物理思想史与方法论

物理思想史与方法论第一页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日热学作为一门单独的学科，系统地进行研究，是从18世纪开始的。18世纪由于资本主义在欧洲的不断发展，迎来了生产的大革命，纺织工业、冶金、采矿、化工部门陆续实现了机械化，生产的机械化提出了对动力机械的需要。第二页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日以前笨重的受地域限制的水力机已经远不能满足要求，因此导致了蒸汽机的发明。由于蒸汽机的发明和不断改善，以及化学、化工等方面的工作，促进了对热现象的进一步研究。因此，在18世纪，热学就逐渐成为物理学中一个新的分支。第三页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日热学按其研究方法，分为宏观理论——热力学，它是以三条或四条基本定律(即热力学第一、二、三或加上第零定律)为其核心的；以及微观理论——统计物理，它是从分子、原子运动论出发，用统计求平均的方法来研究热学的。第四页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日热学的诞生与发展，充分地体现了理论来源于实践，又反过来作用于实践这一认识论的真谛。热机的发明与改进、冶金、化工、低温技术，推动了热学的产生与发展。而热学理论反过来给热机的改进，给冶金、化工、低温技术以巨大的影响。第五页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日用蒸汽作为动力，可追溯到公元前130年，埃及人希罗(Heron)就制造了一种按照喷射反冲作用而旋转的蒸汽玩具。它是后来的水磨和现代涡轮机的始祖。2.1.1蒸汽机的发明与改进

2.1热现象的早期研究第六页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日

第一个活塞式蒸汽机是1695年法国人巴本(PenisPapin,1647－1714年）在德国发明的。他曾是荷兰物理学家惠更斯(ChristianHaygens,1629－1695年)的学生和助手。巴本的蒸汽机实际是一根5/2寸的管子，靠加热管中的水产生蒸汽推动活塞向上运动，然后移去热源，蒸汽冷凝，形成真空，使活塞向下运动。第七页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1698年英国矿山技师托马斯·塞维里(ThomasSaveny,1650－1715）制造了一个蒸汽水泵。这是一个用人工操作，靠冷凝器冷却蒸汽而形成的真空，将水吸上来，再用蒸汽压力把水排出去的简单装置。

第八页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日英国铁匠托马斯·纽科门(ThomasNewcomen,1663－1729）综合了巴本与塞维里设计的优点，于1712年发明了自己的“空气”蒸汽机，纽科门机结构的特点是借一根横杆，一头联着活塞，另一头联着排水泵。纽科门机效率不高（不到1％），只能作往复运动。但它对开发当时英国的矿业资源起了重要作用。第九页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日真正具有巨大工业效益的蒸汽机是英国格拉斯哥大学的仪器修理工瓦特(JamesWatt,1736—1819）研制的。瓦特革新蒸汽机，是与当时萌芽的热学理论分不开的。第十页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日他分析纽科门机热效率低的原因时，在量热学的奠基者之一布莱克(J·Black,1728－1799)(与瓦特在同一所大学的化学教授）的帮助下，得出了每一冲程都用冷水将汽缸冷却一次，是造成纽科门机热效率低的主要原因的结论，从而导致1765年分离冷凝器的研制，使热机的效率提高到3％。第十一页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1781年发明了将往复运动转变为旋转运动的装置；1782年将蒸汽机由单动改变为双动；在活塞运动的后半冲程停止输进蒸汽，靠汽缸中蒸汽的膨胀来作功。第十二页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1787年又安装了离心式调速器，使发动机速度相对稳定。从而使蒸汽机达到了近代的水平。很快，蒸汽机就被广泛地应用到纺织工业、轮船、火车等工业部门。蒸汽机的研制与改进除了技术上的要求外，还涉及到热学问题，如有关热机效率的提高，热和功之间的关系的研究等。因而对热学的发展起了极大的推动作用。第十三页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日在热现象的定量研究中，首先遇到的问题是确定物体的冷热程度，即测量物体的温度。温度计的制作和改进，促使了对于冰和其他一些物质的溶解和凝固温度、沸腾温度的研究，这导致关于冰和其它物质的一些溶解和凝固温度在一定条件下恒定不变的事实的确定。促进了对一些物质(如对水银、酒精、气体等）热膨胀规律的研究。2.1.1计温学的发展第十四页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日早在1593年，伽利略(GalileoGalilei,1564－1642）就制成了一个类似温度计的装置(一个连结在玻璃球容器上的开口管子，管子开口端插入水中)，但它不能给出定量的测量。第十五页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日雷纳尔金于1694年建议把水的冰点和沸点作为温度计的固定点。1703年，牛顿把雪的熔点定为自己的亚麻子油温度计的零度，而把人体的温度作为另一个恒温点12度。第十六页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日第一只实用的温度计是荷兰的吹玻璃工匠华伦海特(G·D·Fahrenheit,1686－1736）制作的，1709年选用酒精作测温质，1914年以后又用水银作测温质。他把冰水、氨水和盐的混合物的温度定为0ºF，冰的溶点定为32ºF

，人体的温度定为98ºF

，1724年以后，他又将水的沸点定为212ºF

。这就是华氏温标。第十七页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日法国的博物学家列奥末尔(Reaumur,1683－1757)只取一个定点，即雪的熔点为00R，而把酒精(浓度为80％)体积改变的温度变化作为800R。这样水的沸点就为10R，这就是所谓列氏温标。第十八页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1742年瑞典物理学家摄尔修斯(A·Celsins,1701－1744)定水的沸点为0℃，冰的熔点为100℃，创立了百分温标。八年后，摄尔修斯的同事施勒默尔(Stromer·M)把两个固定点倒过来，定水的沸点为100℃，冰的熔点为0℃。这就是现在国际通用的摄氏温标。第十九页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日量热学首先是从确定两个不同温度的物体混合后的温度开始的。在十八世纪前半期，人们对温度和热量这两个概念还没有搞清楚。2.1.3量热学的开始第二十页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日因此，当时用实验测量的是温度还是热量也是含混不清的。如荷兰物理学家波尔哈夫(Boerhaavt,1668－1738)就认为一定量的物体，温度每升高一度都应该吸收同样数量的热量。彼得堡科学院院士李赫曼(Puxmah·Г·B1711－1753）于1744年提出：热量按照体积均匀分配(后来有人提出热量按质量均匀分配），(后来有人提出热量按质量均匀分配)引入了量热学方程：第二十一页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日t1、t2是二物体初始温度，t是二物体混合后的温度。式中：(2.1)第二十二页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1757年前后，英国化学家布莱克(JosephBlack,1728-1799)重审了波尔哈夫等人的工作，指出波尔哈夫等人“把不同物体中的热的量同它们的强度混淆起来”，他主张将热量和温度这两个概念分别称为“热的量”和“热的强度”，并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”。第二十三页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日布莱克第一个把“温度”和“热量”这两个概念区分开来，这是热学发展初期中的一大突破。后来布莱克的学生伊尔文引入了“热容量”这一概念。1784年伽托林又引进“比热”的概念。第二十四页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日布莱克等在研究冰的熔解过程中，发现并提出了“潜热”的概念。第二十五页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日这样到十八世纪80年代，量热学的一系列基本概念——温度、热量、热容量、潜热等皆已形成，并设计了一套测定这些物理量的实验方法。第二十六页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日关于传热现象的第一个定律是牛顿发现的冷却定律，即(2.2)2.1.4热的传导的研究第二十七页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日

－dQ是物体单位表面上在时间dt内所失去的热量、T为物体在t时刻的温度、T0为周围介质的温度、λ为某一系数。式中：第二十八页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日随着量热学的发展，热传导的理论也得到了发展。1822年法国数学家傅里叶(Fowrier·J·B·J,1768－1830）出版了著名的《热的分析理论》一书，详细研究了在介质中热流的传播问题。第二十九页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日关于热传导（“内部热传导”），傅里叶给出了一个经验定律：在时间t内沿x方向通过厚为dx层的介质，传导的热流量Q，正比于介质层的温度差dT和层的面积S，反比于厚度dx即：(2.3)第三十页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日

ｋ为依赖于导热物质性质的导热系数。傅里叶将上式运用于热物质的无限小体积元，从而导出著名的热传导方程：(2.4)式中：第三十一页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日

为与导热率λ、质量密度ρ及定体比热cv有关的常数。式中：第三十二页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日在热学发展过程中，“热究竟是什么？”，自古以来就有两种不同的看法：2.1.5关于热的本质的学说第三十三页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日第一种认为热是一种运动，是物质粒子的内部运动。即“热动说”。象17世纪有培根(Bacon.F,1561－1626)。他从摩擦生热等现象中得出“热是一种膨胀的、被约束的、而在其斗争中作用于物体的较小粒子之上的运动”；笛卡儿(escartes.R.D,1596－1650)把热看作是物质粒子的一种旋转运动；第三十四页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日胡克(Hooke.R,1635－1703)用显微镜观察了火花，认为热“是一个物体的各部分的非常活跃和极其猛烈的运动”；牛顿指出物体的粒子“因运动而发热”；持类似观点的还有阿蒙顿(Amontons.G,1663－1705），18世纪则有伯努利(Bernoulli.D,1700－1782)和罗蒙诺索夫(nOMOHOCOB.M.B,1711－1765)等人。第三十五页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日第二种认为热是一种物质，即“热质说”。热质说的渊源可以追索到古希腊的德谟克里特(Democritus,公元前460－前371)和伊壁鸠鲁（Epicurus,公元前347－前270）以及卢克莱修(Lucritins,公元前99－前55）的著作中，17世纪又得到哲学家伽桑狄(Pierre.Gassendi,1592－1655)的支持。第三十六页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日施塔耳(Stahl.G.E.,1660－1734)提出“燃素”说，更促进了这一学说的发展。18世纪提出热质、光以太、两种电流素、两种磁流质……等，并为人们普遍地接受。第三十七页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日“热质说”能简易地解释当时发现的大部分热学现象：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；对流是载有热质的物体的流动；辐射是热质的传播；物体受热膨胀是热质粒子间的相互排斥；物质状态变化时的“潜热”是物质与热质发生“化学反应”的结果；摩擦或碰撞的生热现象是由于“潜热”被挤压出来以及物质的比热变小的结果等等。第三十八页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日而用热的运动说去解释这些现象反而显得较复杂。特别是18世纪首先发展起来的量热学在量热过程中不发生热能与其他形式的能量间的相互转换，将热视为一种守恒的物质是很自然的。第三十九页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日在热质观点的指导下，热学研究取得了很大的成功。化学家布莱克、拉瓦锡(Lavoisier.A.L,1743－1794)、拉普拉斯(MoleLaplace.P.S,1749－1827)创立的量热学就是建立在热质说基础上的，傅里叶的热传导理论和卡诺(S.Cannot,1791－1832)关于热机的定理也都是基于热质说而得出的。

第四十页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日但是，在18世纪末，热质说受到了严重的挑战。1798年，美国物理学家本杰明·汤姆逊(BenjaminThamoson,即伦福德伯爵，1753－1814)在德国进行炮膛钻孔时，进行了一系列实验：比较了钻孔前后金属和碎屑的比热，发现钻磨不会改变金属的比热。第四十一页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日他还用很钝的钻头钻炮筒，半小时后炮筒从60°Ｆ升温到130°Ｆ，金属碎屑只有50多克，只相当于炮筒质量的1/948，这部分碎屑能够放出这么大的“潜热”吗？伦福德在笔记中写道：“在这些实验中被激发出来的热，除了把它看作是‘运动’以外，似乎很难把它看作为其他任何东西。”第四十二页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1789年，英国科学家戴维(Davy.H,1778－1829)进行了这样的实验：在一个同周围环境隔离开来的真空容器里，使两块冰互相摩擦而融解为水。在这里，“热质守恒”的关系不再成立了，戴维由此断言：“热质是不存在的。”第四十三页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日伦福德和戴维的实验无可辨驳，但并未能结束热质说的历史，直到19世纪40－50年代，能量守恒及转换定律的确定，才使人们彻底地抛弃了热质说。第四十四页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日英国物理学家罗伯特·波义耳(Boyle.Robert,1627－1691)是最先开展气体力学研究的人之一。2.1.6气体定律的研究第四十五页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1662年为回答关于大气压强的质疑，他作了关于封闭于Ｕ形管中之空气能承受多高的水银柱的实验，发现了气体的体积与压强成反比的规律。1676年法国物理学家埃德米·马略特(EdmeMariotte,1620－1684)也独立地发现了此规律。此规律是除力学运动规律之外的第一个定量的自然规律。第四十六页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1702年法国物理学家阿蒙顿(Amontons.G,1663－1705)对伽利略空气温度计实行改进，得出了气压的变化与温度变化的关系P/P0=1+at/1+at1(2.5)第四十七页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1802年法国科学家盖·吕萨克(Gay-Lussac,1778－1850)得出了气体的热膨胀系数皆相同，数值为0.00375或1/266.6。1801年道尔顿(Dalton.J,1766－1844)也作了类似的工作。这就是盖·吕萨克定律。第四十八页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日早在1787年，法国人查理(charles,1746－1823)已经提出了气体的压力和体积随温度的升高而增大和膨胀的定律。所以后人就将气体体积随温度膨胀的定律叫做查理定律。第四十九页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日盖·吕萨克将他发现的气体定律与波义耳－马略特定律结合起来，得到如下的状态方程PV/1+t=C(2.6)第五十页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日后来法国物理学家亨利·维克托·雷尼奥(HenriVictorRegnenlt,1810－1878)于1842年测得=1/273。若取T=t+273，状态方程可写作PV=RT(2.7)第五十一页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1823年法国数学家和物理学家泊松(Poisson.S.D,1781－1840)从理论上研究了绝热过程中气体的温度和密度的变化规律，这个定律由拉普拉斯写成公式PV2=C(2.8)第五十二页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日先谈热力学第一定律的建立始末。热力学第一定律是普遍的能量守恒与转换定律在涉及到热运动范围内的具体化。这个定律建立于1842-1847年之间，它开始于对物理现象之间联系的探索。它是随着能量守恒与转换定律发现的同时而被发现的。2.2热学的发展第五十三页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日它与普遍的能量守恒与转换定律有着紧密的联系，但又与之有着原则上的区别。下面我们将首先介绍能量守恒与转换定律的建立过程。再阐述热力学第一定律的提出。第五十四页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1．机械能守恒的提出

能量守恒与转化定律的确立，以定量的形式揭示了机械位移、热、电磁、光、化学乃至生命等各种运动形式之间的联系和统一，描绘出一幅自然界广泛联系的壮丽画面。这是牛顿力学建立后物理学又一次伟大的综合。2.2.1能量守恒与转化定律的诞生前提

第五十五页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日它和生物进化论、细胞学说一起，被称为19世纪中叶的“三大发现”。而关于能量守恒的思想，最初出现在机械能守恒这一观点之中。伽利略于1638年，对自由落体和物体在斜面上的运动进行了讨论：认为物体在下落过程中所达到的速度，能够使它跳回到原有的高度，但不会更高。第五十六页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1669年惠更斯提到硬体(完全弹性)碰撞中，各物体mV2之和在碰撞前后是一样的。1686年莱布尼兹从落体定律提出了“活力”的概念，并用mV2来量度，认为活力是守恒的，它等于重力与下落高度的乘积。伯努利实际上把机械能守恒运用于流体的运动。

第五十七页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日2．永动机的不可实现

在提高蒸汽机效率的研究过程中，人们发现永动机是不可能实现的，这是导致发现能量守恒定律的又一重要线索。在17、18世纪，人们曾提出过各种各样的永动机的设计方案，但每一种皆以失败而告终，以致法国科学院于1775年作出决定，声明不再审理任何有关永动机的设计方案。第五十八页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日人们慢慢悟出一条道理：永动机的设计一定违背了某条定律，而这条定律当时还未发现。正象赫姆霍兹1854年在《论自然力的相互作用》一文中所述：“…．鉴于前人试验的失败，人们…问道：如果永恒的运动(永动机)是不可能的，在各种自然力之间应该存在什么样的关系？”第五十九页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日3．功和能概念的提出

早在1686年，莱布尼兹(Leibniz,1646－1716)就从落体的重力与其高度之积的等价性提出“活力”(mV2)的概念，相当于后来的机械能。历史上第一次提出能量的概念是托马斯·杨。第六十页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日于1807年，他主要从塑性体的变形和冲击变形问题研究中，提出“能量”这个概念来表示物体的运动能力：非弹性体受打击后出现的塑性变形能力和弹性体受力后出现弯曲变形等的能力。第六十一页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日关于功的概念，则是由法国科学家彭西列(Poncelet.J·V,1792－1843)于1826年提出的，彭西列在《机器应用力学教程》中，为了表示机器工作的力与位移的关系，提出二者的乘积可以作为机器作功的量度，称之为“功”。第六十二页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1834－1835年间，英国的哈密顿(Hamilton.W·R,1805－1865)在《论力学的一般方法》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(Gauss.C.F,1777-1855)的工作使“位函数”得到了普遍的应用。这样，建立能量原理所必须的基本概念，在19世纪40年代以前已经基本具备。第六十三页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日4.各种自然现象之间普遍联系的发现

(1)电能——化学能转化关系伏打(Volta·A,1745－1827)于1800年发明伏打电堆——即将化学能转变为电能的装置。后又有人用它来电解水，发现电与化学能的定性转化关系。至1834年，法拉第(Faraday·M,1791－1867)发现了电化当量，从而发现了电与化学能的定量转化关系。第六十四页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日(2)电能与磁能的转化关系1820年奥斯特(Oersted·H·C,1771－1851)从实验中发现了电可以转化为磁后，安培(Ampere·A·M,1775－1836)于1821年进一步作了定量的研究。法拉第在这些发现的启示下，于1831年8月发现了电磁感应，10月制成了第一个感应发电机模型。

第六十五页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日(3)电能与热能，光能的转化关系1808年戴维发明电弧灯，人工实现电可持续转化为光。1821年塞贝克(See-beck·T·J,1770－1831）对温差电现象的研究。1840年焦尔(Joule·J·P,1818—1889)对电流热效应的研究等。

第六十六页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日(4)热能与机械能的转化关系1793年伦福德对大炮钻孔时，发现有大量的热产生；戴维在1799年把两块冰放在0℃以下的真空容器中，并使其互相摩擦，而使冰熔解。

第六十七页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日各种不同基本自然现象的运动能力的转化和等当关系，除去生物能外，在定性方面(有些是定量的)于19世纪40年代以前已经大体上都发现了。第六十八页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日总之到了十九世纪四十年代，从各方面来看，建立定律的条件已经具备。在1842－1847年间有十几位科学家在不同的地点，分别在思想上、计算和实验方面，不约而同地为发现能量守恒与转化定律各自作出了一定的贡献，其中以迈尔、焦尔、朗肯、赫姆霍兹、开尔文的工作最为著称。第六十九页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1.迈尔的贡献

罗伯特·迈尔(RobertMayer,1814－1878)是第一个在理论上为发现能量守恒定律做出重要贡献的人。2.2.2能量守恒定律的建立

第七十页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日迈尔出生于德国的海尔布隆(Heibroln)，他曾在杜宾根大学学习医药，毕业后一直以行医为业。第七十一页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1840年迈尔充当船医，当船从苏腊巴亚驶近爪哇时，在为海员治病的过程中，他发现患病海员的静脉血液比在欧洲时红一些。这一发现使他很惊讶，并引起他长时间的思考，终于在1841年得出较成熟的看法：他用燃烧理论解释以上现象。第七十二页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日认为食物可以转化为热，在外界温度较高条件下，机体只需要吸收食物中较少的热量，所以机体中食物的燃烧过程减弱了，因此静脉血中留下了较多的氧，促使血液的颜色发生变化。由此引起了他对物理的兴趣。第七十三页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日迈尔对发现能量守恒定律的贡献主要表现在他1842－1851年发表的四篇论文中。1842年在德国生物、化学家李比希为主编的《化学和药学》杂志上发表的《关于无机界力的评论》中，从哲学思想上提出力是运动的原因。其重要特征之一是原因与作用恒等，他称之为力的“不灭性”。第七十四页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日特征之二是原因能以不同的方式表现出来，而这些不同力的表现方式之间会相互转化。因此，他认为热是一种力，可转变为机械效应，由此得出“力是不灭的，可转变为不可称量的东西。”论文的第二部分，是论证“下落力”(即势能)和“运动”(即动能)的转化及守恒关系。在论文的第三部分，他利用当时已测定的理想气体状态方程，计算出热功当量，为365公斤米／大卡。第七十五页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1845年迈尔发表了他的第二篇论文《论与新陈代谢相联系着的有机运动》的论文。在该文中，他大大地发展了1842年的论文的深度和广度，将研究的物质运动形态，从机械运动和热运动推广到电、磁、化学作用和生物器官的作用，及它们之间的相互转化关系。第七十六页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日

对于迈尔的工作，到1858年在德国仍只被少数人赞扬。恩格斯对迈尔的工作给以很高的评价，他在《自然辩证法》一书中写道：“运动的量的不变性已经被笛卡儿指出了……但是，运动形态的转化直到1842年才发现出来，而且新的东西正是这一点，而不是量方面不变的定律。”第七十七页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日2．焦耳的贡献

焦耳是为能量守恒定律的发现奠定主要实验基础的人。他是英国曼彻斯特的一个啤酒厂的主人，是业余的科学家。

第七十八页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日在1840－1841年之间，焦耳把他的实验结果写成两篇论文：《论伏打电所生的热》和《电解时在金属导体和电池组中放出的热》。文章指出：导体中一定时间所生成的热量与导体的电阻和电流平方之积成正比。

第七十九页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1843年，焦耳在英国学术协会上，宣读了《论磁电的热效应及热的机械值》的论文，论文的第一部分是证实焦耳自己提出的一个想法：即磁式的机器所形成的电力应该具有跟来自其他电源的电流一样的热效应。第二部分是讨论机械功和生成的热量之间的关系。第八十页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日由此焦耳设计了重物落下带动磁铁两极间的铁棒旋转所产生的热量使水温升高的方法，共做了13组实验。并把结果概括为能使一磅水的温度升高华氏一度的热量，等于能把838磅举高一英尺的机械力。换成工程单位制，焦尔得出的热功当量值约为460公斤·米／千卡。第八十一页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1845年，焦耳发表了题为《论空气的扩散和压缩所引起的温度变化》的论文，研究了气体在压缩和膨胀时的热现象。并从中测出热功当量之值为438公斤·米／千卡。第八十二页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1850年焦耳又发表了一篇总结性的文章，题目是《论热功当量》。文中总结和分析了以前的工作，并给出现在教科书中所用的测定热功当量的方法。第八十三页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日焦耳关于热功当量测定的论文还有：1867年发表的《由电流的热效应测定热功当量》和1878年发表的《热功当量的新测定》等文章。最后得到的热功当量的数值是423．8公斤·米／千卡。第八十四页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日焦耳为测定热功当量之值，反复进行实验，从1840年开始到1878年止，前后大约用了近40年的时间。

第八十五页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日3．赫姆霍兹和开尔文的贡献

亥姆霍兹(HermannHelmholtz,1821－1894)1847年宣读了《论力的守恒》的论文，他在中心力的假设下，从力学定律出发全面地阐述了机械运动，给出了能量守恒和转化定律在力学中的具体的数学形式，并且也论述了热、电磁的“力”相互转化的守恒规律。

第八十六页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日开尔文(WillianThomson,1824－1907)从1851年－1856年先后发表了8篇论文，令人信服地用科学的能量概念论证了能量守恒定律的正确性，因而在国际科学界产生了深远的影响。从此以后，科学界很快承认了能量守恒定律的普遍正确性。

第八十七页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日热力学第一定律与普遍的能量守恒与转化定律有着紧密的联系，但二者又是有区别的，前者是后者的一个特殊情况。2.2.3热力学第一定律的提出

第八十八页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日热力学第一定律的提出与热功当量的测定息息相关，但前者并不是后者的逻辑推理，因为建立热力学第一定律，必须提出内能的概念。第八十九页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日热力学第一定律的建立过程，说明一个普遍物理定律的建立，绝非一二人所能做到的。需要有一批科学家，在相当的时间内，经过艰苦的努力，才能真正确立起来，也说明当客观条件成熟时，相应的自然规律就一定会被发现，至于由谁第一个发现，则并不是主要的。第九十页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日热力学第二定律是在克劳修斯、开尔文利用“热动说”批判“热质说”，重审卡诺热机理论时，于1850、1851年间发现的。2.2.3热力学第二定律的建立第九十一页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日热力学第二定律是热学所特有的一条定律，它是阐明与热现象有关的实际宏观过程进行的方向和不可逆性的。它的发现不仅大大促进了热学的发展，而且导致了现代系统论——协同论和混沌等理论的产生和发展。

第九十二页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1．卡诺的热机理论

萨迪·卡诺(SadiCarmot,1796－1834)毕业于巴黎高等工业学校，任工程师。卡诺对蒸汽机很感兴趣，认为“蒸汽机…注定要给全世界带来一场伟大的革命”。当时蒸汽机已获得不断的改进，已出现了高低压二级复合式沃尔夫蒸汽机，并获得广泛的应用。第九十三页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日但当时人们对蒸汽机的理论了解得甚少，改进蒸汽机的尝试，几乎仍靠碰运气进行。他致力于从理论上探讨提高热机的效率问题，热所产生的动力是有限的，还是无限的，即热机的效率在理论上有没有一个上限？第九十四页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日卡诺根据热质守恒思想和永动机不可能制造原理对有关热机效率的卡诺定理作出了证明。第九十五页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日卡诺的热机理论，在实践上为提高热机效率指明了方向；在理论上，包含了热力学第二定律的基本内容。恩格斯说：“他差不多已经探究到问题的底蕴。阻碍他完全解决这个问题的，并不是事实材料的不足，而只是一个先入为主的错误理论。”第九十六页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日2.克劳修斯和开尔文对热力学第二定律的研究

19世纪40年代末，能量守恒与转化定律已基本上确定，“热质说”已基本上被否定。建立在热质说基础之上的卡诺热机理论看来也需要修改。第九十七页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1850年4月12日，克劳修斯发表了《论热的动力和可由此推导热学本身的定律》的论文。他认为卡诺热机理论的结论是正确的，但依据热质说的解释是不正确的，即“热机提供的动力是热质在二热源之间的降落”的看法是不成立的。第九十八页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日他认为应修改为：由热作功的过程中，一部分热作了机械功，另一部分热通过热体向冷体传递而耗散掉。并推导出在卡诺循环中，工作物质在T1、T2温度处吸、放的热量Q1、Q2之间存在下列关系：

(2.9)第九十九页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日此为克劳修斯等式。故卡诺理想热机的效率可表为：(2.10)第一百页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日他运用理想实验的分析得出“在热产生功的过程中所消耗的热的数量正比于所产生的功的数量”的热力学第一定律一道，还应增加下述原理作为第二定律：“热量不能自动地从较冷的物体转移到较热的物体。”第一百零一页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日开尔文于1851年发表了《论热的动力理论》的论文。并以热动说取代热质说，重审卡诺的热机理论，明确地提出以下两个命题，构成全部热功动力理论的基础：第一百零二页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日“(焦尔)：当不论借助什么方法从纯粹的热源得到等量的机械效应，或有等量的机械效应变成纯粹的热效应而消失，则有等量的热不复存在或产生出来。命题Ⅰ第一百零三页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日(卡诺与克劳修斯)：如果有这样一台发动机，它运动的每一部分的物理的和机械的作用是可逆的，则它能用同一温度的热源和同一温度的冷凝器，以既定的热量产生象任何热机能产生的，同样多的机械效应。”命题Ⅱ第一百零四页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日他从第二类永动机不可能制成的事实出发，提出了热力学第二定律的开氏表述：“借助于非生物的物质机构，通过使物质的任何部分冷却到比周围物体的最低温度还要低的温度的方法而得到机械效应，是不可能的。”第一百零五页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日3．“宇宙热寂论”的提出

热力学第二定律从一个侧面表明了自然界某些局域过程的不可逆性，物质各种运动形态间存在着质的差异，物体系统的状态不是固定的、僵死的状态，而是表现出某种发展的倾向。这在物理学理论发展中是一个重大的进步。但开尔文、克劳修斯却把这个定律外推到整个宇宙，得出了宇宙“热寂”的结论。第一百零六页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日开尔文在1852年的论文《论自然界中机械散失的一般趋势》中，从他所提出的公理得出：“在自然界中占统治地位的趋向是其他能量转变为热而使处处温度趋于平衡，最终导致所有物体的工作能力减小到零，达到热死状态。”第一百零七页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日克劳修斯在1865年的题为《关于机械的热理论的第二定律》的论文中，把热的动力理论的两个基本定律概括为“宇宙的能量恒定不变”，“宇宙的熵趋于一个极大值。”他说，那时宇宙“将处于某种惰性的死寂态。”第一百零八页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日从19世纪70年代开始，“热寂说”即引发了不少著名科学家的异议，他们指出：热力学第二定律只有在一个孤立系统条件下才能成立，把在有限的时空范围内得到的原理推广到整个宇宙是很难置信的。第一百零九页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日1871年麦克斯韦指出：热力学第二定律应限定在“封闭的一个袋式系统”内。普朗克认为应限定在“系统之内的物体不发生任何变化”和“孤立的系统之内。”玻恩则认为应在“一个不透热的封闭系统”之内。故将热力学第二定律推广到无限的宇宙是不适合的。第一百一十页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日玻尔兹曼也对热质说提出质疑，他认为热力学在局部范围内是正确的，但不是绝对的规律。自然界有起伏的运动，过程会向相反方向进行，虽然这种可能性很小，但几率并不等于零。宇宙在每一次起伏后就趋向热的平衡，但新的起伏又会破坏这种平衡。第一百一十一页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日20世纪以来，天文学和天体物理学的发展说明：不论是爱因斯坦的宇宙有限无边模型，还是弗里德曼根据爱因斯坦的引力方程得出的宇宙项方程，按近几十年测定的宇宙平均密度和哈勃常数，得出的宇宙无限无边模型，都难于得出宇宙是一个孤立系统的结论。已发现的河内和河外星系之内外的能量分布并不平衡。第一百一十二页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日恒星演化晚年的超密天体，在以巨大的引力捕捉力所能及的一切物质和能量，因而呈现宇宙中存在大量的局部热不平衡区域和负熵现象。也可以说黑洞就是一个巨大的产生负熵的天然系统。反物质现象也不断有新的发现，正、反物质在宇宙中是否在量上等当的问题，已经成为正、反中微子探测与研究的重要目的之一，越来越多的宇宙奥密正待人类去探索。第一百一十三页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日因此，从极有限的实验和推理得出的热力学第二定律和熵增原理，在向宇宙范围推广时，是不合其前提条件的。“热寂说”引起学术界的争论至今，并被宗教神学所利用，这些是我们应该引以为戒的。第一百一十四页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日热力学第三定律是在现代前沿科学技术中起着重要作用的一条普遍定律，它主要涉及超低温时的情况。2.2.5热力学第三定律的建立第一百一十五页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日其表述为：不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度。或当绝对温度趋于零时，凝聚系的熵在等温过程中的改变趋于零。1912年，能斯特将之发展为热力学第三定律：不可能通过无限的范围发生的过程将物体冷却到绝对零度。第一百一十六页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日迄今超低温领域的一切实验现象皆证明热力学第三定律是正确的。热力学第三定律与量子理论处理低温比热得出的结论完全吻合。总之，关于绝对零度附近的物质的物理和化学性质都发生了突变，这些奇异的性质不但在科学研究上吸引了人们的极大注意，而且超导体和超流体材料特异性能，在技术和生产上将会带给人们想象不到的用途。第一百一十七页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日

经典统计物理学是关于热现象的微观理论，包括分子运动论和统计力学两部分。分子运动论认为物质是由大量的分子、原子组成的，它们的运动服从牛顿力学；热现象是这些分子作无规则运动的集体表现。通过对大量分子、原子的微观量求统计平均，给出宏观物理量之数值及热力学公式。统计力学的基本方法是对大量的分子、原子构成的体系形成的系综求统计平均、来确定宏观物理量和热力学规律。2.3分子运动论的发展第一百一十八页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日据古书记载，二千年前，中国古代和古代希腊已经提出物质由原子组成的假说。2.3.1早期的分子运动论思想

第一百一十九页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日在17、18世纪，出现了一些比古代原子论进一步但还只是定性的分子运动论假说。如1658年，伽桑狄(Ｐ.Gasseudi，1592－1655)以分子运动的观点解释了物质的气液固三态的区别；1678年胡克(R.Hocke，1635－1730)又以气体分子不断碰撞器壁的结果，解释了产生气体压强的来由；第一百二十页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日瑞士物理学家伯努利(D.Bernoulli,1700－1782)在1738年出版的“液体动力学”一书中，发展了这种假说，他从胡克的基本假设导出了气体压强与所占体积成反比的玻－马定律，并且根据这个推导结果指出：这个定律在必须考虑分子本身所占体积的情形下，是需要修正的；第一百二十一页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日后来俄国学者罗蒙诺索夫(M.B.ЛОМОНОСОВ1711－1765)在“关于热和冷原因的思索”(1746年)和“试拟建立空气弹力的理论”(1748年)两篇论文里他始终坚持热的根源在于运动。并在讨论气体性质时，提出气体分子运动的无规则性。第一百二十二页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日因为18世纪至19世纪四十年代，“热质说”占统治地位，关于分子运动论的早期观点并未普遍引起人们的注意，分子运动论未能取得多大的进展。第一百二十三页，共一百三十九页，编辑于2023年，星期日19世纪40－50年代