热力学发展史

1、要求：1、30 个 PPT左右2、画面清晰明了3、相关图片不少于是10 张4、每个画面文字总数不超过80 个，配备解说稿5、3 人组成一小组资料如下：热力学第一定律（能量守恒定律）：英国杰出的物理学家焦耳、德国物理学家亥姆霍兹等1、我们既不能创造，也不能消灭能量。宇宙中的能量总和一开始便是固定的，而且永远不会改变，但它可以从一种形式转化为另一种形式。一个人、一幢摩天大楼、一辆汽车或一棵青草，都体现了从一种形式转化成为另一种形式的能量。高楼拔地而起，青草的生成，都耗费了在其他地方聚集起来的能量。高楼夷为平地，青草也不复生长，但它们原来所包含的能量并没有消失，而只是被转移到同一环境的其他所在去了。

2、我们都听说过这么一句话：太阳底下没有新鲜东西。要证实这一点你只需呼吸一下，你刚才吸进了曾经让柏拉图吸进过的 5000 万个分子。2、宇宙的能量总和是个常数，总的熵是不断增加的。熵是不能再被转化做功的能量的总和的测定单位。 这个名称是由德国物理学家鲁道尔夫克劳修斯于1868 年第一次造出来的。蒸汽机之所以能做功，是因为蒸汽机系统里的一部分很冷，而另一部分却很热。换一句话说，要把能量转化为功， 一个系统的不同部分之间就必须有能量集中程度的差异( 即温差 ) 。当能量从一个较高的集中程度转化到一个较低的集中程度( 或由较高温度变为较低温度 )? 时，它就做了功。更重要的是每一次能量从一个水平转化到另

3、一个水平，都意味着下一次能再做功的能量就减少了。比如河水越过水坝流入湖泊。当河水下落时，它可被用来发电，驱动水轮，或做其他形式的功。然而水一旦落到坝底，就处于不能再做功的状态了。在水平面上没有任何势能的水是连最小的轮子也带不动的。这两种不同的能量状态分别被称为“有效的”或“自由的”能量，和“无效的”或“封闭的”能量。熵的增加就意味着有效能量的减少。每当自然界发生任何事情，一定的能量就被转化成了不能再做功的无效能量。被转化成了无效状态的能量构成了我们所说的污染。许多人以为污染是生产的副产品，但实际上它只是世界上转化成无效能量的全部有效能量的总和。耗散了的能量就是污染。既然根据热力学第一定律，能量

4、既不能被产生又不能被消灭，而根据热力学第二定律，能量只能沿着一个方向即耗散的方向转化，那么污染就是熵的同义词。它是某一系统中存在的一定单位的无效能量。在 19 世纪早期， 不少人沉迷于一种神秘机械第一类永动机的制造， 因为这种设想中的机械只需要一个初始的力量就可使其运转起来，之后不再需要任何动力和燃料，却能自动不断地做功。在热力学第一定律提出之前，人们一直围绕着制造永动机的可能性问题展开激烈的讨论。 直至热力学第一定律发现后， 第一类永动机的神话才不攻自破。力学第一定律是能量守恒和转化定律在热力学上的具体表现，它指明：热是物质运动的一种形式。这说明外界传给物质系统的能量（热量），等于系统内能的

5、增加和系统对外所作功的总和。它否认了能量的无中生有，所以不需要动力和燃料就能做功的第一类永动机就成了天方夜谭式的设想。热热力学第二定律：1、没有某种动力的消耗或其他变化，不可能使热从低温转移到高温（不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化或热量只能自发地从高温物体传向低温物体，而不可能从低温物体传向高温物体而不引起其他变化）。（德国物理学家鲁道尔夫克劳修斯 1850）2、不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用功而不产生其他影响（从单一热源吸取热量完全转化成有用功而不引起其他影响则是不可能的） 。（英国物理学家开尔文 （原名汤姆逊） 1851 年）3、我国有一句成语“覆水难收”，其

6、实是“覆水不收”。脸盆里的水泼到地上，是不可能再收回来的，这也可以看作是热力学第二定律的一种表述形式。第二类永动机：一种从海水吸取热量，利用这些热量做功的机器。第二类永动机是不可能实现的，不可能造成的。这是因为从海水吸收热量做功，就是从单一热源吸取热量使之完全变成有用功并且不产生其他影响。利用致冷机就可以把热量从低温物体传向高温物体，但是外界必须做功。热力学第三定律：1、各种物质的完美晶体在绝对零度时熵为零。2、与任何等温可逆过程相联系的熵变，随着温度的趋近于零而趋近于零。3、绝对零度不可达到但可以无限趋近。人类最伟大的十个科学发现之九：热力学四大定律世纪，卡诺等科学家发现在诸如机车、人体、太

7、阳系和宇宙等系统中，从能量转变成“功”的四大定律。没有这四大定律的知识，很多工程技术和发明就不会诞生。热力学的四大定律简述如下：热力学第零定律如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡 ( 温度相同 ) ，则它们彼此也必定处于热平衡。热力学第一定律能量守恒定律在热学形式的表现。热力学第二定律力学能可全部转换成热能， 但是热能却不能以有限次的实验操作全部转换成功 ( 热机不可得 ) 。热力学第三定律绝对零度不可达到但可以无限趋近。法国物理学家卡诺（Nicolas Leonard Sadi Carnot,1796 1823）( 左图 ) 生于巴黎。其父 L. 卡诺是法国有名的数学家

8、、将军和政治活动家，学术上很有造诣，对卡诺的影响很大。卡诺身处蒸汽机迅速发展、广泛应用的时代，他看到从国外进口的尤其是英国制造的蒸汽机，性能远远超过自己国家生产的，便决心从事热机效率问题的研究。他独辟蹊径，从理论的高度上对热机的工作原理进行研究，以期得到普遍性的规律；1824 年他发表了名着谈谈火的动力和能发动这种动力的机器（右图），书中写道：“为了以最普遍的形式来考虑热产生运动的原理， 就必须撇开任何的机构或任何特殊的工作介质来进行考虑，就必须不仅建立蒸汽机原理，而且建立所有假想的热机的原理，不论在这种热机里用的是什么工作介质，也不论以什么方法来运转它们。”卡诺出色地运用了理想模型的研究方法

9、，以他富于创造性的想象力，精心构思了理想化的热机后称卡诺可逆热机（卡诺热机），提出了作为热力学重要理论基础的卡诺循环和卡诺定理，从理论上解决了提高热机效率的根本途径。卡诺在这篇论文中指出了热机工作过程中最本质的东西：热机必须工作于两个热源之间，才能将高温热源的热量不断地转化为有用的机械功；明确了“热的动力与用来实现动力的介质无关，动力的量仅由最终影响热素传递的物体之间的温度来确定”，指明了循环工作热机的效率有一极限值，而按可逆卡诺循环工作的热机所产生的效率最高。实际上卡诺的理论已经深含了热力学第二定律的基本思想，但由于受到热质说的束缚，使他当时未能完全探究到问题的底蕴。1832 年 8 月 2

10、4 日卡诺因染霍乱症在巴黎逝世，年仅 36 岁。按照当明的防疫条例，霍乱病者的遗物一律付之一炬。卡诺生前所写的大量手稿被烧毁，幸得他的弟弟将他的小部分手稿保留了下来， 其中有一篇是仅有21 页纸的论文 - 关于适合于表示水蒸汽的动力的公式的研究，其余内容是卡诺在1824-1826 年间写下的 23 篇论文。后来，卡诺的学术地位随着热功当量的发现，热力学第一定律、能量守恒与转化定律及热力学第二定律相继被揭示的过程慢慢形成了。热力学第一定律与能量守恒定律有着极其密切的关系。德国物理学家、医生迈尔（ Julius Robert Mayer ， 1814 1878）（左图） 1840 年 2 月到 1

11、841 年 2 月作为船医远航到印度尼西亚。 他从船员静脉血的颜色的不同， 发现体力和体热来源于食物中所含的化学能，提出如果动物体能的输入同支出是平衡的，所有这些形式的能在量上就必定守恒。他由此受到启发，去探索热和机械功的关系。他将自己的发现写成论力的量和质的测定一文，但他的观点缺少精确的实验论证，论文没能发表（直到 1881 年他逝世后才发表）。迈尔很快觉察到了这篇论文的缺陷，并且发奋进一步学习数学和物理学。 1842 年他发表了论无机性质的力的论文，表述了物理、化学过程中各种力（能）的转化和守恒的思想。迈尔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。但 1842 年发表的这篇科学杰

12、作当时未受到重视。以后英国杰出的物理学家焦耳（ James Prescort Joule,1818 1889）（右图）、德国物理学家亥姆霍兹（ HermannvonHelmholtz,1821 1894）等人又各自独立地发现了能量守恒定律。1843 年 8 月 21 日焦耳在英国科学协会数理组会议上宣读了论磁电的热效应及热的机械值论文，强调了自然界的能是等量转换、不会消灭的，哪里消耗了机械能或电磁能，总在某些地方能得到相当的热。 焦耳用了近 40 年的时间，不懈地钻研和测定了热功当量。他先后用不同的方法做了400 多次实验，得出结论：热功当量是一个普适常量，与做功方式无关。他自己 1878 年

13、与 1849 年的测验结果相同。 后来公认值是 427 千克重米每千卡。这说明了焦耳不愧为真正的实验大师。他的这一实验常数，为能量守恒与转换定律提供了无可置疑的证据。1847 年，亥姆霍兹（左图）发表论力的守恒，第一次系统地阐述了能量守恒原理，从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示其运动形式之间的统一性，它们不仅可以相互转化，而且在量上还有一种确定的关系。能量守恒与转化使物理学达到空前的综合与统一。将能量守恒定律应用到热力学上，就是热力学第一定律。热力学第二定律是在能量守恒定律建立之后，在探讨热力学的宏观过程中而得出的一个重要的结论。 ?1834 年，卡诺去世

14、两年后，卡诺的谈谈火的动力和能发动这种动力的机器才有了第一个认真的读者 -克拉派隆（ Benoit Paul Emile Clapeyron,1799-1864）（右图）。他比卡诺低几个年级。他在学院出版的杂志上发表了题为论热的动力的论文，用 PV曲线翻译了卡诺循环，但未引起学术界的注意。英国物理学家开尔文（ Lord Kelvin ， 1824-1907）（左图）在法国学习时，偶尔读到克拉派隆的文章，才知道有卡诺的热机理论。然而，他找遍了各图书馆和书店，都无法找到卡诺的 1824 年论着。实际上，他根据克拉派隆介绍卡诺理论写的建立在卡诺热动力理论基础上的绝对温标一文在 1848 年发表。 1

15、849 年，开尔文终于弄到一本他盼望已久的卡诺着作。 1851 年开尔文从热功转换的角度提出了热力学第二定律的另一种说法，不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响；或不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最低温度还低，从而获得机械功。德国物理学家克劳修斯（ Rudolph Julius Emmanuel Clausius,1822-1888 ）（右图）一直没弄到卡诺原着，只是通过克拉派隆和开尔文的论文熟悉了卡诺理论。 1850 年克劳修斯从热量传递的方向性角度提出了热力学第二定律的表述：热量不可能自发地、不花任何代价地从低温物体传向高温物体，他还首先提出了熵的概念。英国

16、物理学家克拉克 . 麦克斯韦（ James Clerk Maxwell ，1831 1879）（左图）是经典电磁理论的奠基人。但他兴趣广泛，才智过人，不但是建立各种模型来类比不同物理现象的能手，更是运用数学工具来分析物理问题的大师。他在热力学领域中也做出了贡献。1859 年他用统计方法导出了处于热平衡态中的气体分子的“麦克斯韦速率分布律”。1877 年，奥地利物理学家玻尔兹曼（Ludwig Eduard Boltzmann ，1844 1906）（右图）发现了宏观的熵与体系的热力学几率的关系。他在使科学界接受热力学理论、尤其是热力学第二定律方面立下了汗马功劳。1906 年，德国物理化学家能斯特

17、（ Walther Hermann Nernst,1864 1941）（左图）根据对低温现象的研究，得出了热力学第三定律，人们称之为“能斯特热定理”，有效地解决了计算平衡常数问题和许多任务业生产难题， 因此获得了 1920 年诺贝尔化学奖。 主要着作有：新热定律的理论与实验基础等。德国物理学家普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 18581947) （右图）是量子物理学的开创者和奠基人，他早期的研究领域主要是热力学，他的博士论文就是论热力学的第二定律。他在能斯特研究的基础上，利用统计理论指出：各种物质的完美晶体在绝对零度时熵为零。 1911 年普朗克也提出了对热力

18、学第三定律的表述，即“与任何等温可逆过程相联系的熵变，随着温度的趋近于零而趋近于零”。通常是将热力学第一定律及第二定律作为热力学的基本定律，但有时增加能斯特定理当作第三定律，又有时将温度存在定律当作第零定律。热力学第零定律用来作为进行体系测量的基本依据，其重要性在于它说明了温度的定义和温度的测量方法。表述如下：可以通过使两个体系相接触，并观察这两个体系的性质是否发生变化而判断这两个体系是否已经达到平衡。当外界条件不发生变化时，已经达成热平衡状态的体系，其内部的温度是均匀分布的，并具有确定不变的温度值。一切互为平衡的体系具有相同的温度，所以，一个体系的温度可以通过另一个与之平衡的体系的温度来表达

19、；或者也可以通过第三个体系的温度来表达。热力学发展史一、简介：人类很早就对热有所认识， 并加以应用。 但是将热力学当成一门科学且有定量的研究，则是由 17 世纪末开始的， 也就是在温度计制造的技术成熟以后， 才真正开启了对热力学的研究。热力学发展史，基本上就是热力学与统计力学的发展史，约可分成四个阶段：第一个阶段： 17 世纪末到 19 世纪中叶此时期累积了大量的实验与观察的结果，并制造出蒸气机，对于 热 (Heat) 的本质展开研究与争论，为热力学的理论建立作好了暖身。 在 19 世纪前半叶，首先出现了卡诺理论，热机理论 ( 第二定律的前身 ) 和功热互换的原理 ( 第一定律的基础 ) 。这

20、一阶段的热力学还留在描述热力学的现象上，并未引进任何的数学算式。第二个阶段： 19 世纪中到 19 世纪 70 年代末此阶段热力学的第一定律和第二定律已完全理论化。由于功热互换原理建立了热力学第一定律，由第一定律和卡诺理论的结合，导致热力学第二定律的成熟。另一方面，以牛顿力学为基础的气体动力论也开始发展，但这期人们并不了解热力学与气体动力论之间的关连。第三个阶段： 19 世纪 70 年末到 20 世纪初这个时间内，首先由波兹曼将热力学与分子动力学的理论结合，而导致统计热力学的诞生，同时他也提出非平衡态的理论基础，至 20 世纪初吉布斯 (Gibbs) 提出系综理论建立统计力学的基础。第四个阶段

21、： 20 世纪 30 年代到今主要是量子力学的引进而建立了量力统计力学，同时非平衡态理论更进一步的发展，形成了近代理论与实验物理学中最重要的一环。二、温度计的发展：1593 年：意大利伽利略建造了第一支温度计，如上图： 此空气为测温物质由玻璃泡内空气的热胀冷缩来指示冷暖。1632 年：法国 Jean Rey ，将伽利略的温度计倒转过来，并注入水，以水为测温物质。利用水的热胀冷缩来表示温度高低，但管子是开口的，因而水会不断蒸发。1657 年：位于意大利，佛罗伦萨的西门图科学院的院士，改用酒精为测温物质，并将玻璃管的开口封闭，除了避免酒精蒸发同时不受大气压力影响的温度计，同时选择了最高和最低的温度

22、固定点。1659 年：巴黎天文学家 Boulliau 将西门图院士传到法国的温度计充以水银，而制造出第一支水银温度计。1660 年到 1700 年期间：博伊尔 (Boyle) 和其助理虎克 (Hooke) ，甚至牛顿均体认到制定温标的重要性，虽然他们现代温度计没有采用制定的温标但他们对温度计的发展是非常重要的。1702 年：阿蒙顿 (Amontons) 仿伽利略的方法制出一个装有水银的U型且与大气压力无关的气体温度计，与现今标准气体温度计相近。1714 年： Fahrenheit ，荷兰气象学家，制作出第一批刻度可靠的温度计也有酒精的 ) 。他选定三个温度固定点，( 有水银的，(1) 零度为冰

23、水和氯化铵的混合物，(2)32度为冰水混合的温度。(3)96度为人体的温度，这就是华氏温标，。 1724 年他测量水的沸点为 212 度，同时他还证明了沸点会随大气压力变化。现代人以冰在标准气压下的沸点标以 180 刻度是为华氏温标。1742 年：瑞典天文学家Celsius ，引进百分刻度法。他把水的沸点定为0 度，水的冰点定为 100 度，此即所谓摄氏温标。其同事Stromer 将此两温度值倒过来即近代所用的摄氏温标。到此为止，温度计算是定型了。问：近代的温度计有那些种类呢?三、热量概念的演进：人们长久以来对温度和热量的概念混淆不清。多数人以为物体冷热的程度代表着物体所含热的多寡。首先德国

24、Stahl 教授提出热是一种燃素，后来荷兰 Boerhaave 教授甚至说热是一种物质。虽然热是一种物质的说法不正确， 但 Boerhaave 教授将 40冷水与同质量 80热水相混而得 60的水，却隐射地得到热量守恒的一个简单定则。不过对于不同质量，甚至不同物质的冷热物体混合，他就难以解释了。另一类的人如 Hooke，就认为热是物质各部激烈的运动，牛顿也认为热是粒子的运动。1740 年左右，俄彼得堡科学院院士克拉夫特提出冷水、热水混合的公式，认为混合后温度 ( 当时称之为热 ) 为其中 c1,c2 为数据 fitting的系数，以当今的眼光来看，可以视为比热。1750 年由德移民到彼得堡的

25、Richmann 院士也做了一系列热量测的研究，他将不同温度的水混合，研究热量的损失，并改进克拉夫特的公式：此公式虽不正确，但他却指混合前后，热量要相等的概念。Franklin的实验时不幸被雷打死 插曲， Richmann为重复1755 年， Lambert院士才将热量与温度的概念加以区别和澄清。真正对热量测量工作有巨大贡献的是英化学教授 J. Black 。他不仅成功的澄清了温度和热量这两个概念， 同时提出相变时潜热的概念， 并暗示出不同物质具有不同的 热容量 。而他的学生 W. Irvine 正确提出热容量的概念。1777 年化学家拉瓦锡 (Lavoisier) 和拉普拉斯 (Laplac

26、e) 设计了一个所谓拉普拉斯冰量热器，可以正确测出热容量和潜热。1784 年麦哲伦 (Magellan) 引进比热的术语，同一时期威尔克 (Wilcke) 提出若把水的比热是为 1，则可以定出其他物质的比热。但是在这一段期间人们依然认为拉瓦锡提出热是一种物质是正确的。1789 年出生于美国后到英国又到德国而受封的Count Rumford 原名BenjaninThompson在慕尼黑兵工厂监督大炮钻孔，发现热是因摩擦而产生，因断言，热不是物质而是来自运动。1799 年英国化学家后来的首任皇家研究院院长戴维 (Davy) 在维持冰点的真空中容器中进行摩擦的实验， 发现即使是两块冰相互摩擦也有些冰

27、熔化成水， 所以 Davy 认为摩擦引起物体微粒的振动，而这种振动就是热。虽然有 Count Rumford 和 Davy 教授极力否定热是一种物质说法，但是仍无法改变人们认为热是一种物质的概念，直到 19 世纪中叶以后， Carnot 身后 50 年其理论再被人们重视加上德国 Mayer 医师和英国物理学家进耳 (J.D. Joule) 的努力才改变了人们的观念，促使了第一定律和第二定律成熟的产生。四、能量守恒与功能互换：首先谈 Carnot 这个人。 Carnot(1796-1832) 只活了 36 岁，活于拿破仑末期时代。 1832他先患猩红热，又得了脑膜炎最后死于霍乱，所以几乎所有研究

28、数据都被烧毁了。其弟于其死后 46 年(1878 年) 将其部份手稿交给法科学院。其中他还计算热动当量的数值，约 365kgw m/kcal ， ( 现今用的数值是4.187 Joule/cal)，他明白指出热不是一种物质而是一种能量的形成，虽然他是最早有热力学中能量守恒概念的人，但由于晚了近50 年，其间有J.R. Mayer和焦耳提出功能互换的原理，故一般都不把Carnot 视为能量守恒定律的创始人。且 1878 年时第一定律和第二定律皆已完成了。J.R. Mayer是一德国的医生，但对行医兴趣不大，他没有实验设备，更没有从当代任何物理学家取得帮助，是一个独立研究的工作者。1840 年左右

29、， Mayer 的第一篇论文寄给德国物理年鉴，文中提出能量守恒和转换的概念，认为运动，热、电等都可以归结为一种力的现象，它们有一定的规律转换，但此论文被退回并未发表。1842 年 Mayer 不死心又投稿到化学和药学年鉴上，除了重述能量守恒的概念，并提出热可以作功，功也可以产生热的能量等价的观念，并根据比热实验数据推出热功当量1kcal=365kgw m ，此文也未受重视，于是 1845 年自费印发了第三篇论文，且明确指出是如何计算热功当量的，是气体在等压膨胀过程中所作的功等于定压下所吸数热量与定容下所吸数的热量之差。后来称 Cp-Cv=R为 Mayer 公式。因为 Mayer 所用推理方法无法为当代人所习惯，同时又与焦耳发生谁是第一个发现能量守恒的人的争议，加上两个小孩先后夭折，一连串打击导致精神失常，在精神病院受尽折磨。英国 J.P. 焦耳 (Dalton 的学生 ) ，花了将近 40 年的时间来证明由功转换成热时，功和所产生热之比是一个恒定的值， 即热功当量。 从 1843 年发表了一系列论文描述如何测热功当量