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1、第二章 永恒的经典 第三节 物体的冷热现象 1 一、热学基本概念 1、 热的本质 热功当量 n热质说：认为热是由一种无色无味、无重量 的微粒构成的“神秘流体”，它可从热的物体 转移到冷的物体，且热质微粒之间具有排斥 作用，从而使物体具有膨胀的性质。 n热动说：认为物质由大量微观粒子构成，热 是这些粒子运动的表现，它可通过物体的机 械运动转化而来。 2 伦福德 v 伦福德(1753-1814)伯爵： 原名本杰明汤姆森，物理学家 ，出生于美国， 1775年美国独 立战争期间逃到英国,被英王乔 治三世封为爵士后来加入英国 国籍。 v 1798年向英国皇家学会提 出了一个报告，说他在慕尼黑 监督炮筒钻
2、孔工作时，注意到 炮筒温度升高，钻削下的金属 屑温度更高的现象。 3 v 他提出了大量的热是从哪里来的这个问题。 他在尽量作到绝热的条件下进行了一系列钻孔实 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。他还用很钝的钻头钻炮 筒，半小时后炮筒从60升温到130，金属碎屑 只有五十多克，相当于炮筒质量的九百四十八分 之一，这一小部分碎屑能够放出这么大的“潜热” 吗？ v 他在笔记中写道：“看来在这些实验中，由摩 擦产生热的源泉是不可穷尽的。不用说，任何与 外界隔绝的物体或物体系，能够无限制地提供出 来的东西，决不可能是具体的物质实体；在我看 来，在这些实验中被激发出来的热，除
3、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。” 4 英国化学家戴维 (1778-1829) : 1799年，使两块 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。 5 1、 热的本质 热功
4、当量 作机械功改变系统 状态的焦耳实验 作电功改变系统 状态的实验 A V 6 1、 热的本质 热功当量 n热功当量 从1843年开始不断改进实验，到1878年最后一次 发表实验结果，焦耳测定热功当量的实验持续了30多 年，采用不同原理和方法先后进行了400多次的实验， 测得热功当量的值为4.152 焦耳/卡。 现代公认的标准值为： 1卡= 4.186焦耳 热功当量的精确测定为热的运动学说提供了可靠的 实验依据。 7 2、 温度 温度计 温标 n温度：物体的冷热程度。 n温度计：某种物质某一物理性质随温度有单调、 显著的变化，就选择它作为温度计的测温物质。 n温标：标记温度数值的方法。 n建立
5、一种温标的三要素：测温物质、测温属性 和固定标准点。 8 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0； 2、测温质，如水银、酒精、气体（物质热 膨胀规律研究）； 温度的测定 9 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
6、银 做测温物质的温度计，还做了气温 记录。 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 。 伽利略的测温仪 10 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： 11 1709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、氨水混合平衡时的温度为零
7、度，水的冰点为 32度，水在常压下沸点为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，其单位用表示。这是 热学发展的一个重要标志。 正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。 12 在华氏温度计出现的同时，法国人列缪尔 (16831757)也设计制造了一种温度计。他认为水 银的膨胀系数太小，不宜做测温物质。他专心研 究用酒精作为测温物质的优点。他反复实践发现 ，含有1/5水的酒精，在水的结冰
8、温度和沸腾温度 之间，其体积的膨胀是从1000个体积单位增大到 1080个体积单位。因此他把水的冰点和沸点之间 分成80份，规定水的冰点为0度，水的沸点为80度 ，这就是列氏温度计。其单位为 。 13 华氏温度计制成后又经过30多年，瑞典人摄尔修 斯于1742年改进了华伦海特温度计的刻度，他把 水的沸点定为0度，把水的冰点定为100度。后来 他的同事施勒默尔把两个温度点的数值又倒过来 ，就成了现在的百分温度，即摄氏温度，用表 示。 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。 14
9、 现在国际单位制中规定的温标是热力学温标， 它规定纯水、纯冰和纯水蒸气平衡共存的温度 为273.16K。 n热力学温度 与摄氏温度 之间的换算关系： n华氏温度 与摄氏温度 的换算关系： 用热力学温度表述理想气体物态方程，则形式 很简洁！ 15 温度概念的基础 彼此处于热平衡状态的系统存在一个相同的状 态参量，这个状态参量就是温度。 希腊数学家喀喇氏发现，这一结论的理论基础 是一条叫做热力学第零定律的规律：如果热力 学系统A和B都恰好与热力学系统C处于热平衡 ，那么A和B也恰好处于热平衡。 16 以焦耳测定的热功当量为基础，实验证 明，使系统从平衡态A 出发变化到平衡态B， 可以采用做功和传热
10、的方法，不管经过什么样 过程，只要始、末状态确定，外界对系统所做 的功W和所传递的热量Q之和是保持不变的。 1 内能 （状态量） 二 热力学第一定律 17 2 A B 1 * * 2 A B 1 * * 18 定义系统内能 的增量等于外界对系统 作的功 与系统从外界吸收的热量 的 总和。 2 A B 1 * * 内能是系统的状态参 量。两个状态的内能 之差与从一个状态到 另一个状态经历的过 程无关。 19 2 热力学第一定律 1 2 * * 根据 得 在准静态过程中，系统对外界做的功 与外 界对系统作的功 绝对值相等而符号相反， 即 20 它表明，系统从外界吸收 的热量，一部分使系统的 内能增
11、加，另一部分使系 统对外界做功 . 1 2 * * 所以 这就是热力学第一定律 21 如果系统经历一个循环，那么E2-E1=0，于是 Q=W。它表明每经历一次循环，系统对外界 所做的功等于系统从外界吸收的热量。 过去人们企图制造这样一种机器，它循环动 作，对外做功，但是不需从外界吸热。这种 机器叫做永动机。 热力学第一定律告诉人们，永动机是不可能 实现的。 22 后来人们又企图制造这样一种机器，它循环 动作，从单一热源吸热，对外做功，而不需 要向低温热源放热。根据热力学第一定律， 这种机器能够把从外界吸收的热量全部用来 对外界做功。这种机器叫做第二类永动机。 1851年，英国物理学家开尔文做出
12、明确的表 述，这种机器也是不可能实现的。 3 热力学第二定律 23 3 热力学第二定律 热力学第二定律的开尔文说法 不可能制造出这样一种循环工作的热机， 它只从单一热源吸热来做功，而不放出热 量给其它物体，或者说不使外界发生任何 变化 。 24 3 热力学第二定律 热力学第二定律的克劳修斯说法 热量不可能从低温物体自动传到高温物体 而不引起外界的变化 。 比开尔文早一年，1850年，德国物理学家 克劳修斯发表了热力学第二定律的另一种 表述。 25 注 意 1 热力学第二定律是大量实验和经验 的总结. 3 热力学第二定律可有多种说法，每 种说法都反映了自然界过程进行的方向性 . 2 热力学第二定律开尔文说法与克劳 修斯说法具有等效性 . 26 可逆过程 : 在系统经历一个过程之后， 如果存在逆过程能重复原先过程的每一状 态，而且能消除原过程对外界产生的影响 ，那么这样的过程叫做可逆过程 。 4 可逆过程与不可逆过程 不可逆过程：不能使逆过程重复正过程 （即原来过程）的每一状态，或者虽能重 复但不能消除正过程对外界的影响，这样 的过程叫做不可逆过程。 27 非自发传热 自发传热 高温物体低温物体 热传导 热功转换 完全 功 不完全 热 自然界一切与热现象有关的实际宏观过程 都是不可逆的 。 热力学第二定律的实质 无序有序 自发 非均匀、非平衡均匀、平衡 自发 28
