科学技术史（第2版） 第二篇 课件 第十三章 测热和发现热力学定律

测热和发现热力学定律第十三章CONTENTS目录1234测热比热机械能转化成热能量守恒与转化定律的发现5热力学第二定律的发现测热热是一种运动，是一种能量传递形式。气体的温度是大量气体分子热运动的集体的宏观表现，固体的热传导是物质原子在平衡位置附近做机械振动时的能量传递，热辐射是物体内部带电粒子热运动时引起的能量辐射。近代人们对热的研究是从测热开始的，当时还不能把热和温度区分开来，认为二者是一回事。伽利略在1593年设计了一个空气温度计，后来意大利西门图学院的一些人设计了酒精温度计。伽利略和温度计约1712年，移居荷兰的德国人华仑海特制成了一种水银温度计，并规定了华氏温标。1730年，法国人勒奥默规定了勒氏温标：水的冰点为0°Re，沸点为80°Re。1742年，瑞典人摄尔修斯规定：水的冰点为100℃，沸点为0℃，随之他和另外一些科学家将这个规定倒了过来。1948年，该温标在科学界的普遍赞同下被称为摄氏温标。到1848年，英国物理学家开尔文提出了以他的名字命名的开氏温标（亦称绝对温标）。开氏温标的零度是摄氏-273°，这是所谓的绝对零度。开尔文比热比热的定义为：单位质量的物质温度升高1开时所需吸收的热量。物体的质量与比热的乘积为热容量。1760年，布莱克进行了一项实验：将150℃的金子与等重量的50℃水混合，测得最终平衡温度为55℃。后来，他的学生麦根仑明确区分了这两个概念；拉瓦锡与拉普拉斯将“卡”确立为热量单位，拉瓦锡还测定了多种物质的比热，使该概念得以确立。机械能转化成热1798年，伦福德原名本杰明·汤姆森在德国监制大炮时发现：钻炮膛时，炮身和铁屑中产生的大量热，不可能是空气和金属中的热质所供给的，而可能是来自钻头的运动。1799年，英国化学家戴维在真空中摩擦冰块，使其融化，同样对热质说提出了质疑，因为真空中没有介质，两块冰的比热一样，融冰的热量只能产生于摩擦运动。戴维能量守恒与转化定律的发现1782年瓦特制成蒸汽机，1798年伦福德进行摩擦生热研究，1799年戴维完成摩擦冰块实验，1799年伏特制成第一个伏特电堆，1800年尼科尔逊实现水的电解，1820年奥斯特发现电流磁效应，1821年德国人塞贝克发现温差电效应，1824年卡诺发表热力学研究，1831年法拉第和亨利发现电磁感应现象等，这些重要进展实际上已经把机械能、热能、电磁能、化学能等不可分割地联系在一起了。能量守恒与转化定律的发现，最后为这种联系提供了确定的数量关系。瓦特和蒸汽机最早公布这一定律的是德国医生迈尔。1842年，迈尔算出了一个近似的热功当量值。李比希把这篇题为《论无机自然界的力》的论文发表在他主编的《化学和药物》杂志上。英国人焦耳不是靠观察和思辨，而是靠实验发现了这一定律。1840年，焦耳发现了著名的表示电流热效应的焦耳定律：Q=I2Rt。1843年，他在英国皇家学会宣读的论文中给出了热功当量：460千克米/千卡（今值为473千克米/千卡）。焦耳热力学第二定律的发现由于蒸汽机是第一个热机，也是当时唯一的工业动力机，19世纪人们对热的研究更为重视了。法国物理学家萨迪·卡诺1824年发表的著作表明，他已运用数学和抽象方法对蒸汽机的热效率做出了理论分析。卡诺对热力循环的研究已显示出热力学第二定律的萌芽。后来，这一定律被开尔文和德国物理学家克劳修斯分别独立地以不同的方式表达出来了。萨迪·卡诺1865年，克劳修斯用一个新的概念——熵，来反映热力学第二定律所描述的热过程。熵在这里被视为系统中能量可以转化的程度。克劳修斯被他的发现过分鼓舞，以至于把整个宇宙也视为一个孤立系统，从而担心它有一天会趋于熵无限大的热平衡死寂状态。1888年以后，夏特列等人研究了固体、液体、分子和原子的自由能，这方面的成果在1906年被德国人能斯特归结为热力学第三定律。开尔文分子运动学说19世纪上半叶之前人们对气体的某些性质已有充分的认识。其中波义耳马略特定律、盖吕萨克定律以及法国人查理发现的查理定律一定质量的气体，在体积不变的情况下，压强的增加和热力学温度的增加成正比。1827年，英国植物学家布朗在用显微镜观察水中悬浮的植物（藤黄）花粉时，就发现花粉粒子在不停地无规则地运动，这便是所谓布朗运动。布朗当阿伏伽德罗的“分子”概念在19世纪后半叶被人们普遍接受后，克劳修斯对宏观的热力学现象做了微观的动力学解释。1859年，英国人麦克斯韦用概率统计的方法发现，气体处于热平衡时，尽管个别分子运动的速率大小是偶然的，但从整体上说，大量气体分子的速率分布却遵从一定的规律，在一定速率区间运动的分子数目是相对确定的。这便是气体分子速率分布规律，它是气体分子运动论的基本规律之一。麦克斯韦1868年，奥地利物理学家玻尔兹曼进一步提出了平衡状态时气体分子能量按自由度均分原理决定一个物体空间位置所需要的独立坐标数目，为该物体的自由度。，并从分子运动论的角度对熵做了统计学的概率解释。显然，19世纪中期以后的科学家把统计方法应用到了分子运动研究上，从而揭开了自然界宏观现象和微观现象之间的微妙联系。奥地利物理学家玻尔兹曼小结

热是一种能量传递形式。人们起先还不能区分热和温度，测热就是测温。较常用的温标有华氏、勒氏、摄氏等，开氏温标用于科学研究。18世纪布莱克通过实验提出“比热”概念，区分了热量和温度。18—19世纪，伦福德、戴维等人研究了机械能转化为热的现象，迈尔、焦耳等人以不同方式发现了能量守恒与转化定律。开尔文给出热力学第一定律的数学公式，可推广到不同形式的能量转化过程中。卡诺对热力循环的研究显示热力学第二定律的萌芽，开尔文和克劳修斯分别以不同方式表达了这个定律。思

考

题1、了解几种常用的温标。2、了解布莱克对比热和潜热的研究。3、热质说怎样解释热现象？4、为什么说伦福德和戴维的实验推翻了热质说？5、能量守恒与转化定律是怎样被发现的？这一发现说明了什么？6、了解开尔文和克劳修斯对热力学第二定律的不同表述及其等价性。7、什么是熵？8、了解克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼对气体分子运动的研究及其主要结论。延伸阅读1、［美］姜·范恩：《热的简史》，李乃信译，东方出版社，2009。2、［法］约瑟夫·傅立叶：《热的解析理