经典热力学基础.

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1、第四章 经典热力学基础 1.热学现象的初期研究 2 .热力学第一定律的建立 3 .热力学第二定律的建立 4 .低温物理学 5.分子运动论的发展 6.统计物理学的建立 7.物态 1.热学现象的初期研究 一 蒸汽机的发明 二 计温学的发展 三 量热学的建立 四 热本质的认识 1.热学现象的初期研究 一 蒸汽机的发明 1690年巴本(Frnid Papin,1647-1712,法国，惠更斯助手)首 先制成带有活塞和汽缸的实验性蒸汽机； 1.热学现象的初期研究 1705年，托马斯纽可门（Thomas Newcomen,1663-1729,英 国铁匠)在萨维里和巴本的基础上，研制了一个带有活塞的 封闭的

2、圆筒汽缸，活塞通过一杠杆和一排水泵相连。是一 个广义的把热转变为机械力的原动机，是蒸汽机最早的雏 形。并真正有效地应用于矿井排水。但活塞的每次下降都 必须将整个汽缸和活塞同时冷却，热量的损失太大。 1698年，托马斯萨维里（Thomas Savery,1650-1715,英国 军事工程师)制成一具蒸汽水泵； 萨维里的蒸汽机 托马斯纽可门的蒸汽机 1769年，詹姆斯瓦特（James Watt,1736-1819,法国， 格拉斯哥大学仪器维修工）改进了纽可门机，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。 1.热学现象的初期研究 1785年，热机被应用于纺

3、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。 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。 瓦特发明的蒸汽机 瓦特像 二 计温学的发展 （一）温度计的设计与制造 1603年，伽利略制成最早的验温计：一只颈部极细的玻璃长颈 瓶，倒置于盛水容器中，瓶中装有一半带颜色的水。随温度 变化，瓶中空气膨胀或收缩。 1.热学现象的初期研究 1659年法国天文学家伊斯梅尔博里奥(Ismael Buolliau)制造了 第一支用水银作为测温物质的温度计。

4、1650年，意大利费迪男二世(G.D.Ferdinand )用蜡封住管口 ，在瓶内装上红色的酒精，并在玻璃瓶细长颈上刻上刻度，制 成现代形式的第一支温度计。 1631年，法国化学家詹雷伊(Jean Rey,1582-1630)把伽利略 的细长颈瓶倒了过来，直接用水的体积的变化来表示冷热程度 ，但管口未密封，水不断蒸发，误差也较大。 伽利落验温计 （二）测温物质的选择和标准点的确定 1.热学现象的初期研究 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

5、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； 1.热学现象的初期研究 摄尔修斯(Anders Celsius,1701-1744,瑞典天文学家)， 用水银作为测温物质，以水的沸点为00C冰的熔点为1000C，中 间100个等分。8年后接受了同事施特默尔（M.Stromer）的建 议，把两个定点值对调过来。称为摄氏温标。至1779年全世界 共有温标19种。 列奥米尔(Reaumur,1683-1757,法国)以酒精和1/5的水的 混合物作为测温物质，1730年制作的酒精温度计，取水的冰 点为00R，使酒精体积增加1/

6、1000的温度变化作为10R，这样 水的沸点即为800R，称为列氏温标。 华伦海特(Gabriel Danile Fahrenheit，1686-1736， 德国玻璃工人，迁居荷兰)制造了第一支实用温度计：他把 冰、水、氨水和盐的混合物平衡温度定为00F，冰的熔点定 为320F，人体的温度为960F，1724年，他又把水的沸点定为 2120F。后来称其为华氏温标。 高温测量： 荷兰的马森布罗克(Musschenbrock)在1747年利用金 属杆的热胀冷缩性质制造了金属温度计； 本世纪八十年代，韦奇武德(J.Wedgwood)用耐火土块 的线度变化制成了量度炉温的高温计。 测温物质的寻找，促进

7、了对物体热膨胀的研究。 计温学的发展和完善，也进一步促进了实验热学研究 的进展。 各种温度计 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 1.热学现象的初期研究 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。 三 量热学的建立 1.不同物质放热能力

8、不同的发现：17世纪，意大利的科学家在 实验中发现，在同一温度下具有相同重量的不同液体分别与 冰混合时，冰被融化的数量是不同的，这表明不同物质的放 热能力是不同的。有人认为这种能力可能与物质密度有关， 密度越大，吸热和放热的能力越大。华伦海特通过实验发现 ：水银的的吸热能力仅仅是水的2/3，但密度却是水的十几 倍，因而否定了和密度有关的说法。 1.热学现象的初期研究 2.“潜热”的发现：1757年英国化学家布莱克(Joseph Black, 1728-1799)用320F冰与1720F同等重量的的水混合，得到平衡温 度仍为320F，而不是1020F。这说明“在冰溶解中，需要一些 为温度计所不能

9、觉察的热量。”他把这种不表现为温度升高的 热叫做“潜热”。同时还慎重提出热和温度是两个不同的概念 . 3.“热容量”及“比热”概念的提出：大约在1760年，布 莱克作了如下实验把温度为1500C的金和同重量的500C的 水相混合，它们达到平衡时的温度为550C，同重量而不 同温度的两种物质混合在一起时，它们温度的变化是不 相同。他把物质在改变相同温度时的热量变化叫做这些 物质对热的“亲和性”或“接受热的能力”。后来他的 学生伊尔文（Irvine)正式引进“热容量”的概念。 1780年，麦哲伦（Megellen)首先使用了“比热”名词 。 1.热学现象的初期研究 4.热的单位“卡”的建立：法国的

10、拉瓦锡（Lavoisier)和拉 普拉斯（Laplace)发展了布莱克的工作，把一磅水升高或降 低10C时所吸收或放出的热作为热的单位，称作“卡”。1777 年制作了“冰量热器”。 四 热本质的认识 1.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。 波义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。 1.热学现象的初期研究 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

11、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。 3.“热质说”的否定 伦福德像 1.热学现象的初期研究 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。 1799年，戴维（Humphrey Davy，1778 -1829，英国化学家）作了在真空容器中两 块冰摩擦而融化的实验。按热质说观点， 热量来自摩擦挤出的潜热而使系统的比热 变小，但实际上水的比热比冰的还要大

12、。 1798年伦福德(Count Rumford,英国) 由钻头加工炮筒时产生热的现象，得出 热是物质的一种运动形式， 一.定律诞生的背景 二.确立能量转化与守恒定律的 三位科学家 2 .热力学第一定律的建立 热 力 学 第 一 定 律 的 建 立 热 力 学 第 一 定 律 的 建 立 热和电：德国物理学家塞贝克（Thomas Johann Seebeck)于1821年实现了热向电的转化-温差电：他将铜导线 和铋导线连成一闭合回路，用手握住一个结点使两结点间产生 温差，发现导线上出现电流，冷却一个结点亦可出现电流。电 转化为热：1834年，法国的帕尔帖（Peltier)发现了它的逆效 应，即

13、当有电流通过时，结点处发生温度变化。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; 一 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。 热 力 学 第 一 定 律 的 建 立 此外1801年关于紫外线的化学作用的发现，1839年用光 照金属极板改变电池的电动势的发现；1845年光的偏振面的 磁致偏转现象的发现等等，都从不同侧面揭示了各种自然现 象之间的联系

14、和转化。 化学反应和热：1840年彼得堡科学院的黑斯（G.H.Hess) 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 卡诺像 热 力 学 第 一 定 律 的 建 立 能量转化与守恒思想的萌发 俄国的黑斯 1830年，法国萨迪卡诺：“ 准确地说，它既不会创生也不会 消灭，实际上，它只改

15、变了它的 形式。” 但卡诺患了猩红热，脑膜炎 ，不幸又患了流行性霍乱，于 1832年去世，享年36岁。卡诺的 这一思想，在1878年才由其弟弟 整理发表，但热力学第一定律已 建立27年。 总之，到了19世纪40年代前后，欧洲科学 界已经普遍蕴含着一种思想气氛，以一种联系 的观点去观察自然现象。正是在这种情况下， 以西欧为中心，从事七八种专业的十多位科学 家，分别通过不同途径，各自独立的发现了能 量守恒原理。 贡献最为突出的有三位科学家，他们是：德 国的医生迈尔，英国的实验物理学家焦耳,德国 的生物学家、物理学家亥姆霍兹。 热 力 学 第 一 定 律 的 建 立 1.德国的迈尔 罗伯特迈尔（Ro

16、bert Mayer,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 。 热 力 学 第 一 定 律 的 建 立 迈尔像 二.确立能量转化与守恒定律的三位科学家 在一次驶往印度尼西亚的航行中，给生病的船员做手 术时，发现血的颜色比温带地区的新鲜红亮。经过思考，他 认为，在热带高温情况下，机体消耗食物和氧的量减少，所 以静脉血中流下了较多的氧。 1841年航行结束后，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.Pogg