对经典物理学的再认识

19/19对经典物理学的再认识学生：刘永祥指导老师：段文山2014届,物理学，10级物理（1）班，201072010236摘要：纵观物理学的发展历史，波澜壮阔。最初的物理学，跟神学、哲学是分不开的，或者我们直接可以这样说：物理学本身诞生于神学与哲学之中，其发展之趋势，也将会朝着更加“神秘”的方向，这在近代量子力学跟相对论理论里颇有体现。而作为整个物理学科的基础，经典力学、经典电动力学以及经典的统计力学理论无疑在整个物理学的发展之中起着基础性与支撑性的作用。因此，作为一个从事中学物理基础性学科教学的人，对经典物理学的发展历史做一个全面透彻的了解与认识，对其自身专业素养的提高与基本物理思想的传播都有着最为基本的意义，也会对物理文化的传播与发展，有一定的积极意义。本文以经典物理学的发展史为切入点，在介绍其发展的同时又对各位先哲的经典理论作一再呈现，让我们再一次沉浸在深厚的物理文化氛围之中。关键词：经典物理学经典力学经典电动力学经典统计物理学中学物理教学Abstract:Inthedevelopmentofphysicshistory,spectacular.Theinitialphysicsisinseparablewiththeology,philosophy,orwecansaydirectly:physicsitselfwasborninphilosophyandtheology,itsdevelopmenttrendalsowillbemoremysterious,inthemodernisembodiedinthetheoryofquantummechanicsandrelativity.Andasthebasisofthewholephysics,classicalmechanics、classicalelectrodynamicsandclassicalstatisticalmechanicstheoryinthedevelopmentofthewholephysicsundoubtedlyplaysafundamentalandsupportiverole.Therefore,foramanengagedinbasiccourseteachingofhighschoolphysics,thedevelopmentofclassicalphysicshistorytomakeacomprehensiveassessmentoflearningandunderstanding,theimprovementoftheirownprofessionalandbasicphysicalideashavethemostbasicsense,thespreadofofalsothedisseminationanddevelopmentofphysicsculture,hascertainpositivemeaning.Inthispaperthedevelopmenthistoryofclassicalphysicsasthebreakthroughpoint,initsdevelopmentatthesametime,theclassicaltheoryoffellowthinkersofthepastagainandagain,letusonceagainimmersedinthedeepphysicalculture.Keywords:classicalphysics,classicalmechanics,classicalelectrodynamics,classicalstatisticalphysics,middleschoolphysicsteachingTOC\o"1-3"\h\u目录摘要： 1引言： 51.经典力学的建立与发展 61.1亚里士多德的运动观 61.2伽利略对经典力学的贡献 81.3牛顿的经典力学体系——经典力学大厦的构成 92.经典电动力学的发展与主要理论 112.1早期的静电学与静磁学理论 112.2从奥斯特到法拉第——人类将电磁现象联系起来了 122.3麦克斯韦方程组——经典电动力学的骨架 132.3.1位移电流的提出——变化的电场激发磁场 132.3.2麦克斯韦方程组 143.经典热力学与统计物理的产生与发展 143.1热力学的萌芽与发展 153.1.1人类早期对热的认识——热质说与热的运动说 153.1.2热力学第一定律建立与内容 163.1.3热力学第二定律的建立与内容 173.1.4热力学第三定律的建立 183.2统计物理学的相关理论 193.2.1经典玻耳兹曼（Boltsman）统计 193.2.2玻色——爱因斯坦（Bose-Einstern）统计 193.2.3费米——狄拉克（Fermi-Dirac）统计 19结束语 20参考文献 20致谢 20引言：经典物理学的产生与发展，对整个科学与技术领域都起到了一定的推动作用。以前人们普遍认为，经典力学是整个物理学的基础，因为一切宏观的、低速运动的物体，几乎都可以用牛顿的力学规律来完全决定性地解释与描述，不仅是这样，就当时的某些微观领域，牛顿的经典力学规律也同样适用。而经典电磁理论的建立，无疑彻底改变了人们的生活，电磁波的发现与利用，把我们的世界一下子带进了信息化时代。至于经典统计力学，作为既古老而又经典的理论，其相关理论仍然支撑着物理学的相关领域，热力学理论，开创了人类对热机及能源的利用，统计物理的相关理论，一直是处理微观粒子必不可少的。因此，对经典物理学的再认识，对于从事基础物理教学工作的人来说具有最基本的意义，也是对自己大学学习的一个简要总结。作为一名中学物理教师，其不光要掌握扎实的专业知识与技能，更要对所教授学科的发展与文化有一个全面透彻的了解，因为教师的责任，与其说是“传道，授业，解惑”，还不如说是在传播着科学与文化。中学阶段是一个人的黄金时期，我们对中学生的施教不应当只是“填鸭式”地灌输知识，而应让他们对一门学科的文化有所了解，因为通过对物理学科的的发展历史的了解，可以培养其对物理的热爱与崇尚，也会对所学科目有发自内心的真切感受，这将会对其后续大学阶段的学习与深造有一个很好的铺垫。本文从一名中学物理教师的角度出发，一方面，介绍对整个物理学的发展都起着基础性作用的经典物理学的发展与相关问题，首先，在这部分我将介绍经典力学的发展及我对相关问题认识与看法，从亚里士多德（Aristotle）到伽利略（GailileoGalilei），再从伽利略到牛顿（Newton），通过对这三位科学先哲的生平与贡献的了解，发掘出经典力学的发展脉络，给读者一个清晰的印象；其次，我将对经典电动力学的发展概况进行探索，对经典电磁理论做一再呈现，让读者了解电磁学理论的对称美与严密性，而所有理论归结起来，就是完美的麦克斯韦（Maxwell）方程组；再有，我将对经典统计物理学做一简要介绍，让读者了解到统计物理学在整个科学发展史上（包括工业技术发展）的重要作用。另一方面，我将联系中学物理噢教师这一具体职位，讨论一名物理教师应当怎样教授物理这一学科才能更好地起到传播文化的作用。即作为一个从事物理教学的人来说，不光要掌握相关的专业知识，有一个扎实的专业素养，更重要的是，要对他所教授学科的文化发展有一个深层次的理解与把握，把学生领进科学的大门。所谓一门学科的文化内涵，就是其发展历史与相关人物的主要观点，因此在这部分，我将联系具体教学实例，来进行一定的阐述。1.经典力学的建立与发展1.1亚里士多德的运动观亚里士多德（Aristotle）被誉为古希腊百科全书式的哲学家，其基本的哲学思想几乎涵盖了自然科学的各个领域。他把万物看成是由四种元素——土、水、空气及火组成，四种元素各有其自然位置，任何物体都有返回其自然位置而运动的性质，因此他把运动分成自然运动和强迫运动：重物下落是自然运动，天上星辰围绕地心作圆周运动，也是自然运动；而要让物体作强迫运动，必需有推动者，即有施力者。力一旦去除，运动即停止，即“力是维持物体运动的原因”。既然重物下落是物体的自然属性，物体越重，趋向自然位置的倾向性也就越大，所以下落速度也越大。于是，从亚里士多德的教义出发，就必然得到物体下落速度与物体重量成正比的结论。下面就让我们对其思想做一全方位的回顾。对于运动和力，因为“马拉车，马行则车动，马停则车止”。亚里士多德说：“力是维持物体运动的原因”，他认为物体只有在外力推动下才运动，外力停止，运动也就停止。这种说法从公元前四世纪诞生一直到公元后十六世纪近两千年的时间都没有人质疑。另外，亚里士多德认为较重物体的下落速度会比较轻物体的快，因为“将一块石头跟一根羽毛同时从高处抛下，石头总是比羽毛先落地”。亚里士多德认为，四因有其自然位置：火向上运动，地向下运动，它们在到达其自然位置后归于静止。它们的本性要求它们这样运动。亚里士多德对空间也做了很多的思考与论证,最后他得出了自己的核心思想,位置所处（空间）不在事物之外存在,事物之外的位置所处（空间）只是有运动的事物的几何和测量的维度。所以，在亚里士多德看来，谈论宇宙的位置处所（空间）是毫无意义的。亚里士多德的空间概念绝不是牛顿的空间概念，它不是一个物体可在其中运动的空匣子。在亚里士多德看来，事物和它的外围界限是合为一体的。物体本身的属性决定着周围世界的几何属性。所以几何是不可能同物体实际分开的。物理上的位置处所是由思想确定的。是包围着该事物的，对该事物进行测量的场所中的一个点，这个场所本身什么都不是，不可能独立存在。所以《希腊人的物理世界》一书的作者说：“亚里士多德在构造他的空间概念时把几何同事物结合在一起的做法与广义相对论不无相似之处。亚里士多德对速度的一个观点是，运动的速度一定是运动物体的动力和它通过介质时的阻力的比例关系。“运动的速度受到所通过介质的差异和影响。”他认为，这由于“介质”对运动物体的妨碍作用，如果物体同介质作相反的运动，妨碍作用最大。静止时，妨碍作用次之。另外，不易被分开的介质，即比较致密的事物妨碍作用也比较大，为此，他还推出一个公式。他的另一个观点是，在其他条件相同的情况下，运动物体的重量与物体的运动速度成正比：“较大的动势——重的向下，轻的向上——的物体（假设结构上的其他方面相同）通过同一距离的速度也比较大，并且它们的速度的比等于这些物体的重量之比，这里涉及落体运动问题。亚里士多德认为，落体越重，通过同一介质内的同一距离所用的时间越少。因此，这是物体的重量等于下降的力。他对运动的基本主张是：没有无运动的时间。在时间上，运动是永存的。就事物的运动来看，不存在自动的运动。任何运动都必有动力来源，有推动者。所以运动是一个推一个的运动链。既然运动是链，无穷倒退又是荒谬的，所以必有一个推动者。它自身不动，它是一切运动的来源。在空间圆周运动中，只有天体的圆周运动是永恒的，自然同一的，它是一切运动之源。纵观亚里士多德的运动观，我们发现其大多都是错误的，但科学就是这样，科学的发展就是一个不断纠错的过程，且当时的技术与思想的落后，根据生活经验提出观点也应当是无可厚非的。亚里士多德是伟大的，他的许多成就都为世人所传唱，同时大家也牢牢的记住了他所犯的错误。对他在物理学和自然科学发展中的作用和影响以及其局限性，应进行历史的分析。对物理学的发展来说，亚里士多德初步提出以物质独立的自然学科，重视对近身事物的具体观察，强调思维逻辑的作用，首先引用运动及其与时间、空间、与周围物体的关系及物质本原为研究对象以形成一门用数学方法考察具体物理定律，从而引起众多的讨论与研究等等；这些都在一定程度上为欧洲文艺复兴以后物理科学在实验基础上的奠定起了某些先导的作用。这一成就不应被抹杀。1.2伽利略对经典力学的贡献伽利略（GailileoGalilei）对经典力学的贡献的精髓，几乎都是建立在对亚里士多德错误观点批判的基础之上的。他把物理学牢固地建立在观察与实验的基础上，恢复与发展了亚里士多德重视逻辑推理和运用数学工具的传统以后，物理学在西欧的社会生产力蓬勃发展的条件下得到了迅速的发展。伽利略抛弃了亚里士多把运动分为自然运动和强迫运动的观点，采用数学方法来定量地分析运动，对位移、距离和时间的概念给予确切的数学表达形式，运用笛卡儿创立的坐标系来定量的描述运动，认为应该依据运动的基本特征量速度对运动进行分类，由此，把运动分为匀速运动和变速运动两种，并引入加速度的概念。伽利略首先运用从一个理想实验得出的佯缪入手，对亚里士多德落体学说提出了反驳。根据亚里士多德的论断，一块大石头的下落速度要比一块小石头的下落速度大。假定大石头的下落速度为8，小石头的下落速度为4，当我们把两块石头拴在一起时，下落快的会被下落慢的拖着而减慢，下落慢的会被下落快的拖着而加快，结果整个系统的下落速度应该小于8。但是两块石头拴在一起，加起来比大石头还要重，因此重物体的下落速度比轻物体都小。这样，就从重物体比轻物体下落得快的假设，推出了重物体比轻物体下落得慢的结论，从而在逻辑上证明了亚里士多德的学说是错误的。伽利略著名的斜面实验检验自由落体运动符合他所提出的匀加速运动的定义。自由落体下落的时间太短，当时用实验直接验证自由落体是匀加速运动仍有困难，伽利略采用了间接验证的方法，他让一个铜球从阻力很小的斜面上滚下，做了上百次的实验，小球在斜面上运动的加速度要比它竖直下落时的加速度小得多，所以时间容易测量些。实验结果表明，光滑斜面的倾角保持不变，从不同位置让小球滚下，小球通过的位移跟所用时间的平方之比是不变的即位移与时间的平方呈正比。由此证明了小球沿光滑斜面向下的运动是匀变速直线运动，换用不同质量的小球重复上述实验，位移跟所用时间的平方的比值仍不变，这说明不同质量的小球沿同一倾角的斜面所做的匀变速直线运动的情况是相同的，即加速度与物体的重量无关。伽利略从单摆实验和对接斜面的理想实验中，提出了惯性的概念。根据亚里士多德的物理学，保持物体匀速运动的力是持久的。但是，伽利略从小球在水平面上运动的实验推测，如果没有摩擦力等阻力的作用，小球将保持匀速运动，发现了初步的惯性定律。伽利略把观察和实验作为科学研究的坚实基础。他在研究工作中，采取了下面一个对近代科学发展很有效的研究方法：对现象的一般观察→提出工作假想→运用数学和逻辑的手段得出特殊结论→通过物理的或理想的实验对推论进行验证→对假设进行修正和推广。伽利略所创设的实验方法、严格的逻辑与数学推理方法，对后世新科学思想的发展有着深刻的影响。1.3牛顿的经典力学体系——经典力学大厦的构成牛顿作为经典力学的创设者，他自称“自己是站在了巨人的肩上”，牛顿三大力学定律以及万有引力定律的问世，标志着经典力学的大厦已经完全构成。牛顿第一定律（惯性定律），“物体在不受外力或所受外力之和为零时总保持静止或匀速直线运动状态”，看似简单的一段话，其产生却经历了一个曲折的过程。亚里士多德“力是维持物体运动的原因”是最早关于力和运动的描述，之后伽利略通过磨擦力的提出纠正了这一错误观点，指出“力不是维持物体运动之原因，而是改变物体运动状态之原因”，牛顿在此基础之上，进一步地总结概括，得出了牛顿第一定律，不能否认是科学史上的一大进步和成就。从牛顿第一定律我们可以看到，力是改变物体运动状态的根源，物体本来的运动状态是和谐的，要么静止，要么保持匀速运动状态，是力改变了物体本来的运动状态，致使我们现在物质世界的运动形式复杂多变。不得不说，牛顿第一定律是对力和运动关系最为科学的揭示。牛顿第二定律进一步将动力学理论做了推进，“物体的加速度跟所受合力成正比，跟其质量成反比，即：（1）在揭示动力学规律这一方面，或许我们可以将牛顿第二定律表述为“物体所受合外力等于其动量对时间的变化率，即：（2）（2）式在表现动力学规律方面或许更为直观，因为动量（P）是描述运动学的物理量，而合外力（F）是力学的一个基本量，将力学与运动学联系起来，此公式达到了近乎完美的境地。牛顿第三定律所揭示的，是自然界最为平常的“相互作用力”，力既是物体间的一种相互作用，那么势必就有“作用力”与“反作用力”，在揭示力“是物体间的一种相互作用”这一规律上，其既简单又具体。在中学阶段，我们简单地说“力是物体间的一种相互作用”或许对于刚要入门的中学生来说要理解其要义并非易事，但只要说出作用力与反作用力，学生的脑子里一下子就有了具体而实在的东西，因此，牛顿第三定律无疑是整个力学的基础。说起牛顿，我们自然不能忘了其“万有引力定律”，从苹果落地到万有引力定律的提出，牛顿的一生不可谓不是传奇。万有引力定律揭示了自然界一种最为基本的相互作用，即其指出：自然界的一切物体之间都存在着相互吸引之作用，引力大小遵从平方反比律。即:（3）我们说万有引力定律的提出本身是一种伟大，是因为它让我们认识到，我们生活在这个宇宙之中，并不是独立的，而是互相发生着作用，而我们之所以意识不到这种作用，是因为引力之大小本身是由质量之大小决定的，这就是：地月系之中，月球虽大但其仍围绕着地球运动，太阳系之中，诸行星围绕太阳运动而不会逃逸，而我们却怎么也无法将一个轻小物体吸引住的根源。经典力学的产生与发展，无疑推动了人类文明的进程。从亚里士多德到伽利略，从伽利略到牛顿，每一位科学家的诞生与陨落，都是自然科学史上的一次“风暴”，其对科学的贡献，我们应铭记之。2.经典电动力学的发展与主要理论2.1早期的静电学与静磁学理论由于电磁现象本身比较抽象，早期人类对电磁现象的认识，总是将其区别开来，即最初人类认为电现象与磁现象是互无关系的。人类最先对电现象的认识，莫过于发现了静电荷的“同性相斥，异性相吸”的基本规律。从摩擦起电到此规律的发现，全然是对实践的总结。直到库仑定律的提出，对电现象的认识才介入到了理论的阶段。库仑定律本身具有与牛顿的万有引力定律相同的数学形式，两定律所不同的，是万有引力定律中的“力”是引力，而库仑定律中的“力”既有引力又有斥力。两定律均具有平方反比的形式，正说明了物理规律的数学美。（4）对静电学具有全面认识的，或者说打开静电学理论大门的，是静电场的高斯（Gauss）定理。下面我们就来具体认识一下高斯定理。（5）或（6）上式便是高斯定理的数学形式。用物理语言来描述，便是“空间闭合区域里的电通量是该区域内包含电荷的代数和”，高斯定理揭示了“电荷是电场的源，即电场由电荷激发产生”。高斯定理在揭示电场的有源性这一方面，无疑是一个伟大的成就。在静电学理论中，其重要性不亚于高斯定理的一个理论，应是静电势的拉普拉斯（Laplace）方程。（7）式中为静电势，它是一个标量函数，拉普拉斯方程揭示了静电场的无旋性，至此，静电场的基本规律已全部把握，即人们得出：静电场是一个有源无旋场。由于静磁场与静电场规律的相似性，人们同样得出了静磁场的相关方程，这里不再赘述。值得注意的是，静磁场是一个“有旋无源场”。2.2从奥斯特到法拉第——人类将电磁现象联系起来了最初的人们，认为电磁现象是毫无关系的，是彼此孤立的的两类现象。直到奥斯特发现了电流的磁效应，人们才初步认识到电、磁原来是可以相互感生的。奥斯特为证实自己的发现，做了大量的实验。他将一个小磁针置于通电导线附近，发现了小磁针的偏转，由此他断定，电磁现象之间是有联系的。后来人们进一步证实了他的观点。进一步揭示电磁现象之间联系规律的，是法拉第（Faraday），法拉第是一位伟大的科学家，他发现的电磁感应定律是电动力学史上料不起的成就。下面我们来共同看看其发现过程。在法拉第发现电磁感应现象之前，他也有着许多的错误的指导思想。法拉第就曾经这样认为：既然磁铁可以使邻居的铁矿感应上磁，静电荷也可以使临近的导体中感应出电荷，那么电流也可以使临近的线圈中感应出电流。虽然这种指导思想的错误，但是他本着磁能生电的信念，在他发现电磁感应现象的六年前的日记中就写下了他伟大光辉的思想：“磁能转化电”。并且开始使用了“感应”这个词。科学实验总是这样，只有经历了无数次的失败才能换来最后的成功。法拉第在经历了多次失败之后，不断改进实验思想跟实验设施，终于得出了惊世骇俗的电磁感应定律，用数学公式可表示为：（8）或（9）即：“感应电动势的大小等于磁通量对时间的变化率。”电磁感应定律的发现，彻底开启了将电磁现象联系起来的的大门。也为后来经典麦克斯韦（Maxwell）理论的创设奠定了基础。2.3麦克斯韦方程组——经典电动力学的骨架麦克斯韦（Maxwell）经典的电磁理论，基本涵盖了整个电动力学的全部内容，他将所有的电磁学规律用简单的几个数学方程来表示，既对称又美观，那么，我们就来具体了解一下麦克斯韦方程建立的过程。2.3.1位移电流的提出——变化的电场激发磁场由法拉第电磁感应定律我们知道，变化的磁场可以激发电场，那么变化的电场能否激发磁场呢？答案是肯定的，这便是麦克斯韦的位移电流假说。在恒定电流中我们知道，电位移矢量的散度是等于零的，即电流恒定分布于闭合回路之中，只要电路一断开，电流分布马上消失，这是我们熟知的事实。（10）但对于交变电流，我们据电荷守恒定律，很容易得到：

（11）（11）式试电荷守恒定律的微分形式，是一般普遍的规律，对于恒定电流情况，也同样适用。根据磁场相关理论，我们又知道：（12）两边取散度，得到：（13）（13）式与电荷守恒定律发生矛盾，即其只有在恒定电流之情况下才成立，那么，谁对谁错？当然是电荷守恒定律正确了，那么，我们就需要对（12）式进行改进。麦克斯韦假定，两带电机极板间存在着“位移电流”,它和电流一起构成闭合回路，既满足：（14）并假设和一样产生磁效应，则（12）式可修正为：

（15）此式两边再取散度，都等于零，理论上不再有矛盾。再根据相关理论，我们就可以得到位移电流的表达式为：

（16）（16）式的正确性已由无数的实验事实所证实，已成为经典电磁场的基本理论。2.3.2麦克斯韦方程组至此，我们已基本构建了经典电磁理论的基本框架，麦克斯韦总结概括了相关理论，得出了麦克斯韦方程组。微分形式： （17）积分形式：（18）上式便是麦克斯韦（Maxwell）方程组的微分与积分形式，乃经典电动力学理论的核心部分。麦克斯韦方程组的建立，也就标志着经典电动力学理论的完成。3.经典热力学与统计物理的产生与发展经典热力学的发展历是人类对热的本质及能量转换规律的认识、掌握和运用的历史。经典热力学是以实验为基础的唯象的宏观理论，具有高度的可靠性和普遍性。它研究的内容决定物理、化学反应进行的方向和限度，对于化工生产的发展意义重大。经典统计物理理论则是人类研究微观粒子的一般理论，从玻尔兹曼（Boltsman）统计到玻色（Bose）费米（Fermi）统计，是人类对微观世界认识不断深入的体现。自从学习了统计物理的相关理论后，我们知道：定域系统和满足经典极限条件的玻色费米系统，均服从玻尔兹曼的统计规律，因此说，玻尔兹曼统计是整个统计物理学的基础。在这部分，我将分别就热力学与统计物理学的相关知识加以简要介绍。3.1热力学的萌芽与发展热现象是人类最早接触到的自然现象之一。人类在远古时代就有冷热差别的概念，并且知道如何利用摩擦、燃烧、爆炸等热现象，来达到生产和生活的目的。例如，中国古代燧人氏的钻，炼金术和炼丹术，火药的发明，以及早期的爆竹、火铳等。大约在公元前300年，战国时代的驺衍提出五行说，认为天地之间都是由水、火、土、金和木组成。其中火与热有紧密的联系。这个学说与古希腊的四元素说很相似。四元素说是纪元前500年赫喇利突（Heraclitus）提出的。他认为火是一种元素，它和水、土、气一起是自然界的4种独立的元素。整个自然界由这四种元素组成。18世纪以前，这类“热质说”，即认为热也是一种物质组成元素的说法，是占据主导地位的。当时古希腊的另一种学说热的运动说或能量说，是根据摩擦生热的现象提出来的，它与“热质说”相对立。它认为火是一种运动的表现形式，见于柏拉图的“对话”。这个学说埋没了约二千年之久，到十七世纪，当实验科学开始发展时期，得到了一些哲学家和科学家的支持，其中表达的特别明确的是培根，他根据摩擦生热现象认为热是物体微小粒子的运动。因当时科学发展落后，这两个学说到底哪一个是正确的，暂时还不能作出论断。这一时期人们对热现象还没有任何实质性的解释。人们对热现象及热的本质认识，经历了一个漫长而曲折的探索过程。3.1.1人类早期对热的认识——热质说与热的运动说温度的定量测定，对于热现象的研究是至关重要的。在17世纪，虽然有些科学家对温度的测定及温标的建立，做出了不同程度的贡献，提供了有益的经验和教训。但是，由于没有共同的测温基准，没有一致的分度规则，缺乏测温物质的测温特性资料，以及没有正确的理论指导，因此，在整个17世纪中，并没有制作出复现性好、可供正确测量的温度计及温标。在18世纪，“测温学”有较大的突破。其中最有价值的是，1714年法伦海脱所建立的华氏温标，以及1742年摄尔修斯所建立的摄氏温标（即百分温标）。18世纪，勃拉克借助于温度计的使用，把热量和温度这两个基本概念做出明确的区分。但是上述工作并没有解决热的本质是什么的疑问。随着热学的发展，人们开始提出热的本质是什么。关于这个问题，历来有两种不同的观点。一种是热的物质说，另一种是热的运动说。主张热的运动说的人认为，热是物质粒子的运动;主张热质说的人认为，热是一种特殊形态的没有重量的“物质”，当热质进入物质后物体会变热。当时人们对自然的认识还是“实物粒子”的图景，因此热质说很容易被人们接受。18世纪，热质说在法国很流行，得到了当时众多名人的支持。例如，拉瓦锡、傅里叶、拉普拉斯等。但是在同时代的欧洲，英国的波义耳、牛顿及洛克等著名学者则支持热的运动说。俄国的罗蒙诺索夫讨论冷热原因的论文中，比较详细地阐述了热的运动学说，认为热是分子运动的表现。1798年，伦福特的著名的炮筒镗孔摩擦生热的实验用实验结果直接驳斥了“热质说”，同年他发表了一篇论文，说明制造枪炮时能不断地产生温度很高的切削碎片，表明热能够不断地产生出来，或者说热可以从机械能转化得到。他还把金属浸在水中钻孔，机械摩擦产生的热可以使水沸腾。伦福特甚至估计出产生1cal热时需要5.5J的机械能。因此他认为热不可能是一种物质而只能是一种运动。1799年，戴维进一步用实验支持热的运动说。他的冰块摩擦融化实验无法用热质说解释，从而有力地批驳了“热质说”。热运动说和热质说这两种观点经历了相互更替的曲折的历史演变，热究竟是在各个物体之间流动的一种不可摧毁的物质，还是微观运动的一种表现形式。直到19世纪中叶，焦耳计算出热功当量的数值并公布了他的研究结果，此时能量守恒定律才得以真正确立。相应地，热质说也就完全退出了科学的历史舞台。这时关于热的本质才得出了明确的具体的结论:热是微观运动和能量的一种表现形式，并且和能量的其他形式之间可以相互转化。3.1.2热力学第一定律建立与内容早在1842年初格罗夫就已经从基本的自然现象及其相互作用中，清楚地认识到他们之间转化和守恒的关系，并独立提出存在“当量”关系。只是他预见到建立当量关系在实验上存在的巨大困难，因此他并未找出其定量的数值。丹麦工程师科尔丁受到莫斯特的电转化为磁实验的启发，对机械功与热的相互转化问题进行测量与计算。1843年他向哥本哈根科学院提交了一份实验报告，阐述了他的能量转化守恒思想，并演示他的测定热功当量的实验。他的能量守恒思想比起同时代的其他研究者来说，带有幻想色彩。上面提到的这些能量守恒定律的早期探索者大多是由于主客观条件的限制，从各种基本自然现象及其相互关系的定性观察和思考中，发展了能量守恒思想。他们之中，也曾有人做过个别的单项实验，有的则是运用已有的发现进行推理和计算，但都没有得出比较明确的具体的结果，只能说是各自孤立地做过一些有益的尝试与探索。因此，他们的工作可以说是对于能量守恒定律的发现铺垫道路。对与能量守恒定律做出关键性贡献的人是迈尔与焦耳。迈尔首次发表论文阐述了能量守恒定律的内容，他的论文的主导思想是:果必有因，因必有果，因与果是等当的。但是他的论文当时并没有引起物理学界的重视。能量守恒定律得到物理学界公认是在焦耳的实验工作发表以后。焦耳在证明热功当量的工作过程中，做过多种实验。他的各种精确实验结果的一致性，给予能量转化和守恒定律以无可辩驳的坚实基础，这个时候可以认为热力学第一定律已经完全建立了。热力学第一定律也称为能量守恒定律，即：能量既不能创生，也不能消灭，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在这些过程中，其总量保持不变。用数学公式可表示为：（19）即物体内能的增量等于从外界吸收的热量与对外做功的代数和。3.1.3热力学第二定律的建立与内容18世纪下半叶，瓦特发明了蒸汽机。蒸汽机在工业上的广泛使用，促进了工业的发展，同时推动了整个欧洲的工业革命。工业界对热机效率改进的追求也浮出水面。在这种大背景下，研究热机最大效率的工作已经显得十分必要了。1824年，卡诺发表了他一生中唯一的一篇不朽的著作《关于热动力以及热动力机的考察》，系统地探讨了热机工作的本质，在理论上阐明了提高热机效率的根本途径。他用错误的“热质说”论据得出了正确的卡诺定理。指出了热功转换的条件及热效率的最高理论限度，为热力学第二定律的建立奠定了基础。卡诺去世后第二年，克拉珀珑发现并阅读了卡诺的著作，认识到这一工作的重要性。1834年克拉珀珑发表了《关于热动力备忘录》，转述并总结了卡诺的主要工作，并对卡诺循环进行了描述。克拉珀珑的论文后来被开尔文看到。1850年克劳修斯在克拉珀珑和开尔文的基础上把卡诺循环推广到任意循环过程。克劳修斯和开尔文分别在1850年和1851年发表了各自对热力学第二定律的表述，至此，热力学第二定律已经基本建立了。热力学第二定律指出了自然界一切自发热运动过程的方向性，即，一切自发的热运动过程，总是朝着熵增加的方向进行的，若将宇宙视为一个孤立系统，则其熵总是在不断增加，宇宙最终的状态，应是一个平衡态，届时，其熵达到了极大值。热力学第二定律有两种经典的表述，一种是开尔文表述：不可能从单一热源吸热使之全部变成有用的功而不引起其他变化。另一种是克劳修斯表述：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。两种表述完全等价，统一于熵增加原理。3.1.4热力学第三定律的建立热力学第一、二定律产生于物理学，也只能产生于物理学。但是，在当时的背景下热力学第三定律却产生于化学，确切地说产生于物理化学中的热化学，但这并不是偶然的。因为只有在热化学的实验和理论发展到认识了化学反应中自由能和总能并不相等，并且它们随温度的变化趋向在接近绝对零度时趋于相等并能确定积分常数时，才可能作为一个假设提出来。热力学第三定律是阐述在绝对零度及其附近时物质的热力学及与之有关的性质和基本规律。德国化学家霍尔斯特曼开创了用热力学第二定律处理化学反应的先河，他在1869—1873年间明确地用计算成功证明了热力学在化学反应中的作用。1848年6月5日，开耳芬勋爵在剑桥大学哲学学会的议事录上发表了《在卡诺热动力理论基