热力学和统计物理学的发展

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1、热力学和统计物理学的发展热力学和统计物理学的发展指导教师：仲扣庄汇 报 人：李婷婷学 号：81080108内容导览热现象的早期研究热力学定律的发现分子动理论的发展统计物理学的建立热现象的早期研究一、蒸汽机的发明与改进二、温度计的发明与改进三、量热学的发展四、热本质的认识蒸汽机的发明与改进welcome to use these PowerPoint templates, New Content design, 10 years experience公元一二世纪之间：埃及人希龙发明蒸汽动力旋转的玩 具。其中包含了利用反冲作用和蒸汽做功的物理思想。 1960年惠更斯的助手法国人巴本发明了带有活塞和

2、气缸 的蒸汽机。 1698年英国托马斯 萨维里制造了人类历史上第一部可 以实际应用的蒸汽机 1705年托马斯 纽可门在总结萨维里蒸汽机和巴本蒸汽 机的基础上发明了空气蒸汽机。 1782年瓦特制造出了使高压蒸汽轮流地从两端进入气缸 推动活塞往返运动的蒸汽机，并增加了飞轮和离心调速 装置，从而非常接近现代的形式。温度计的发明与改进伽利略首先利用热胀冷缩的原理制作了验温计。法国化学家詹 雷伊对伽利略验温计做了改进，他将伽利略的玻璃泡倒转过来，直接用水的体积变化来表示冷热程度。意大利费迪南二世在此基础上继续改进，用啦封住管口，在玻璃泡里装了染有红色的酒精，并且在玻璃管上标上刻度，制成了具有现代形式的第

3、一支温度计。伽利略验温器一、定标二、寻找合适的 测温物质德国玻璃工华伦海特制成了第一支实用温度计水银温度计（华氏温标）。瑞典天文学家摄尔修斯用水银作为测温物质，把水的沸点定为100，冰的熔点定为0摄氏温标。温度计的制作和改进量热学的发展量热学的奠基人彼得堡科学院院士赫曼认为，热是按 照体积均匀分配的，并取质量和温度的乘积作为物体中热 量的量度，提出了热量的公式：式中m1、m2、m n为均匀液体的质量，t1、t2tn 为这些液体的起始温度，t为混合温度。1757年英国化学家布莱克第一次慎重的提出，热和温度是两个不同的概念。热量：热的分量；温度：热的强度。同质量而不同温度的两种物质混合在一起时，他

4、们的温度变化是不相同的，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”。伊尔文正式引进了“热容量”的概念，并测定了一些物质的比热容。法国的拉瓦锡和拉普拉斯把一磅水升高或降低一摄氏度时所需要的热作为热的单位，称作卡。1777年制造了经典仪器冰量热器。1783年测定了一些物质的比热容，并发现物质的比热容在不同温度下是略有差别的。热本质的认识热是运动的表现热是一种特殊的物 质，是“无重物质” 即“热质”18世纪热质说的否定 ：1798年，英籍物理学家伦福德在关于摩擦生热的来 源的调研一文中介绍了机械功生热的实验，得出结 论：热是物质的一种运动形式，是粒子振动的宏观表

5、 现。 1799年，英国化学家戴维做了真空容器中两块冰摩擦 而熔解为水的实验，“热质守恒”的观点无法成立，由 此断言，热质是不存在的。 卡诺大胆纠正自己利用热质说建立的卡诺定理这一错 误，强烈支持热动说，以及在能量守恒定律确立之后 ，热质说最终被否定。伦福德像法国物理学家卡诺热力学定律的发现Company Logo能量守恒定律的确立热力学第二定律的建立热力学第三定律的建立Company Logo处于思辨时期 的古代哲学中 就存在守恒的 思想16世纪的许多 哲学家认为“ 宇宙中运动量 是不灭的”守恒思想的历史渊源力学中的功和能在经典力学的发展历程中，人们逐渐形成了“ 功”和“能”的概念。功的概念

6、起源于早期工业革命中工程师们需要 一个用来比较蒸汽机的效率的办法，在实践中他 们逐渐同意用机器举起的物体的重量与行程之积 来量度机器的输出，并称之为功。能，首先是由托马斯 杨提出的，他在自然 哲学讲义中指出：产生运动所必要的功与这个 功所引起的能量成正比。能量转化现象的普遍发现18世纪到19世纪的初期，人们逐渐发现了自然想象之间的 普遍联系，科学家们开始以一种联系的观点去研究物理学 ，从而为能量守恒定律的建立奠定了坚实的基础。例如：机械能内能内 能 电能磁电化学能电能第一类永动机永动机是人们设想的一种理想机械，他在不消耗任何 燃料和动力的情况下，能源源不断地对外做功。13世纪法国人亨内考 提出

7、来的，也是早期 最著名的永动机。达芬奇也制造过永动机，同样得到失败的结果。他经过仔细研究之后认为任何永动机的尝试注定要失败的。他写道：“永恒运动的幻想家们！你们的探索何等徒劳无功！还是去做淘金者吧！”随后人们提出的各种各样的永动机在科学的检验下都失败了。永动机的失败启示人们想到，自然界不允许人类无中生有的获得能量，也就是说自然界中各种能量之间存在着一定的转化关系。1.德国的迈尔罗伯特迈尔（Robert 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

8、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。迈尔像迈尔的贡献一般认为最早发现能量守恒定律的是德国人迈尔，他从事有关能量守恒与转化问题的研究是从对生理现象的分析开始的。1841年7月迈尔写成了第一篇论文论力的量和质的确定，指出机械运动、热、电等可以归结为一种“力”（那是把能统称为“力”）的现象，按一定规律相互转化。1842年迈尔写了论无机界的力一文，从无中生有，有有无不变的哲学思考提出了“力就是不灭的，能转化的、无重量的客体”的结论。1845年迈尔写了与有机运动相联系的新陈代谢一文，进一步指出“力的转化与守恒定律是支配宇宙的普遍规律”

9、。并具体的考察了5种不同形式的力：运动的力（动能）；下落力（重力势能）； 热；磁、电（电流）化学力（化学能）。焦耳的贡献1840年焦耳和俄国物理学家楞次分别独立的发现了导电导体放出的热量同电阻及电流平方之积成正比，这就是焦耳定律。1843年进行了感应电流产生的热效应和电解时热效应的实验，写了两篇关键性的论文论磁电的热效应和热机值和论谁水解时产生的热。明确提出“自然界的能是不能消灭的，哪里消耗了机械能，总能得到相应的热，热只是能的一种形式”。1844年，焦耳做了把水压入毛细管的实验和压缩空气实验，测出热功当量分别为424.9千克力米/千卡和443.8千克力米/千卡。1847年焦耳完成了下降重物带

10、动放在液体中的浆产生摩擦热的实验，测得热功当量为428.9千克力米/千卡。焦耳对热功当量的实验研究持续了30余年，它不但精心设计了精密的仪器装置，形成了完整的实验方法，还得到了精确地实验数据。焦尔测量热功当量的一种实验装置-浆叶实验焦耳像亥姆霍兹的贡献1847年发表的论力的守恒提出了普遍性的原理：不能 无中生有的创造一个永久的运动力。能量守恒定律的发 现是19世纪物理学 最重要的发现。热力学第一定律的表达式热力学第二定律的建立 卡诺的热机理论：对于理想的热机，如果在同样温度的两热源之间工作，就会具有同样的效率。 绝对温标的建立：T=272.85+t 热力学第二定律的两种表述： 热量不可能自动地

11、从低温物体传到高温物体而不发生其他任何变化。 第二类永动机是不可能的。热力学第三定律的建立18世纪末到19世纪初，人们实现了氨、氯气等气体的液化，到了1845年，除了氢、氧、氮等几种气体外，当时所知的其他气体都能被液化，于是这几种气体被称为“永久气体”。英国物理学家安德鲁斯认为“永久气体”也是可以被液化的，关键问题是要实现更低的温度，使之低于其“临界温度”。随后的科学家们通过各种方法实现了永久气体的液化。1702年，法国物理学家阿蒙顿首先提出绝对零度的概念。1848年，威廉 汤姆孙利用卡诺循环中热量与温度的关系，确立了热力学温标即绝对温标，明确提出了绝对温度零度是温度的下限。1906年，德国化

12、学家能斯特把热力学的原理应用到低温现象和化学反应过程中，发现了一条新的规律，当时表述为：“当绝对温度趋于零度时，凝聚系统的熵在等温过程中的改变趋于零。”1912年，能斯特又把这一定律表述为：“不可能拥有限的手段，使一个物体的温度达到绝对零度。”热力学第三定律分子动理论的发展 原子论的复兴 分子动理论的实验检验 分子动理论的提出 克劳修斯对分子动理论的贡献 范德瓦尔斯方程的建立分子动理论的提出英国化学家道尔顿创立了近代原子论。英国物理学家约翰赫拉帕斯极力提倡分子动理论，在道尔顿的影响下提出下列假设：组成物质的原子是不可穿透的刚性小球；气体的原子可以以很大的速度在各个方向作直线运动；热是由原子的运

13、动引起的，并且正比于原子的动量。赫拉帕斯推导了理想气体定律，提出温度与分子速度有关的观点，并根据其假设定性解释物质的相变和扩散现象，并试图计算气体的比热容。焦耳在1847年发表的论文论物质、活力和热中指出，热一定是分子运动的动能或分子间的相互作用的能量（势能），并认为这个势能是与相变联系的潜热的基础。1856年德国化学家伦尼希在物理学年鉴上发表了一篇题为气体理论原理的论文，他认为热是运动的一种形式。他提出理想气体模型：分子都是弹性小球，他们在没有相互作用时做匀速直线运动，只有在碰撞时才有相互作用。克劳修斯对分子动理论的贡献在早期的热学论文中，他就曾指出：“热不是一种物 质，而是来自物体中个最小

14、部分的运动 。”气体分子的平移运动同器壁的碰撞产生了气体的压 强。在推导气体压强公式时，克劳修斯明确的将统计的 概念引进了物理学。克劳修斯认为，分子运动速度不变时压强与密度成正 比。推导出气体的压强公式：p=1/3nmv2并且利用这一公 式推导了波意耳定律和盖吕萨克定律，初步显示了分子 动理论的威力。克劳修斯提出了理想气体分子动理论的模型：分子本身的体积与体积所占的整个空间相比是无限小的；分子每次碰撞经历的时间比起两次碰撞之间的时间间隔是无限小；分子的影响力也是无限小的。根据其压强公式和理想气体状态方程，就可以得到气体分子的平均动能与温度之间的关系，并计算出在0，氧气分子的均方根速率为461米

15、/秒，氮为402米/秒，氢为1844米/秒。尽管分子很小，但还是有一定的大小，这是因为分子间存在相互作用力。克劳修斯指出：扩散过程与其说是取决于费 脑子的速度，不如说是取决于分子的平均自 由程。克劳修斯最终得到气体分子的平均自由程为:范德瓦尔斯方程的建立对于理想气体分子间的相互作用力忽略不计对于理想气体分子间的相互作用力忽略不计，分子的体积忽略不计；但对于实际气体当分子，分子的体积忽略不计；但对于实际气体当分子数密度较大时，分子间的作用力和分子的体积不数密度较大时，分子间的作用力和分子的体积不能忽略不计。能忽略不计。范德瓦尔斯对理想气体状态方程从两个方面进行修正，得出实际气体的状态方程。 一.

16、考虑分子的大小而引起的修正研究 1 mol的理想气体， P0 为理想气体的压强，V0为 1 mol 气体的体积。V0为分子运动的空间体积，由于分子要占据一定体积，对V0进行修正 ， V0修正为V0 b。修正值 b为分子体积的4倍：N0为1mol气体的分子数-阿伏加德罗常数。二二. .考虑分子的作用力引起的修正考虑分子的作用力引起的修正由于分子间的引力存在，当一些分子对器壁碰撞时器壁附 近的一些分子对它们 存在吸引力，这个吸引力减小了它们对器 壁的冲力。跟踪的分子除了受器壁的作用力外-外压强P，还要受到内部气体分子的引力-内压强Pi 对于理想气体只有外压强P。器壁内部Pi 为器壁内表面上单位面积上所受内部分子的引 力-内压强。1. Pi 与器壁附近单位面积上的相碰气体分子数成正比，而 这个分子数与容器中分子数密度 n 成正比，考虑到气体分子间的引力作用后，气体的压强为外压强 P 与