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第八章热力学发展史概述热力学----大纲•§8.1热机的发展和热现象的研究•§8.2热力学第一定律的建立•§8.3热力学第二、三定律的建立•§8.4分子运动论的发展概述十七世纪以前，人们对热现象已有了一些认识和经验，并在生活中得到广泛应用，但由于缺乏量的概念和实验手段，热学长期未能从生活中独立出来形成一门科学。到十八世纪初，欧洲的工业比较发达，许多生产部门如蒸气机的研制和使用，化工、铸造等工业都涉及到热量的问题，但当时人们对温度和热量这两个热学的基本概念还混淆不清，由于蒸汽机的发明和不断研究，因此在十八世纪，热学就成为物理学中一个新发展起来的领域。第一节热机的发展和热现象的研究1695年，荷兰物理学家惠更斯的学生和助手—法国人巴本（1647-1714）第一个发明了汽缸有活塞的蒸汽机，用以取水和推磨。虽然结构不完善，但它是第一个蒸气在汽缸内作功的机器——英国皇家工程队的军事工程师发明第一台用于生产的蒸汽机1698年英国人赛维里（1650-1715）也提出了类似的机器。1712年英国的铁匠—纽科门（1663-1792）制造了一个具有价值的工作机，用于供水、取出矿井中的积水和灌溉。十八世纪中期。对纽科门的热机进行根本改革的是英国人瓦特（1736-1819）。1757年瓦特在格拉斯哥大学当仪器修理工。1763年当他修理一台纽科门机时发生了浓厚的兴趣，并增加了冷凝器，可保持汽缸高温而提高了效率，减少了热量的消耗。1769年获专利。1782年瓦特又制造了双冲程蒸汽机，后又加上了飞轮和离心调速器，逐步达到完善。蒸汽机从开始出现到最后完善经历了大约一百年，对社会生产和人类生活产生了巨大的影响。1807年美国人富而顿（1765-1815）在纽约制造了第一艘客船“clermonf”号。1814年英国煤矿工人斯蒂芬森（1781-1848）制造了第一台蒸气机车，1825年被应用于火车和铁路。英国成为当时世界工业最发达的国家，形成了第一次世界技术革命—蒸气时代。1842年法国、德国和意大利的资产阶级革命动摇了欧洲封建统治和农奴制度。恩格斯说：“蒸汽机是一个真正的国际的发明，而这个事实又证明了一个巨大的历史性进步。”内燃机人类在很早就有懂得了用感觉来比较冷热，比如在中国古代冶铁中要掌握“火候”（即温度的高低），直到今天用感觉判断温度的方法还用在手工业铸造中。随着科学技术的发展，人们的生活领域不断扩大，需要对冷热程度给出精确的定量描述，于是刺激了计温学的发展，即温度计的制作：1、温标，如冰水混合物为摄氏0o；2、测温质，如水银、酒精、气体（物质热膨胀规律研究）；一、温度的测定1653年意大利的一位公爵费迪南二世制造了一个所谓的温度计，在玻璃管中装入酒精，管壁刻上度数，上端封口。1659年法国的天文学家伊斯梅尔·博里奥制造了第一个用水银做测温物质的温度计，还做了气温记录。—伽利略的测温仪早在1593年伽利略利用热胀的性质制成了世界上第一个显示冷热变化的仪器—示温仪。德国格里凯最早提出在温度计的刻度上标出定点的人之一，他以马德堡市初冬和盛夏为定点温度。1688年道伦斯提出以冰的温度和黄油溶解时的温度为固定点。1694年惠更斯提出以水结冰和沸腾时的温度为固定点等。法国物理学家阿蒙顿（1663-1705）改进了伽利略的温度计，建立了气压的改变正比于温度差的定律：212121ttPP1709年荷兰的玻璃工人华伦海特（1688-1736）制造出世界上第一个温度计。他选水、冰、食盐、和氨水混合平衡时的温度为零度，冰点为32度，水在常压下沸腾为212度，又在冰点与沸点之间分为180等份，一等份为1度，这就是世界上第一个温标—华氏温标，这是热学发展的一个重要标志。但是阿蒙顿的研究为后来的物理学家、化学家盖•吕萨克和道耳顿对气体性质的研究做出了先例。波意耳和牛顿也曾研制过温度计。波意耳在1665年发表的《热的力学原理》的论文中，已经确信一切物体的熔点都是常数。1742年瑞典天文学家摄尔修斯（1701-1744）制定了以他的名字命名的摄氏温标。温标以冰点为0度，一个大气压下沸点为1000C，从0点到沸点分为100等份，一等份为10C。此处还出现了法国列缪尔（1683-1757）的列氏温标。剧统计，到1779年约有19种温标。现在常用的只有3种，即华氏、摄氏、列氏。英、美用华氏最多，列氏在德国用的最多，法国摄氏占优势，而科学界普遍采用摄氏。液体的沸点18世纪初，欧洲的工业比较发达，许多生产部门如蒸汽机的研制和使用、化工、铸造都涉及到热量问题，但当时人们对温度和热量这两个基本概念还混淆不清，往往把温度看作热量，因而阻碍了热学的发展。由于建立了比热、热容量、潜热等热学基本概念，把温度和热量分开，因此加速了热学的发展，所以十八世纪被称为热学世纪。二、量热学的开始热胀冷缩在十八世纪前半期，温度的测量和热量的测量还没有被科学界区别来开。•为此，荷兰物理学家波尔哈夫就认为，一定量物体的温度都应该吸收同样数量的热量，这个值又同它每降低一度时放出的热量相等。•波尔哈夫同华伦海特一起进行实验，把40℉的水同等体积的80℉的水相混合而得出混合水的温度恰为60℉，与预期结果相符。•波尔哈夫由此断言：“在混合时热不能创造也不能消灭”。但后来，波尔哈夫在考察不同温度的水和水银混合后的温度变化时，却发生了矛盾：100℉的水和等体积的150℉的水银混合后温度为120℉，而不是它们的中间平均值，这是他所无法解释的。同年，俄国彼堡科学院院士李赫曼（1711-1753）认为热量在物体内是按体积（或质量）均匀分配的，所以他把物体的m和温度t的乘积mt为热量的定义，确定两个温度不同的物体的混合后的温度为：212211mmtmtmt式中表达的意思正是温度和热量两概念模糊不清的具体表现。1744年，彼得堡科学院的克拉弗特提出了一个确定热水和冷水的混合温度的报告。后来英国化学家布拉克（1728-1799）用实验重新审查了李赫曼的设想。他主张将热和温度两个概念分别称为“热的量”和“热的强度”。他在研究热传导时发现，同重量而不同温度的两种物质混合在一起时，它们的温度变化是不相同的。他把物质在改变相同温度时的热量变化叫做这些物质的“对热的亲和性”、“接受热的能力”，并由此提出了“比热”概念。后来他的学生伊尔文引进了“热容量”概念，并仔细地测量了一些物质的比热。几乎在同一时期，瑞典的维尔克也进行了量热学的研究，他通过出质量相等的水和冰在熔解温度下混合时要失去72℃的热。他还指出，若把水的比热定为1，就可求出其他物质的比热。在研究冰和水的混和温度时他发现，在冰的熔解中需要一些为温度觉察不出的热量，进而发现各种物质在发生物态变化时都有这种效应，他由此引进了“潜热”的概念，认为这部分热量是与物质内部的微粒发生了某种准化学作用而潜藏起来了。这一时期量热学的发展，导致了热量在几个物体间重新进行分配时其总量不变的观念。布拉克把320F的冰块和1720F的同等重量的水混合，发现混合温度不是李赫曼的1020F，这就否定了李赫曼的公式，同时也否定了热量按体积或质量均匀分配的论点。1777年，拉瓦锡和拉普拉斯制造了冰筒量热器这种经典的量热装置，利用它测定了一系列物质的比热。通过众多物理学家的不懈努力，在十八世纪八十年代，量热学的一系列基本概念―温度、热量、热容量、潜热等都已确立。量热学从而成为了相对独立的一门学科，并发展达到了精确定量的水平。三、热的传导在量热学发展的同时，热的传导理论也得到了发展。法国数学家傅里叶（1768-1830）在1822年出版的《热的解析理论》中研究了热流质在物体中的传播，给出了热传导的经验定律，建立了热传导方程:dxdTksQ热传递1784年伽托林又导热物质的无限小的体元，得到了普遍的传导方程:2222222zTyTxTT利用此式可以确定一定物体的温度分布。四、关于热的本性学说热是什么?1.热是一种物质,即热质说2.热是物体粒子的内部运动古希腊的原子论把热描绘成一种特殊的,不可直接觉察的物质;其结构与其他的物质一样,也是由原子构成的;大概还具有一定的重量。法国数学教授伽桑狄(1592--1655)认为热和冷都是由特殊的“热原子”和“冷原子”引起的,这实际上是对古希腊的热的物质说的支持和延伸.历史上迪卡尔、波意耳、胡克等人主张这一观点。继胡克之后反对热质说的还有丹尼尔•伯努力和罗蒙诺索夫。罗蒙诺索夫关于热理论的观点包含在他的两篇著作中，一篇是1749年发表的“关于热和冷的原因之沉思”，另一篇是“空气弹性理论的尝试”。例:热金属A插入冷水B中,(A,B系统是绝热,孤立的)热量守恒定律.为单位）（以初温度末温度）克比热（卡物体质量卡ccQ/)(当时热作为一种实物性物质的观念占上风.，认为热是一种实体,它既不会被创生,也不会被消灭.但它可以从一个物体流向另一个物体.好似能够说明有关热传导和量热学的一些实验结果.但不能很好地解释摩擦生热的现象18世纪末,热质说受到了严重的挑战,致力于推翻热的物质说的物理学家是伦福德伯爵和戴维:(1778---1829),把两块冰在真空中相互摩擦,熔化.断言“热质是不存在的”.分析当时热质说占优势的主要原因是:当时人们把热现象和其他现象割裂开来研究,还未注意到它们之间的相互关系和转化;热质说比热的运动说更为简明,用热质说能很好地解释当时已发现的热现象,因此易于被人们接受;热质说更能迎合18世纪在物理学和化学研究中占统治地位的形式主义倾向.另外牛顿“不臆造假说”的思想还很有影响,大多数物理学家不愿接受当时还看不见摸不着的比较复杂的分子运动假说.热力学第一定律的建立第二节热力学第一定律就是能量守恒定律。一、定律诞生的条件（1）蒸汽机技术的成就是建立能量守恒定律的基本物质前提之一。蒸汽机的发明是18世纪技术上的一大创举，随着19世纪的到来，蒸汽技术很快应用于交通运输。在19世纪最初的1/3时间内，蒸汽技术开始作为传播的动力：1807年，美国哈得逊河上，福尔顿的第一艘《克雷英特号》开航；欧洲的第一艘轮船与1812年在苏格兰的克来依特河上行驶；1838年建立了轮船的定期航班。把蒸汽技术用于陆地的交通要比船舶上的应用复杂的多，但它的发展也相当快。（2）有关的基本概念和规律的逐渐形成，是建立能量守恒定律的物理学基础。早在1686年，莱布尼兹就已提出mv2表示活力，相当于后来的动能。1807年托马斯·扬（ThomasYoung1773--1829）在他的著作《自然哲学讲义》中，第一次提出了动量的概念。1829年蓬瑟勒在《技术力学引言》一书中，坚决支持“功”这一术语；瓦特进行了马的能力和机器的比较，而定出功率的单位；1834~1835年间，英国的哈密顿在《论动力学的一般方法》一文中，引入了“力函数”；1828年格林提出“位函数”并应用于静电学和静磁学。到了19世纪40年代，高斯的工作使“位函数”得到了普遍的应用。导致能量守恒定律最后确立的两个重要线索是：永动机不可能实现的确认和各种物理现象之间普遍联系的发现。到了19世纪40年代，从各方面来看，建立定律的条件已经具备，在这段时期内（1842~1847），有时几个科学家在不同地点、用不同的途径、各自独立地提出了能量守恒定律。其中以R·迈尔、焦耳、亥姆霍兹的工作最为著称。二、R·迈尔（1814—1878）的贡献迈尔是提出能量守恒和转化定律的第一人，迈尔应用“不能无中生有”和“原因等于结果两条哲学原理”，表达了他对物理和化学过程的守恒问题的思想，他认为：如果原因c有着结果e,那么c等于e，倘若e又是另一个结果f的原因，那么e等于f，并以此类推得出c=e=f=…=c他认为在原因和作用的这条长链中，是永远不会有一个环节或者一个环节的一部分变为零的。他把这个特性称为第一个特性—不灭性迈尔把力看作是一种原因，因此认为力是不可消灭的和可以转化的。他以力学的观点，以物体下落为例，认为“下落的力”和运动之间可以相互转化，并列出了重力场中的能量守恒定律。2/2mvmgh1848年，迈尔又