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1、第四章热力学与统计物理学的建立,主讲人:新尼根副教授内蒙古民族大学物理与机电学院,第四章热力学与统计物理学的建立,热力学和统计物理学都是研究热现象的理论。在十八世纪，热学就成为物理学中一个新发展起来的领域，它们在生产技术中得到了广泛的应用。,第一节热机的发明和热现象的,一、蒸汽机的发明大约公元一、二世纪之间，埃及人希龙在他作的“原始小涡轮”的玩具中就是用蒸汽作为动力的，直到1690年，法国人巴本（公元1647一1712）发明了第一台活塞式蒸汽机。1698年，英国皇家工程队的军事工程师塞维利（公元1650一1715）制造了一个蒸汽抽水机。,一、蒸汽机的发明,1705年英国钳工和铁匠纽可门（公元1
2、6631729）综合了塞维利和巴本机的优点，发明了空气蒸汽机。英国工程师斯米顿（公元17241792）对纽可门机进行了全面研究和改进，他改进了锅炉和点火燃烧的方法，使纽可门机的效率几乎提高了一倍。,一、蒸汽机的发明,英国格拉斯哥大学的仪器修理工瓦特（公元17361819），对纽可门机进行了根本性变革。在布莱克的帮助下，瓦特终于在1765年研制成了分离冷凝器，制成了一台“单动式蒸汽机”。1782年瓦特又将发动机从单动变为双动，可将汽缸的功率提高一倍。1787年，瓦特又安装了离心式调速器，以保证发动机速度相对稳定。这样瓦特的双动旋转式蒸汽机已达到了近代水平。,二、测温学的发展,热现象的定量研究，首
3、先遇到的问题就是确定物体的冷热程度，即测量物体的温度。伽利略于1593年制造了第一个验温器，试图把不确定的冷热感觉转变为对物体热状态的客观表述。温度计的制作和改进主要从两个方面进行，从而也促进了对热现象的研究。第一、为了定出温标，需要确定一些“定点”。第二、找出合适的测温物质，从而促进了对物体热膨胀的研究。,二、测温学的发展,第一支实用的温度计是荷兰的吹玻璃工匠华伦海特（公元16861736）制成的。从1709年他开始制作一个酒精温度计。在了解到阿蒙顿（公元16631705）利用水银改造了早期的温度计后，他也开始制造水银温度计。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
4、，而人体的温度定为960F。1724年后，他又把水的沸点划在2120F上。,二、测温学的发展,法国博物学家勒奥默（公元1683一1757）认为水银膨胀系数小，所以致力于制造酒精温度计。为了消除刻度不一致的困难他只取一个定点，即雪的熔点为00R，。而把酒精体积改变为11000的温度变化作为10R。这样水的沸点就为800R。这种刻度法被称为勤氏温标。,摄氏温标,瑞典天文学家摄尔修斯（公元17011744）引入的。他用水银作测质，水的沸点定为0，冰的熔点定为100。八年后，摄尔修斯接受了他的同事施特默尔的建议，把两个定点的标值对调过来，最后确立了现在使用的摄氏温标。在英国、美国华氏温标占优势，勒氏温
5、标在德国被普遍使用，在法国摄氏温标占优势。而科学界普遍采用摄氏温标。,三、量热学的发展,彼得堡科学院院土里赫曼（公元17111753）是量热学的奠基人。他认为热量是按体积均匀分配的（后来有人提出热量按质量均匀分配），并取质量和温度的乘积作为热量的定义，在1744年里赫曼提出里赫曼量热学方程。为了测定物体的热容量，拉瓦锡（公元17431794）和拉普拉斯曾设计了一个冰量热器。约在1783年，他们测定了一些物质的比热，同时给出了求比热的公式。他们还发现，物质的比热在不同温度下略有差别。,四、热传导的研究,关于热传导现象的第一规律，是牛顿发现的冷却定律。后经杜隆（公元1785一1838）和珀替（公元
6、17911820）检验，指出这个定律只在温度差较小时才适用。1822年，法国数学家傅立叶（公元17681830）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。后来傅立叶进一步把这一公式用于导热物质的无限小的体元，得出了更普遍的传导方程。,五、关于热之本性的研究,对热的本质，自古以来有两种看法。第一，以为热是一种物质，即热质论。波尔哈夫认为热的本源是钻在物体细孔中的、具有高度可逆性和贯穿性的物质粒子，它们没有重量，彼此间有排斥性，而且弥漫全宇宙。在热质说观点的指导下，热学研究也取得了很大进展。,五、关于热之本性的研究,第二，认为热是物体粒子的内部运动。热质说的成功，使人们相信了
7、热质说是正确的学说，但是到了十八世纪末，热质说受到了严重的挑战。1798年，英国物理学家汤普森（即伦福德伯爵，公元17531814）在德国进行炮膛钻孔时，提出了大量的热是从哪里来的这个问题。,五、关于热之本性的研究,伦福德和戴维的实验都支持了热是运动的看法，但并没结束热质说的历史。尽管实验事实已经说明热是运动这一观点，但是十八世纪热质说仍然占了上风。,第二节能量转化与守恒定律的确立,一、运动不灭思想的发展与永动机的失败对能量守恒原理的具体认识，是力学的研究中开始提出来的，一直被称为“活力守恒定律”。伽利略、惠更斯、莱布尼茨和D伯努利等人对这一定律的建立都做出过自己的贡献。到了十八世纪后半叶，欧
8、勒已经认识到，在有心力作用下从一个定点开始运动的质点，在它通过任意途径到达离辏力中心有同样距离的任何位置时，其活力都是相等的。,一、运动不灭思想的发展与永动机的失败,人们逐渐形成了“功”和“能”的概念。伽利略将力和路程的乘积称为“矩”；莱布尼茨根据落体定律，在机械运动范围内引进了“活力”概念。卡诺在他的论文中确立了活力和机械功之间的关系，并用重物和升高的高度的乘积来评价机器的作用，卡诺把这个乘积称为“作用矩”。蒙日（公元17461818）把功称为“动力效应”。,一、运动不灭思想的发展与永动机的失败,1807年，托马斯杨在其自然哲学讲义一书中写道：“在应用力学碰到的几乎所有情况中，对于运动产生所
9、必要的功，并不是与力矩成正比，而是与这个功所引起的能量成正比”。“应该用能量这一词来表示物体的质量或重量与表示速度的数的平方的积”。,一、运动不灭思想的发展与永动机的失败,在动力学引进的另外的一个重要概念是“力函数”或“势函数”概念。1738年，D伯努利首先引进了“位势”概念。1755年，欧勒在流体力学的研究中，最先引进一个函数，并得到了位势理论的“欧勒一拉普拉斯方程”。后来经过拉格朗日、拉普拉斯、泊松、格林等人的工作，明确形成了这一概念。1824年，哈密顿也引进了“力函数”以表示只与相互作用着的粒子位置有关的力，并把后来所说的“势能”称为“张力之和”把动能称为“活力之和”。到了十九世纪四十年
10、代，“势”的概念得到了普遍的应用。这样，建立能量原理所需的基本概念大体已具备了。,一、运动不灭思想的发展与永动机的失败,“永动机不能实现，是导致能量守恒原理的重要因素之一。在十七、十八世纪，人们曾提出过永动机的各种各样的设计方案，但是每一种方案都以失败而告终。于1775年法国科学院不得不作出决议，声明不再审理任何关于永动机设计的方案。,二、各种自然现象之间相互转化的普遍发现,十八世纪末，十九世纪初以来，各种自然现象之间的普遍联系相继被发现。德国物理学家塞贝克（公元17801831）于1821年实验的。他发现在两种不同的金属接点处加热，就会产生电动势。这就是温差电现象。1820年，奥斯特关于电流
11、的磁效应的发现和1831年法拉第关于电磁感应现象的发现，使电与磁之间的相互转化完成了循环。,二、各种自然现象之间相互转化的普遍发现,1834年，法国的珀耳帖（公元17851845）发现了它的逆效应。1840年和1842年，焦耳和楞茨分别发现了电流转化为热的著名定律，1821年，法拉第制成的“电磁旋转器”则是电流产生机械运动的过程。这就是电与机械运动之间的相互转化。,二、各种自然现象之间相互转化的普遍发现,1800年，伏打制成了“伏打电堆”，这是化学运动向电的转化。人们很快就利用伏打电流进行电解，又实现了电运动向化学运动的转化。德国化学家李比希（公元18031873）发现发酵和腐烂过程中的热是来
12、源于化学变化。1840年，彼得堡科学院的黑斯（公元18021850）提出了关于化学反应中释放热量的定律，已经接触到化学反应中的能量守恒原理。,三、迈尔的工作,1845年，论有机运动与新陈代谢，他提出了五种形式的“力”，即“运动的力”、“下落力”、“热”，“电”和“化学力”，描述了运动转化的二十五种情况，否定了热质和其它无重流质的结论。1848年，迈尔又发表通俗天体学一书，讨论了宇宙中的能量循环，解释了陨石的发光是由于它们在大气中损失了动能，并用能量守恒规律解释了潮汐的涨落。1851年，迈尔出版了论热的机械当量一文中，详细地阐述了热功当量的计算。,四、亥姆霍兹的工作,1847年，德国青年科学家亥
13、姆霍兹（公元18211894）提出了论力的守恒一文，总结出以下三点结论：l当自然界中的物体在既与时间无关、又与速度无关的吸力和斥力的相互作用下，系统中活力和张力的总和始终不变；所得到的功的最大值就是一个确定的和有限的。2如果物体间作用着与速度和时间有关的力，或者作用力的方向与连结这两个物体间的直线不吻合，例如转动力，在这种情况下，力或者会消失，或者会变成无穷大。3假如除中心力外还有另外的力，那么自然界的物体就不需要由于另外的原因，而能自动地运动起来。,五、焦耳对热功当量的测定,焦耳（公元18181889）是英国物理学家。1818年12月24日生于英国曼彻斯特附近的索尔福德的一个啤酒厂厂主家庭，
14、从小喜欢酿酒，努力学习化学和物理。曾跟英国化学家J道尔顿学习。1840年12月，他在英国皇家学会上宣读了关于电流生热的论文，提出了电流通过导体产生热量的定律；被称为焦耳楞茨定律。焦耳的主要贡献是他钻研并测定了热和机械功之间的当量关系。,五、焦耳对热功当量的测定,1849年6月21日，他通过法拉第把论文论热的机械当量送交皇家学会。在这篇论文中，焦耳全面地整理了他用摩擦水、水银和铸铁的方法测量热功当量的实验结果，得出两个重要结论：第一，由物体的摩擦所产生的热量总是与消耗的力之量成正比；第二，要使一磅水（在真空中55F一60F时称量）的温度升高1F，需要消耗相当于使772磅的重物下落1英尺的机械力。
15、,五、焦耳对热功当量的测定,1853年，W汤姆逊重新恢复了“能量”概念，格拉斯哥的力学教授兰金就首先把“力的守恒原理”改称为“能量守恒原理”。1885年恩格斯首先指出了这种表述的不完善性，他把这个原理改述为“能量转化与守恒定律”，准确地反映了这一定律的本质内容，这一定律很快成为物理学和全部自然科学的重要基石。,第三节热力学第二定律的建立,一、卡诺的热机理论法国年青的工程师萨迪卡诺（公元17961832）首先以普遍理论的形式，研究了“由热得到运动的原理”。1824年，卡诺发表了谈谈火的动力和能发动这种动力的机器这一论文，总结了他的研究成果。,一、卡诺的热机理论,当时卡诺还信奉热质说，他认为蒸汽机
16、的工作过程总要伴随热质的流动和重新分布。他把蒸汽机和原动机水车相比，得出了一个正确结论：“蒸汽机至少必须工作于一个高温热源和一个低温热源之间。热机的效率仅仅取决于温度差，而与采用什么工作物质无关”。卡诺根据热质守恒的思想和永动机不可能制成的原理，进一步证明了这样一个结论：在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切实际热机其效率不会大于在同样热源之间工作的可逆卡诺热机的效率。,一、卡诺的热机理论,卡诺所构思的理想热机，虽然不可能造出来，但它却揭示了热机中热向机械运动转化的本质过程。他的热机理论已经包含了热力学第二定律的基本思想，只是由于受热质说的影响，使他未能彻底认清这一工作的意义。直到1834年，法国工程师克拉贝龙（公元17991864）的重新研究，才使卡诺的热机理论被人们所重视。,二、热力学温标的建立,英国著名物理学家汤姆逊（公元1824一1907，即开尔文勋爵）提出了一种热力学温标。1848年，在建立在卡诺热之动力论基础上和由雷诺的观察结果计算出来的一种绝对温标的论文中指出，“按照卡诺所确定的动力与热之间的关系，在由热的作用得到的机械功的数量关系中，只包括热量和温度间隔
