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1热力学和统计物理的建立和发展1.热现象的初期研究2.热力学的建立3.统计物理的建立2一热学现象的初期研究(一)蒸汽机的发明1690年，惠更斯的助手法国人巴本(DenisPapin,1647-1712)首先制成了带有活塞和汽缸的实验性蒸汽机。1698年，英国矿山技师萨维里(ThomasSavery,1650-1715)制成了一台蒸汽水泵萨维里蒸汽机。31705年，英国铁匠纽可门(ThomasNewcomen,1663-1729)制成实用蒸汽机的最早雏形纽可门蒸汽机。又过了近半个世纪，英国格拉斯哥大学仪器修理工詹姆斯•瓦特(JamesWatt,1736-1819)发明了“万能蒸汽机”并于1789年获得了专利。4蒸汽机的出现，标志着人类开始掌握将热能转化为机械推动力的手段，这是人类对自然能源的利用史上的一次革命。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年被用于火车和铁路。1769年，詹姆斯•瓦特把冷凝过程从汽缸内分离出来，即在汽缸外单独加一个冷凝器而使汽缸始终保持在高温状态。1782年，又制造出了使高压蒸汽轮流的从两端进入汽缸，推动活塞往返运动的蒸汽机，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，导致了欧洲的第一次工业革命。5(二)计温学的发展温度是热学中最重要的概念之一，温度计的出现标志着热学跨入定量科学的第一步。对热现象的定量研究，首先必须解决如何客观地表示物体的冷热程度，温度计就应运而生。虽然伽利略早在1603年就利用气体热胀冷缩规律做成气体温度计，但这种温度计使用起来不方便，而且随外界气压变化所测得的值也不同，误差较大。1650年，意大利费迪南二世(G.D.FerdinandII)在带有玻璃泡的玻璃管中装入染成红色的酒精，用蜡封住管口，并把刻度附在玻璃管上，制成了第一只现代形式的温度计。1659年，法国天文学家博里安(IsmaelBoallian)制成了第一只用水银作为测温物质的温度计。1.温度计的发明62.测温物质的选择和标准点的确定1703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，把人体温度作为12度等等。1665年，惠更斯建议把水的凝固温度和沸腾温度作为两个固定点；佛罗伦萨的院士们选择了雪或冰的温度为一个定点，牛或鹿的体温为另一个定点；德国的格里凯（Guericke)曾提出以马德堡地区的初冬和盛夏的温度为定点温度；1709年华伦海特制造成了第一支用酒精做测温质的实用温度计，后来这种温度计又改用水银作测温质。经改进，把水的冰点定为32度，水的沸点定为212度，就成了如今的华氏温度计。华氏温标由单位用℉表示。7摄尔修斯（AndersCelsius，1701～1744）瑞典物理学家、天文学家，瑞典科学院院士。1701年11月27日生于乌普萨拉。他曾在乌普萨拉大学学习，从事天文学、数学、地球物理和实验物理学研究．年仅26岁便担任了乌普萨拉科学协会会长。1730～1744年任乌普萨拉大学教授，1740年兼任乌普萨拉天文台台长．1744年4月25日在乌鲁萨拉逝世。1742年摄尔修斯把一标准大气压下，冰水混合物的温度定为100度，水沸点定为0度，制成另一种温标的温度计。后来根据同事施勒默尔的建议，摄尔修斯把这个标度倒了过来，就成了现代的摄氏温标。开始人们称它为“瑞典温度计”，大约在1800年人们才称它为摄氏温度计．1948年在巴黎召开的第九届国际计量大会根据“名从主人”的惯例，把百分温标正式命名为“摄氏温标”，以纪念摄尔修斯。8据此，1854年，开尔文(威廉.汤姆逊)提出开氏温标，T=272.3+t。又称热力学温标，它与测温物质的性质无关，即任何测温物质按这种温标定出的温度数值都是一样的。1954年国际计量大会决定将水的三相点的热力学温度定为273.16K。开尔文像热力学温标：19世纪50年代，开尔文注意到：既然卡诺热机与工作物质无关，那么我们就可以确定一种温标，使它不依赖于任何物质，这种温标比根据气体定律建立的温标更具有优越性。9实用温度计诞生之后，热学的研究走上了实验科学的道路。随着研究的深入，人们开始考虑热的本质问题。常用温标101.认为热是运动的表现佛兰西斯•培根从摩擦生热得出热是一种膨胀的、被约束的在其斗争中作用于物体的微小粒子的运动。波意耳认为钉子敲打之后变热，是运动受阻而变热的证明。笛卡尔认为热是物质粒子的一种旋转运动；胡克用显微镜观察火花，认为热是物体各个部分非常活跃和极其猛烈的运动；罗蒙诺索夫提出热的根源在于运动等。2.热质说，即认为热是一种看不见无重量的物质。热质的多少和在物体之间的流动就会改变物体热的程度。代表人物：伊壁鸠鲁、卡诺等。热质说对热现象的解释：物质温度的变化是吸收或放出热质引起的；热传导是热质的流动；摩擦生热是潜热被挤出来的，特别是瓦特在热质说的指导下改进蒸汽机的成功，都使人们相信热质说是正确的。（三）对热本质的认识111798年，伦福特伯爵发现制造枪管时，被切削下来的碎屑有很高的温度，而且在连续不断的工作之下，这种高温碎屑不断产生。被加工的材料和车刀温度都不高，它们包含的热质应该是有限的，工件和碎屑温度很高，这些热质从何而来呢？1799年戴维做了一个实验，他用钟表机件作动力，在真空中使两块冰相互摩擦，整个设备都处于－2℃的温度下，结果冰熔化了，得到2℃的水。伦福德和戴维的实验给热质说以致命打击，为热的唯动说提出了重要的实验证据。但在当时由于能量转换的观点没有建立起来；还无法彻底推翻热质说。12热和电：1821年，德国物理学家塞贝克在铜、铋导线回路中发现了温差电——实现了热向电的转化；1834年，法国的帕尔帖（Peltier)发现了它的逆效应——电转化为热。1840年和1842年，焦耳和楞次分别发现了电流转化为热的著名定律。热能和机械能：伦福德和戴维的实验证明机械能向热能的转化;蒸汽机的发明和改进→热能向机械能的转化;1.定律产生的背景18世纪末到19世纪前半叶，自然科学上的一系列重大发现，广泛的揭示出各种自然现象之间的普遍联系和转化。许多科学家对这一定律的建立作出了一定贡献。二热力学的建立（一）能量守恒和转化定律的建立13此外1801年发现紫外线的化学作用，1839年发现光照金属极板可改变改变电池的电动势；1845年发现光的偏振面的磁致偏转现象等等，都从不同侧面揭示了各种自然现象之间的联系和转化。化学反应和热：1840年，彼得堡科学院的黑斯提出关于化学反应中释放热量的重要定律：在一组物质转变为另一组物质的过程中，不管反应是通过那些步骤完成的，释放的总热量是恒定的。电和化学：1800年，伏打制成“伏打电堆”以及利用伏打电流进行电解，从而完成了化学运动和电运动的相互转化运动。电和磁：1820年，奥斯特关于电流的磁效应的发现和1831年法拉第关于电磁感应现象的发现完成了电和磁间的相互转化1830年，法国萨迪·卡诺：“准确地说，它（热）既不会创生也不会消灭，实际上，它只改变了它的形式。”142.确立能量转化与守恒定律的三位科学家1.德国的迈尔罗伯特•迈尔（RobertMayer,1814-1878)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年完成医学博士学位论文答辩，获医师执照而开始行医。1840年-1841年担任开往东印度的荷兰轮船的随船医生。迈尔像151841年，撰写了《论力的质和量的测定》，并1841年7月寄给当时的德国物理学杂志主编波根道夫(J.C.Poggendorff)，但被认为迈尔的文章引入了思辩性内容且缺少精确的实验根据而未发表。1842年撰文《论无机界的力》，被一向注意各种力之间关系的李比希发表于他主编的《化学和药学年刊》上。在这篇文章中，迈尔从“无中生有，有中生无”和“原因等于结果”等哲学观点出发，表达了物理、化学过程中的力（能量）的守恒思想。考察了用“下落力”转化为运动来论证力的转化和守恒。在这篇文章的末尾，提出了建立不同的力之间数值上的当量关系的必要性。“例如我们应确定，为把与该物体重量相等的水从0℃加热到1℃，应该把这个重物升起多高”。1845年写了《与有机运动相联系的新陈代谢》。但这篇文章也被拒绝发表，迈尔只好以小册子的形式自费发行。文中写道：“力的转化与守恒定律是支配宇宙的普遍规律。”并具体考察了5种不同形式的力：运动的力;下落力;热力;磁和电；化学力。并具体计算了热功当量：气体在定压膨胀时，温度每改变1℃，体积体积约增大1/274，所以在这个过程中气体对外做的功相当于反抗1.033千克的力移动1/274厘米时的功。即ΔA=1.033×1/27400kgm=3.78×10-5kgm。1848年，出版《天体动力学》迈尔是将热学观点用于有机世界研究的第一人。恩格斯对迈尔的工作给予很高的评价。162.海尔曼•亥姆霍兹(HermannHelmholtz,1821-1894)1821年8月31日生于德国波茨坦，1842年毕业，担任了军医，并开始进行物理学研究。被称为生物物理学的鼻祖。培养了一大批优秀人才。赫兹、普朗克等人都是他的学生。亥姆霍兹认为，大自然是统一的，自然力是守恒的。1847年，发表著名论文《力的守恒》，阐述了有心力作用下机械能守恒原理：“当自由质点在吸力和斥力作用下而运动的一切场合，所具有的活力和张力总是守恒的。”这里活力是动能，张力是势能。但同样由于论文中含有思辩性内容而未能发表，因此亥姆霍兹也以小册子的形式在柏林单独出版了这篇论文。亥姆霍兹像173.焦耳(JamesPrescottJoule,1818-1889)英国著名的实验物理学家.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《论伏打电所产生的热》论文中，这就是著名的焦耳——楞次定律。1843年写了两篇论文《论磁电的热效应和热的机械值》和《论水电解时产生的热》，明确指出：“自然界的能是不能消灭的，哪里消耗了机械能，总能得到相应的热，热只是能的一种形式。”为了测定机械功和热之间的转换关系，焦耳设计了“热功当量实验仪”，测得热功当量为428.9千克力米/千卡。1844年又做了把水压入毛细管的实验和压缩空气实验，测出了热功当量分别为424.9千克力米/千卡和443.8千克力米/千卡。1878年发表《热功当量的新测定》，最后得到的数值为423.85千克·米/千卡。183.永动机的研究永动机的研究是导致能量守恒原理建立的另一个重要线索。早期最著名的一个永动机设计方案，是十三世纪的法国人亨内考(VillarddeHonnecourt)设计的。如下图(左)所示。后来列奥多也设计了一台类似的装置，如下图(右)。194.热力学第一定律的表述热力学第一定律即能量守恒和转化定律，其第一种表述为：自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能够从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数量不变。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19世纪的三大发现。第二种表述为：第一种永动机是不可能造成的。数学表达式为：U2-U1=Q+AU—内能，状态函数热力学第一定律的建立，彻底推翻了热质说，同时它也宣布了那种不需要消耗任何一种能量而能源源不断地做功的永动机的死刑。205.热力学第一定律建立的成因1）理论——迈尔2）实验——焦耳3）一批科学家的不懈努力4）说明了客观条件成熟，相应的自然规律一定会发现。21（二）热力学第二定律的建立热力学第一定律确定了一个封闭系统的能量是一定的，确定了各种形式能量之间的转化关系。但它对能量转化过程所进行的方向和限度并未给出规定和判断。而完成这一新课题的是英国的威廉汤姆逊和德国的克劳修斯。1卡诺定理1824年，卡诺出版了《关于火的动力思考》，总结了他早期的研究成果。他给自己提出的实际任务是：阐明热机工作的原理，找出热机不完善的原因，以提高热机的效率。萨迪卡诺(SadiCarnot，1796-1832)法国青年工程师、热力学的创始人之一，是