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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
2、而 来 。2伦 福 德v 伦 福 德 (1753-1814)伯 爵 ：原 名 本 杰 明 汤 普 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 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 。曾 在 巴 伐 利 亚 王 国（ 今 属 德 国 ） 供 职 ，被 王 室 封 为
3、伯 爵 。3v 他 提 出 了 大 量 的 热 是 从 哪 里 来 的 这 个 问 题 。他 在 尽 量 做 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
4、 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 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
5、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
6、“ 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 。51、 热 的 本 质 热 功 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 AV61、 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
7、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 。72、 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
8、 建 立 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
9、作 ： 1、 测 温 物 质 ： 如 水 银 、 酒 精 、 气 体 ； 2、 测 温 属 性 ： 物 质 热 胀 冷 缩 的 规 律 ； 3、 固 定 标 准 点 ： 如 规 定 标 准 大 气 压 下 冰 水混 合 物 温 度 为 0， 沸 腾 的 水 的 为 100。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 银做 测 温
10、 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
11、 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 ：1 12 211p tp t 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 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 ，
12、 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(1683
13、1757)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 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
14、 计 。 其 单 位 为 。R 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
15、 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 ：T tK 73.15C 2 KT t f t5( 32 F) C F9t f 用 热 力 学 温 度 表 述 理 想 气 体 物 态 方 程 ， 则 形 式很 简 洁 ！pV RT 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 （ 喀 喇 赛 奥 多 瑞 ）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
