于比正d/D值，以便对定律进行修正。他还指出，气体的压1803年，英国化学家道尔顿（JohnDalton,1766-1844)认为一切化学元素都1811（AmedeoAvogadro,1776-1856)“分子”1845（J.J.Waterston,1811-1883)“弹性球分子模壁碰撞；…nv21856年德国物理学家克仑尼希（AugustKarlKrönig,1822-1879)发表了《气vxyz三个方向运动。每次碰撞时作用于器壁的冲量为mv，由此得出了气体压强公式：p1Nmv2 V，V为容器的体积，N四.1857年发表《论热运动的类型》的文章，以十分明晰和信服的推理，建立nv的关系当气泡内外压力平衡时，则发生沸腾。1mv2N分子的平均动能与温度之间存在下述关系： 1844米/秒，但这与气体的实际扩散速度不符。※问题的解决和平均自由程：1858年在«关于气体分子运动的平均自由程»中回答了这一问题。他认识到单个分子的运动速度和大量分子组成的气体的l

4n2 1873年，范德瓦尔斯（J.D.vanderWaals,1822-1892,荷兰物理学家）在(p

a)(Vb)RTV21910§6统计物理学的建立1860D.伯努利到克劳修斯，人们在处理分子运动问题时，都是假设一切分子都以相同的速度运动。19世纪中期，麦克斯韦发现了气体分子速度分布律，开

)2v2e2kT2nl2nI1 K1

D1二.H定理，建立了dN

kT

尔兹曼积分-tv的分布规律。玻尔兹f(v,t)※H定义H(tf(vtlnf(vtdH则：H

dH在没有达到平衡时，H

dH H定理。HWSHSH函数自发增三.1902年美国第一位理论物理学家吉布斯（Gibbs,1839-1903)出版了《统计1900年，普朗克提出了