經(jīng)典熱力學(xué)基礎(chǔ)

1、第四章第四章 經(jīng)典熱力學(xué)基礎(chǔ)經(jīng)典熱力學(xué)基礎(chǔ) 1.1.熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究 2 .熱力學(xué)第一定律的建立熱力學(xué)第一定律的建立 3 .熱力學(xué)第二定律的建立熱力學(xué)第二定律的建立 4 .低溫物理學(xué)低溫物理學(xué) 5.分子運(yùn)動(dòng)論的發(fā)展分子運(yùn)動(dòng)論的發(fā)展 6.6.統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的建立統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的建立 7.物態(tài)物態(tài) 1.1.熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究 一一 蒸汽機(jī)的發(fā)明蒸汽機(jī)的發(fā)明 二二 計(jì)溫學(xué)的發(fā)展計(jì)溫學(xué)的發(fā)展 三三 量熱學(xué)的建立量熱學(xué)的建立 四四 熱本質(zhì)的認(rèn)識(shí)熱本質(zhì)的認(rèn)識(shí) 1.1.熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究 一一 蒸汽機(jī)的發(fā)明蒸汽機(jī)的發(fā)明 16901690年巴本年巴本(Frnid

2、 Papin,1647-1712,(Frnid Papin,1647-1712,法國，惠更斯助手法國，惠更斯助手) )首首 先制成帶有活塞和汽缸的實(shí)驗(yàn)性蒸汽機(jī)；先制成帶有活塞和汽缸的實(shí)驗(yàn)性蒸汽機(jī)； 1.熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究 17051705年，托馬斯年，托馬斯紐可門紐可門（Thomas Newcomen,1663-1729,Thomas Newcomen,1663-1729,英英 國鐵匠國鐵匠) )在薩維里和巴本的基礎(chǔ)上，研制了一個(gè)帶有活塞的在薩維里和巴本的基礎(chǔ)上，研制了一個(gè)帶有活塞的 封閉的圓筒汽缸，活塞通過一杠桿和一排水泵相連。是一封閉的圓筒汽缸，活塞通過一杠桿和一排水泵相

3、連。是一 個(gè)廣義的把熱轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械力的原動(dòng)機(jī)，是蒸汽機(jī)最早的雛個(gè)廣義的把熱轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械力的原動(dòng)機(jī)，是蒸汽機(jī)最早的雛 形。并真正有效地應(yīng)用于礦井排水。但活塞的每次下降都形。并真正有效地應(yīng)用于礦井排水。但活塞的每次下降都 必須將整個(gè)汽缸和活塞同時(shí)冷卻，熱量的損失太大。必須將整個(gè)汽缸和活塞同時(shí)冷卻，熱量的損失太大。 16981698年，托馬斯年，托馬斯薩維里薩維里（Thomas Savery,1650-1715,Thomas Savery,1650-1715,英國英國 軍事工程師軍事工程師) )制成一具蒸汽水泵；制成一具蒸汽水泵； 薩維里的蒸汽機(jī)薩維里的蒸汽機(jī) 托馬斯托馬斯紐可門的蒸汽機(jī)紐可門的蒸汽機(jī)

4、1769 1769年，詹姆斯年，詹姆斯瓦特瓦特（James Watt,1736-1819,James Watt,1736-1819,法國，法國， 格拉斯哥大學(xué)儀器維修工）改進(jìn)了紐可門機(jī)，把冷凝過程格拉斯哥大學(xué)儀器維修工）改進(jìn)了紐可門機(jī)，把冷凝過程 從汽缸內(nèi)分離出來，即在汽缸外單獨(dú)加一個(gè)冷凝器而使汽從汽缸內(nèi)分離出來，即在汽缸外單獨(dú)加一個(gè)冷凝器而使汽 缸始終保持在高溫狀態(tài)。缸始終保持在高溫狀態(tài)。 1.熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究 1785 1785年，熱機(jī)被應(yīng)用于紡織；年，熱機(jī)被應(yīng)用于紡織； 18071807年，熱機(jī)被美國人富爾頓應(yīng)用于輪船；年，熱機(jī)被美國人富爾頓應(yīng)用于輪船； 182518

5、25年被用于火車和鐵路。年被用于火車和鐵路。 1782 1782年，又制造出了使高壓蒸汽輪流的從兩端進(jìn)入汽年，又制造出了使高壓蒸汽輪流的從兩端進(jìn)入汽 缸，缸，推動(dòng)活塞往返運(yùn)動(dòng)的蒸汽機(jī)，使機(jī)器運(yùn)作由斷續(xù)變連續(xù)，推動(dòng)活塞往返運(yùn)動(dòng)的蒸汽機(jī)，使機(jī)器運(yùn)作由斷續(xù)變連續(xù)， 從而蒸汽機(jī)的使用價(jià)值大大提高，導(dǎo)致了歐洲的第一次工業(yè)從而蒸汽機(jī)的使用價(jià)值大大提高，導(dǎo)致了歐洲的第一次工業(yè) 革命。革命。 瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī)瓦特發(fā)明的蒸汽機(jī) 瓦特像瓦特像 二二 計(jì)溫學(xué)的發(fā)展計(jì)溫學(xué)的發(fā)展 （一）溫度計(jì)的設(shè)計(jì)與制造（一）溫度計(jì)的設(shè)計(jì)與制造 16031603年，伽利略制成最早的驗(yàn)溫計(jì)：年，伽利略制成最早的驗(yàn)溫計(jì)：一只頸部極細(xì)的玻璃

6、長(zhǎng)頸一只頸部極細(xì)的玻璃長(zhǎng)頸 瓶，倒置于盛水容器中，瓶中裝有一半帶顏色的水。隨溫瓶，倒置于盛水容器中，瓶中裝有一半帶顏色的水。隨溫 度變化，瓶中空氣膨脹或收縮。度變化，瓶中空氣膨脹或收縮。 1.熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究 16591659年法國天文學(xué)家伊斯梅爾年法國天文學(xué)家伊斯梅爾 博里奧博里奧(Ismael Buolliau)(Ismael Buolliau)制造了制造了 第一支用水銀作為測(cè)溫物質(zhì)的溫度計(jì)。第一支用水銀作為測(cè)溫物質(zhì)的溫度計(jì)。 16501650年，意大利費(fèi)迪男二世年，意大利費(fèi)迪男二世(G.D.Ferdinand )(G.D.Ferdinand )用蠟封住管用蠟封住管 口

7、，在瓶?jī)?nèi)裝上紅色的酒精，并在玻璃瓶細(xì)長(zhǎng)頸上刻上刻度，口，在瓶?jī)?nèi)裝上紅色的酒精，并在玻璃瓶細(xì)長(zhǎng)頸上刻上刻度， 制成現(xiàn)代形式的第一支溫度計(jì)。制成現(xiàn)代形式的第一支溫度計(jì)。 16311631年，法國化學(xué)家詹年，法國化學(xué)家詹 雷伊雷伊(Jean Rey,1582-1630)(Jean Rey,1582-1630)把伽利略把伽利略 的細(xì)長(zhǎng)頸瓶倒了過來，直接用水的體積的變化來表示冷熱程的細(xì)長(zhǎng)頸瓶倒了過來，直接用水的體積的變化來表示冷熱程 度，但管口未密封，水不斷蒸發(fā)，誤差也較大。度，但管口未密封，水不斷蒸發(fā)，誤差也較大。 伽利落驗(yàn)溫計(jì)伽利落驗(yàn)溫計(jì) （二）測(cè)溫物質(zhì)的選擇和標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的確定（二）測(cè)溫物質(zhì)的選擇和標(biāo)準(zhǔn)

8、點(diǎn)的確定 1.熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究 1703年，牛頓年，牛頓把雪的熔點(diǎn)定為自己制作的亞麻子油溫度把雪的熔點(diǎn)定為自己制作的亞麻子油溫度 計(jì)的零度，把人體溫度作為計(jì)的零度，把人體溫度作為12度等等。度等等。 1665年，惠更斯年，惠更斯建議把水的凝固溫度和沸騰溫度作為兩建議把水的凝固溫度和沸騰溫度作為兩 個(gè)固定點(diǎn)；個(gè)固定點(diǎn)； 佛羅倫薩的院士們佛羅倫薩的院士們選擇了雪或冰的溫度為一個(gè)定點(diǎn)，牛選擇了雪或冰的溫度為一個(gè)定點(diǎn)，牛 或鹿的體溫為另一個(gè)定點(diǎn)；或鹿的體溫為另一個(gè)定點(diǎn)； 德國的格里凱德國的格里凱（Guericke)曾提出以馬德堡地區(qū)的初冬和曾提出以馬德堡地區(qū)的初冬和 盛夏的溫度為定

9、點(diǎn)溫度；盛夏的溫度為定點(diǎn)溫度； 1.熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究 攝爾修斯攝爾修斯(Anders Celsius,1701-1744,(Anders Celsius,1701-1744,瑞典天文學(xué)家瑞典天文學(xué)家) )， 用水銀作為測(cè)溫物質(zhì)，以水的沸點(diǎn)為用水銀作為測(cè)溫物質(zhì)，以水的沸點(diǎn)為00C00C冰的熔點(diǎn)為冰的熔點(diǎn)為1000C1000C， 中間中間100100個(gè)等分。個(gè)等分。8 8年后接受了同事施特默爾（年后接受了同事施特默爾（M.StromerM.Stromer）的）的 建議，把兩個(gè)定點(diǎn)值對(duì)調(diào)過來。稱為建議，把兩個(gè)定點(diǎn)值對(duì)調(diào)過來。稱為攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)。至。至17791779年全年全 世

10、界共有溫標(biāo)世界共有溫標(biāo)1919種。種。 列奧米爾列奧米爾(Reaumur,1683-1757,(Reaumur,1683-1757,法國法國) )以酒精和以酒精和1/51/5的水的的水的 混合物作為測(cè)溫物質(zhì)，混合物作為測(cè)溫物質(zhì)，17301730年制作的酒精溫度計(jì)，取水的冰年制作的酒精溫度計(jì)，取水的冰 點(diǎn)為點(diǎn)為00R00R，使酒精體積增加，使酒精體積增加1/10001/1000的溫度變化作為的溫度變化作為10R10R，這樣，這樣 水的沸點(diǎn)即為水的沸點(diǎn)即為800R800R，稱為，稱為列氏溫標(biāo)列氏溫標(biāo)。 華倫海特華倫海特(Gabriel Danile Fahrenheit(Gabriel Danil

11、e Fahrenheit，1686-17361686-1736， 德國玻璃工人，遷居荷蘭德國玻璃工人，遷居荷蘭) )制造了第一支實(shí)用溫度計(jì)：制造了第一支實(shí)用溫度計(jì)：他把他把 冰、水、氨水和鹽的混合物平衡溫度定為冰、水、氨水和鹽的混合物平衡溫度定為00F00F，冰的熔點(diǎn)定，冰的熔點(diǎn)定 為為320F320F，人體的溫度為，人體的溫度為960F960F，17241724年，他又把水的沸點(diǎn)定為年，他又把水的沸點(diǎn)定為 2120F2120F。后來稱其為。后來稱其為華氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo)。 高溫測(cè)量：高溫測(cè)量： 荷蘭的荷蘭的馬森布羅克馬森布羅克(Musschenbrock)(Musschenbrock)在在174

12、71747年利用金年利用金 屬桿的熱脹冷縮性質(zhì)制造了金屬溫度計(jì)；屬桿的熱脹冷縮性質(zhì)制造了金屬溫度計(jì)； 本世紀(jì)八十年代，本世紀(jì)八十年代，韋奇武德韋奇武德(J.Wedgwood)(J.Wedgwood)用耐火土塊用耐火土塊 的線度變化制成了量度爐溫的高溫計(jì)。的線度變化制成了量度爐溫的高溫計(jì)。 測(cè)溫物質(zhì)的尋找，促進(jìn)了對(duì)物體熱膨脹的研究。測(cè)溫物質(zhì)的尋找，促進(jìn)了對(duì)物體熱膨脹的研究。 計(jì)溫學(xué)的發(fā)展和完善，也進(jìn)一步促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)熱學(xué)研究計(jì)溫學(xué)的發(fā)展和完善，也進(jìn)一步促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)熱學(xué)研究 的進(jìn)展。的進(jìn)展。 各種溫度計(jì)各種溫度計(jì) 據(jù)此，據(jù)此，18541854年，開爾文年，開爾文( (威威 廉廉. .湯姆遜湯姆遜) )提

13、出開氏溫標(biāo)，提出開氏溫標(biāo)， T=272.3 + tT=272.3 + t。又稱熱力學(xué)溫標(biāo)，。又稱熱力學(xué)溫標(biāo)， 它與測(cè)溫物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)，即任它與測(cè)溫物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)，即任 何測(cè)溫物質(zhì)按這種溫標(biāo)定出的溫何測(cè)溫物質(zhì)按這種溫標(biāo)定出的溫 度數(shù)值都是一樣的。度數(shù)值都是一樣的。 19541954年國際計(jì)量大會(huì)決定年國際計(jì)量大會(huì)決定 將水的三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度定為將水的三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度定為 273.16K273.16K。 開爾文開爾文 像像 1.熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究 熱力學(xué)溫標(biāo)：熱力學(xué)溫標(biāo)： 19世紀(jì)世紀(jì)50年代，開爾文注意到：既然卡諾熱機(jī)與工作物質(zhì)年代，開爾文注意到：既然卡諾熱機(jī)與工作物質(zhì) 無

14、關(guān)，那么我們就可以確定一種溫標(biāo)，使它不依賴于任何物質(zhì)無關(guān)，那么我們就可以確定一種溫標(biāo)，使它不依賴于任何物質(zhì) ，這種溫標(biāo)比根據(jù)氣體定律建立的溫標(biāo)更具有優(yōu)越性。，這種溫標(biāo)比根據(jù)氣體定律建立的溫標(biāo)更具有優(yōu)越性。 三三 量熱學(xué)的建立量熱學(xué)的建立 1.1.不同物質(zhì)放熱能力不同的發(fā)現(xiàn)：不同物質(zhì)放熱能力不同的發(fā)現(xiàn)：1717世紀(jì)，意大利的科學(xué)家在世紀(jì)，意大利的科學(xué)家在 實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在同一溫度下具有相同重量的不同液體分別實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在同一溫度下具有相同重量的不同液體分別 與冰混合時(shí)，冰被融化的數(shù)量是不同的，這表明不同物質(zhì)與冰混合時(shí)，冰被融化的數(shù)量是不同的，這表明不同物質(zhì) 的放熱能力是不同的。有人認(rèn)為這種能力可能

15、與物質(zhì)密度的放熱能力是不同的。有人認(rèn)為這種能力可能與物質(zhì)密度 有關(guān)，密度越大，吸熱和放熱的能力越大。華倫海特通過有關(guān)，密度越大，吸熱和放熱的能力越大。華倫海特通過 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：水銀的的吸熱能力僅僅是水的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：水銀的的吸熱能力僅僅是水的2/32/3，但密度卻是，但密度卻是 水的十幾倍，因而否定了和密度有關(guān)的說法。水的十幾倍，因而否定了和密度有關(guān)的說法。 1.熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究 2.“2.“潛熱潛熱”的發(fā)現(xiàn)：的發(fā)現(xiàn)：17571757年英國化學(xué)家年英國化學(xué)家布萊克布萊克(Joseph Black, (Joseph Black, 1728-1799)1728-1799)用用3232

16、0 0F F冰與冰與1721720 0F F同等重量的的水混合，得到平衡溫同等重量的的水混合，得到平衡溫 度仍為度仍為32320 0F F，而不是，而不是1021020 0F F。這說明。這說明“在冰溶解中，需要一些在冰溶解中，需要一些 為溫度計(jì)所不能覺察的熱量。為溫度計(jì)所不能覺察的熱量?！彼堰@種不表現(xiàn)為溫度升高他把這種不表現(xiàn)為溫度升高 的熱叫做的熱叫做“潛熱潛熱”。同時(shí)還慎重提出熱和溫度是兩個(gè)不同的。同時(shí)還慎重提出熱和溫度是兩個(gè)不同的 概念概念. . 3.“3.“熱容量熱容量”及及“比熱比熱”概念的提出：概念的提出：大約在大約在17601760年，布年，布 萊克作了如下實(shí)驗(yàn)把溫度為萊克作了

17、如下實(shí)驗(yàn)把溫度為1501500 0C C的金和同重量的的金和同重量的50500 0C C 的水相混合，它們達(dá)到平衡時(shí)的溫度為的水相混合，它們達(dá)到平衡時(shí)的溫度為55550 0C C，同重量而，同重量而 不同溫度的兩種物質(zhì)混合在一起時(shí)，它們溫度的變化是不同溫度的兩種物質(zhì)混合在一起時(shí)，它們溫度的變化是 不相同。他把物質(zhì)在改變相同溫度時(shí)的熱量變化叫做這不相同。他把物質(zhì)在改變相同溫度時(shí)的熱量變化叫做這 些物質(zhì)對(duì)熱的些物質(zhì)對(duì)熱的“親和性親和性”或或“接受熱的能力接受熱的能力”。后來他。后來他 的學(xué)生伊爾文（的學(xué)生伊爾文（Irvine)Irvine)正式引進(jìn)正式引進(jìn)“熱容量熱容量”的概念。的概念。 1780

18、1780年，麥哲倫（年，麥哲倫（Megellen)Megellen)首先使用了首先使用了“比熱比熱”名詞。名詞。 1.熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究 4.4.熱的單位熱的單位“卡卡”的建立：的建立：法國的拉瓦錫（法國的拉瓦錫（Lavoisier)Lavoisier)和拉和拉 普拉斯（普拉斯（Laplace)Laplace)發(fā)展了布萊克的工作，把一磅水升高或降發(fā)展了布萊克的工作，把一磅水升高或降 低低1 10 0C C時(shí)所吸收或放出的熱作為熱的單位，稱作時(shí)所吸收或放出的熱作為熱的單位，稱作“卡卡”。17771777 年制作了年制作了“冰量熱器冰量熱器”。 四四 熱本質(zhì)的認(rèn)識(shí)熱本質(zhì)的認(rèn)識(shí) 1

19、.1.認(rèn)為熱是運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)認(rèn)為熱是運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn) 佛蘭西斯佛蘭西斯培根培根從摩擦生熱得出熱是一種膨脹的、被約束的從摩擦生熱得出熱是一種膨脹的、被約束的 在其斗爭(zhēng)中作用于物體的微小粒子的運(yùn)動(dòng)。在其斗爭(zhēng)中作用于物體的微小粒子的運(yùn)動(dòng)。 波義耳波義耳認(rèn)為釘子敲打之后變熱，是運(yùn)動(dòng)受阻而變熱的證明。認(rèn)為釘子敲打之后變熱，是運(yùn)動(dòng)受阻而變熱的證明。 笛卡爾笛卡爾認(rèn)為熱是物質(zhì)粒子的一種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；認(rèn)為熱是物質(zhì)粒子的一種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； 胡克胡克用顯微鏡觀察火花，認(rèn)為熱是物體各個(gè)部分非?；钴S和用顯微鏡觀察火花，認(rèn)為熱是物體各個(gè)部分非?；钴S和 極其猛烈的運(yùn)動(dòng)；極其猛烈的運(yùn)動(dòng)；羅蒙諾索夫羅蒙諾索夫提出熱的根源在于運(yùn)動(dòng)等。提出熱的根

20、源在于運(yùn)動(dòng)等。 1.熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究 2.2.熱質(zhì)說，即認(rèn)為熱是一種看不見無重量的物質(zhì)。熱質(zhì)說，即認(rèn)為熱是一種看不見無重量的物質(zhì)。熱質(zhì)的多少熱質(zhì)的多少 和在物體之間的流動(dòng)就會(huì)改變物體熱的程度。代表人物：伊壁和在物體之間的流動(dòng)就會(huì)改變物體熱的程度。代表人物：伊壁 鳩魯、卡諾等。熱質(zhì)說對(duì)熱現(xiàn)象的解釋鳩魯、卡諾等。熱質(zhì)說對(duì)熱現(xiàn)象的解釋 ：物質(zhì)溫度的變化是：物質(zhì)溫度的變化是 吸收或放出熱質(zhì)引起的；熱傳導(dǎo)是熱質(zhì)的流動(dòng)；摩擦生熱是潛吸收或放出熱質(zhì)引起的；熱傳導(dǎo)是熱質(zhì)的流動(dòng)；摩擦生熱是潛 熱被擠出來的，特別是瓦特在熱質(zhì)說的指導(dǎo)下改進(jìn)蒸汽機(jī)的成熱被擠出來的，特別是瓦特在熱質(zhì)說的指導(dǎo)下改進(jìn)蒸

21、汽機(jī)的成 功，都使人們相信熱質(zhì)說是正確的。功，都使人們相信熱質(zhì)說是正確的。 3.“3.“熱質(zhì)說熱質(zhì)說”的否定的否定 倫福德像倫福德像 1.熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究熱學(xué)現(xiàn)象的初期研究 倫福德和戴維的實(shí)驗(yàn)給熱質(zhì)說以倫福德和戴維的實(shí)驗(yàn)給熱質(zhì)說以 致命打擊，為熱的唯動(dòng)說提出了重要致命打擊，為熱的唯動(dòng)說提出了重要 的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。 17991799年，戴維年，戴維（Humphrey DavyHumphrey Davy， 1778-18291778-1829，英國化學(xué)家）作了在真空容器，英國化學(xué)家）作了在真空容器 中兩塊冰摩擦而融化的實(shí)驗(yàn)。按熱質(zhì)說觀中兩塊冰摩擦而融化的實(shí)驗(yàn)。按熱質(zhì)說觀 點(diǎn)，熱量來自摩擦

22、擠出的潛熱而使系統(tǒng)的點(diǎn)，熱量來自摩擦擠出的潛熱而使系統(tǒng)的 比熱變小，但實(shí)際上水的比熱比冰的還要比熱變小，但實(shí)際上水的比熱比冰的還要 大。大。 17981798年倫福德年倫福德(Count Rumford,(Count Rumford,英國英國) ) 由鉆頭加工炮筒時(shí)產(chǎn)生熱的現(xiàn)象，得出由鉆頭加工炮筒時(shí)產(chǎn)生熱的現(xiàn)象，得出 熱是物質(zhì)的一種運(yùn)動(dòng)形式，熱是物質(zhì)的一種運(yùn)動(dòng)形式， 一一.定律誕生的背景定律誕生的背景 二二.確立能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的確立能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的 三位科學(xué)家三位科學(xué)家 2 .熱力學(xué)第一定律的建立熱力學(xué)第一定律的建立 熱熱 力力 學(xué)學(xué) 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 熱熱 力

23、力 學(xué)學(xué) 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 熱和電：熱和電：德國物理學(xué)家塞貝克（德國物理學(xué)家塞貝克（Thomas Johann Thomas Johann Seebeck)Seebeck)于于18211821年實(shí)現(xiàn)了熱向電的轉(zhuǎn)化年實(shí)現(xiàn)了熱向電的轉(zhuǎn)化- -溫差電：他將銅導(dǎo)線溫差電：他將銅導(dǎo)線 和鉍導(dǎo)線連成一閉合回路，用手握住一個(gè)結(jié)點(diǎn)使兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)和鉍導(dǎo)線連成一閉合回路，用手握住一個(gè)結(jié)點(diǎn)使兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn) 生溫差，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線上出現(xiàn)電流，冷卻一個(gè)結(jié)點(diǎn)亦可出現(xiàn)電流。生溫差，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線上出現(xiàn)電流，冷卻一個(gè)結(jié)點(diǎn)亦可出現(xiàn)電流。 電轉(zhuǎn)化為熱：電轉(zhuǎn)化為熱：18341834年，法國的帕爾帖（年，法國的帕爾帖（Pelt

24、ier)Peltier)發(fā)現(xiàn)了它的發(fā)現(xiàn)了它的 逆效應(yīng)，即當(dāng)有電流通過時(shí)，結(jié)點(diǎn)處發(fā)生溫度變化。逆效應(yīng)，即當(dāng)有電流通過時(shí)，結(jié)點(diǎn)處發(fā)生溫度變化。18401840年年 和和18421842年，焦耳和楞次分別發(fā)現(xiàn)了電流轉(zhuǎn)化為熱的著名定律。年，焦耳和楞次分別發(fā)現(xiàn)了電流轉(zhuǎn)化為熱的著名定律。 熱能和機(jī)械能：熱能和機(jī)械能：倫福德和戴維的實(shí)驗(yàn)證明機(jī)械能向熱能倫福德和戴維的實(shí)驗(yàn)證明機(jī)械能向熱能 的轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化; ; 蒸汽機(jī)的發(fā)明和改進(jìn)蒸汽機(jī)的發(fā)明和改進(jìn)熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化; ; 一一 定律產(chǎn)生的背景定律產(chǎn)生的背景 1818世紀(jì)末到世紀(jì)末到1919世紀(jì)前半葉，自然科學(xué)上的一系列重大發(fā)世紀(jì)前半葉，自然科學(xué)

25、上的一系列重大發(fā) 現(xiàn)，廣泛的揭示出各種自然現(xiàn)象之間的普遍聯(lián)系和轉(zhuǎn)化。許現(xiàn)，廣泛的揭示出各種自然現(xiàn)象之間的普遍聯(lián)系和轉(zhuǎn)化。許 多科學(xué)家對(duì)這一定律的建立作出了一定貢獻(xiàn)。多科學(xué)家對(duì)這一定律的建立作出了一定貢獻(xiàn)。 熱熱 力力 學(xué)學(xué) 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 此外此外18011801年關(guān)于紫外線的化學(xué)作用的發(fā)現(xiàn)，年關(guān)于紫外線的化學(xué)作用的發(fā)現(xiàn)，18391839年用光年用光 照金屬極板改變電池的電動(dòng)勢(shì)的發(fā)現(xiàn)；照金屬極板改變電池的電動(dòng)勢(shì)的發(fā)現(xiàn)；18451845年光的偏振面的年光的偏振面的 磁致偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)等等，都從不同側(cè)面揭示了各種自然現(xiàn)磁致偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)等等，都從不同側(cè)面揭示了各種自然現(xiàn)

26、象之間的聯(lián)系和轉(zhuǎn)化。象之間的聯(lián)系和轉(zhuǎn)化。 化學(xué)反應(yīng)和熱：化學(xué)反應(yīng)和熱：18401840年彼得堡科學(xué)院的年彼得堡科學(xué)院的黑斯黑斯（G.H.Hess)G.H.Hess) 提出關(guān)于化學(xué)反應(yīng)中釋放熱量的重要定律：在一組物質(zhì)轉(zhuǎn)變提出關(guān)于化學(xué)反應(yīng)中釋放熱量的重要定律：在一組物質(zhì)轉(zhuǎn)變 為另一組物質(zhì)的過程中，不管反應(yīng)是通過那些步驟完成的，為另一組物質(zhì)的過程中，不管反應(yīng)是通過那些步驟完成的， 釋放的總熱量是恒定的。釋放的總熱量是恒定的。 電和化學(xué)：電和化學(xué)：18001800年伏打制成年伏打制成“伏打電堆伏打電堆”以及利用伏打以及利用伏打 電流進(jìn)行電解，從而完成了化學(xué)運(yùn)動(dòng)和電運(yùn)動(dòng)的相互轉(zhuǎn)化運(yùn)電流進(jìn)行電解，從而完成

27、了化學(xué)運(yùn)動(dòng)和電運(yùn)動(dòng)的相互轉(zhuǎn)化運(yùn) 動(dòng)。動(dòng)。 電和磁：電和磁：18201820年奧斯特關(guān)于電流的磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和年奧斯特關(guān)于電流的磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和18311831 年法拉第關(guān)于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)完成了電和磁間的相互轉(zhuǎn)年法拉第關(guān)于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)完成了電和磁間的相互轉(zhuǎn) 化化 卡諾像卡諾像 熱熱 力力 學(xué)學(xué) 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 能量轉(zhuǎn)化與守恒思想的萌發(fā)能量轉(zhuǎn)化與守恒思想的萌發(fā) 俄國的俄國的黑斯黑斯 18301830年，法國薩迪年，法國薩迪卡諾卡諾：“ 準(zhǔn)確地說，它既不會(huì)創(chuàng)生也不會(huì)準(zhǔn)確地說，它既不會(huì)創(chuàng)生也不會(huì) 消滅，實(shí)際上，它只改變了它的消滅，實(shí)際上，它只改變了它的 形式。形式?！?

28、” 但卡諾患了猩紅熱，腦膜炎但卡諾患了猩紅熱，腦膜炎 ，不幸又患了流行性霍亂，于，不幸又患了流行性霍亂，于 18321832年去世，享年年去世，享年3636歲?？ㄖZ的歲?？ㄖZ的 這一思想，在這一思想，在18781878年才由其弟弟年才由其弟弟 整理發(fā)表，但熱力學(xué)第一定律已整理發(fā)表，但熱力學(xué)第一定律已 建立建立2727年。年。 總之總之，到了，到了1919世紀(jì)世紀(jì)4040年代前后，歐洲科學(xué)年代前后，歐洲科學(xué) 界已經(jīng)普遍蘊(yùn)含著一種思想氣氛，以一種聯(lián)系界已經(jīng)普遍蘊(yùn)含著一種思想氣氛，以一種聯(lián)系 的觀點(diǎn)去觀察自然現(xiàn)象。正是在這種情況下，的觀點(diǎn)去觀察自然現(xiàn)象。正是在這種情況下， 以西歐為中心，從事七八種專

29、業(yè)的十多位科學(xué)以西歐為中心，從事七八種專業(yè)的十多位科學(xué) 家，分別通過不同途徑，各自獨(dú)立的發(fā)現(xiàn)了能家，分別通過不同途徑，各自獨(dú)立的發(fā)現(xiàn)了能 量守恒原理。量守恒原理。 貢獻(xiàn)最為突出的有三位科學(xué)家，他們是：德貢獻(xiàn)最為突出的有三位科學(xué)家，他們是：德 國的醫(yī)生國的醫(yī)生邁爾邁爾，英國的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，英國的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家焦耳焦耳, ,德國德國 的生物學(xué)家、物理學(xué)家的生物學(xué)家、物理學(xué)家亥姆霍茲亥姆霍茲。 熱熱 力力 學(xué)學(xué) 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 1.德國的邁爾德國的邁爾 羅伯特羅伯特邁爾（邁爾（Robert Robert Mayer,1814-1878)Mayer,1814-1878)邁爾，邁

30、爾，18141814出生出生 于德國海爾布隆一個(gè)藥劑師家庭，于德國海爾布隆一個(gè)藥劑師家庭， 18321832年進(jìn)入蒂賓根大學(xué)醫(yī)學(xué)系學(xué)習(xí)，年進(jìn)入蒂賓根大學(xué)醫(yī)學(xué)系學(xué)習(xí)， 18371837年因參加一個(gè)秘密學(xué)生團(tuán)體而年因參加一個(gè)秘密學(xué)生團(tuán)體而 被捕并被學(xué)校開除，被捕并被學(xué)校開除，18381838年完成醫(yī)年完成醫(yī) 學(xué)博士學(xué)位論文答辯，獲醫(yī)師執(zhí)照學(xué)博士學(xué)位論文答辯，獲醫(yī)師執(zhí)照 而開始行醫(yī)。而開始行醫(yī)。18401840年年-1841-1841年擔(dān)任開年擔(dān)任開 往東印度的荷蘭輪船的隨船醫(yī)生。往東印度的荷蘭輪船的隨船醫(yī)生。 熱熱 力力 學(xué)學(xué) 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 邁爾像邁爾像 二二.確立能量

31、轉(zhuǎn)化與守恒定律的三位科學(xué)家確立能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的三位科學(xué)家 在一次駛往印度尼西亞的航行中，給生病的船員做手在一次駛往印度尼西亞的航行中，給生病的船員做手 術(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)血的顏色比溫帶地區(qū)的新鮮紅亮。經(jīng)過思考，術(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)血的顏色比溫帶地區(qū)的新鮮紅亮。經(jīng)過思考， 他認(rèn)為，在熱帶高溫情況下，機(jī)體消耗食物和氧的量減少，他認(rèn)為，在熱帶高溫情況下，機(jī)體消耗食物和氧的量減少， 所以靜脈血中流下了較多的氧。所以靜脈血中流下了較多的氧。 18411841年年航行結(jié)束后，撰寫了航行結(jié)束后，撰寫了論力的質(zhì)和量的測(cè)定論力的質(zhì)和量的測(cè)定， 并并18411841年年7 7月寄給當(dāng)時(shí)的德國物理學(xué)雜志主編月寄給當(dāng)時(shí)的德國物理學(xué)

32、雜志主編波根道夫波根道夫 (J.C.Poggendorff)(J.C.Poggendorff)，但被認(rèn)為邁爾的文章引入了思辯性內(nèi)容，但被認(rèn)為邁爾的文章引入了思辯性內(nèi)容 且缺少精確的實(shí)驗(yàn)根據(jù)而未發(fā)表。且缺少精確的實(shí)驗(yàn)根據(jù)而未發(fā)表。 熱熱 力力 學(xué)學(xué) 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 18421842年年撰文撰文論無機(jī)界的力論無機(jī)界的力，被一向注意各種力之間關(guān)系，被一向注意各種力之間關(guān)系 的李比希發(fā)表于他主編的的李比希發(fā)表于他主編的化學(xué)和藥學(xué)年刊化學(xué)和藥學(xué)年刊上。上。 在這篇文章中，邁爾從在這篇文章中，邁爾從“無中生有，有中生無無中生有，有中生無”和和“原因等原因等 于結(jié)果于結(jié)果”等哲學(xué)觀

33、點(diǎn)出發(fā)，表達(dá)了物理、化學(xué)過程中的力等哲學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，表達(dá)了物理、化學(xué)過程中的力 （能量）的守恒思想?？疾炝擞茫芰浚┑氖睾闼枷??？疾炝擞谩跋侣淞ο侣淞Α鞭D(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)來論轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)來論 證力的轉(zhuǎn)化和守恒。證力的轉(zhuǎn)化和守恒。 在這篇文章的末尾，提出了建立不同的力之間數(shù)值上的當(dāng)量在這篇文章的末尾，提出了建立不同的力之間數(shù)值上的當(dāng)量 關(guān)系的必要性。關(guān)系的必要性?！袄缥覀儜?yīng)確定，為把與該物體重量相等例如我們應(yīng)確定，為把與該物體重量相等 的水從的水從00加熱到加熱到11，應(yīng)該把這個(gè)重物生起多高，應(yīng)該把這個(gè)重物生起多高”。 18451845年寫了年寫了與有機(jī)運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系的新陳代謝與有機(jī)運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系的新陳代謝。但這

34、篇文章。但這篇文章 也被拒絕發(fā)表，邁爾只好以小冊(cè)子的形式自費(fèi)發(fā)行。文中寫也被拒絕發(fā)表，邁爾只好以小冊(cè)子的形式自費(fèi)發(fā)行。文中寫 道：道：“力的轉(zhuǎn)化與守恒定律是支配宇宙的普遍規(guī)律。力的轉(zhuǎn)化與守恒定律是支配宇宙的普遍規(guī)律?！?” 并并 具體考察了具體考察了5 5種不同形式的力：種不同形式的力： 第一種，運(yùn)動(dòng)的力：第一種，運(yùn)動(dòng)的力：實(shí)際為動(dòng)能，他以彈性碰撞為例，指出實(shí)際為動(dòng)能，他以彈性碰撞為例，指出 在彈性碰撞過程中在彈性碰撞過程中“活力守恒活力守恒”。 第二種力：下落力，第二種力：下落力，即重力勢(shì)能。邁爾指出，即重力勢(shì)能。邁爾指出，“下落力的大下落力的大 小以重量和這個(gè)高度的乘積來量度小以重量和這個(gè)

35、高度的乘積來量度”。 第三種力：熱。第三種力：熱。“熱力是能夠轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的力熱力是能夠轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的力”。蒸汽機(jī)車。蒸汽機(jī)車 就是例證。并具體計(jì)算了熱功當(dāng)量：氣體在定壓膨脹時(shí)，溫就是例證。并具體計(jì)算了熱功當(dāng)量：氣體在定壓膨脹時(shí)，溫 度每改變度每改變11，體積體積約增大，體積體積約增大1/2741/274，所以，所以在這個(gè)過程中氣在這個(gè)過程中氣 體對(duì)外做的功體對(duì)外做的功相當(dāng)于反抗相當(dāng)于反抗1.0331.033千克的力移動(dòng)千克的力移動(dòng)1/2741/274厘米時(shí)的厘米時(shí)的 功。即功。即A=1.033A=1.0331/27400kgm = 3.781/27400kgm = 3.781010-5 -5kg

36、m kgm。 第四種力：磁和電；第五種力：化學(xué)力。第四種力：磁和電；第五種力：化學(xué)力。并列舉了這些并列舉了這些“力力” 之間相互轉(zhuǎn)化的之間相互轉(zhuǎn)化的2525種形式。種形式。 19481948年出版了年出版了天體動(dòng)力學(xué)天體動(dòng)力學(xué)。 就在這一年，由于許多人的工作，能量守恒原理已得就在這一年，由于許多人的工作，能量守恒原理已得 到普遍承認(rèn)，但卻發(fā)生了到普遍承認(rèn)，但卻發(fā)生了“能量守恒定律能量守恒定律”發(fā)現(xiàn)優(yōu)先權(quán)的發(fā)現(xiàn)優(yōu)先權(quán)的 爭(zhēng)論。焦耳等英國學(xué)者否定其工作，認(rèn)為他只是預(yù)見了在爭(zhēng)論。焦耳等英國學(xué)者否定其工作，認(rèn)為他只是預(yù)見了在 熱和功之間存在一定的數(shù)值關(guān)系，但沒有完成熱功當(dāng)量的熱和功之間存在一定的數(shù)值關(guān)

37、系，但沒有完成熱功當(dāng)量的 計(jì)算。邁爾則發(fā)表文章進(jìn)行反駁，并指出自己在計(jì)算。邁爾則發(fā)表文章進(jìn)行反駁，并指出自己在18421842年就年就 已經(jīng)公布了熱和活力的等價(jià)性及其數(shù)值關(guān)系。但英國雜志已經(jīng)公布了熱和活力的等價(jià)性及其數(shù)值關(guān)系。但英國雜志 上只出現(xiàn)批評(píng)邁爾的文章，而不刊登邁爾的答辯文章。一上只出現(xiàn)批評(píng)邁爾的文章，而不刊登邁爾的答辯文章。一 部分德國物理學(xué)家譏笑他不懂物理，而在此期間他的兩個(gè)部分德國物理學(xué)家譏笑他不懂物理，而在此期間他的兩個(gè) 孩子夭折，孩子夭折，18481848年德國革命時(shí)由于他觀點(diǎn)保守而被起義者年德國革命時(shí)由于他觀點(diǎn)保守而被起義者 逮捕，致使其于逮捕，致使其于18491849年年

38、5 5月跳樓自殺未遂，造成終身殘疾，月跳樓自殺未遂，造成終身殘疾， 18511851年患腦炎被人當(dāng)作瘋子送進(jìn)瘋?cè)嗽?。直到年患腦炎被人當(dāng)作瘋子送進(jìn)瘋?cè)嗽?。直?8621862年才恢年才恢 復(fù)科學(xué)活動(dòng)。復(fù)科學(xué)活動(dòng)。 熱熱 力力 學(xué)學(xué) 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 邁爾是將熱學(xué)觀點(diǎn)用于有機(jī)世界研究的第一人。邁爾是將熱學(xué)觀點(diǎn)用于有機(jī)世界研究的第一人。 恩格斯對(duì)邁爾的工作給予很高的評(píng)價(jià)。恩格斯對(duì)邁爾的工作給予很高的評(píng)價(jià)。 2.海爾曼海爾曼 亥姆霍茲亥姆霍茲(Hermann Helmholtz,1821-1894) 18211821年年8 8月月3131日生于德國波茨坦，日生于德國波茨坦，18

39、381838年考入柏林雷年考入柏林雷 德里克德里克威廉皇家醫(yī)學(xué)院，以優(yōu)異成績(jī)于威廉皇家醫(yī)學(xué)院，以優(yōu)異成績(jī)于18421842年畢業(yè)，擔(dān)年畢業(yè)，擔(dān) 任了軍醫(yī)，并開始進(jìn)行物理學(xué)研究。任了軍醫(yī)，并開始進(jìn)行物理學(xué)研究。18471847年，在不了解邁年，在不了解邁 爾等人工作的情況下，提出了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。爾等人工作的情況下，提出了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。18551855 年最早測(cè)量了神經(jīng)脈動(dòng)速率，把物理方法應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)年最早測(cè)量了神經(jīng)脈動(dòng)速率，把物理方法應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng) 的研究，由此被稱為的研究，由此被稱為生物物理學(xué)的鼻祖生物物理學(xué)的鼻祖。先后擔(dān)任波恩大。先后擔(dān)任波恩大 學(xué)、柯尼斯堡大學(xué)、海德爾貝格大學(xué)

40、等校的生理學(xué)教授，學(xué)、柯尼斯堡大學(xué)、海德爾貝格大學(xué)等校的生理學(xué)教授， 18711871年起，在柏林大學(xué)任物理學(xué)教授，年起，在柏林大學(xué)任物理學(xué)教授，18881888年任夏洛騰堡年任夏洛騰堡 物理技術(shù)研究所所長(zhǎng)。著有物理技術(shù)研究所所長(zhǎng)。著有生物光學(xué)手冊(cè)生物光學(xué)手冊(cè)、音樂理音樂理 論的生理基礎(chǔ)論的生理基礎(chǔ)、論力的守恒論力的守恒等書。培養(yǎng)了一大批優(yōu)等書。培養(yǎng)了一大批優(yōu) 秀人才。赫茲、普朗克等人都是他的學(xué)生。秀人才。赫茲、普朗克等人都是他的學(xué)生。 熱熱 力力 學(xué)學(xué) 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 亥姆霍茲認(rèn)為，大自然是統(tǒng)一的，亥姆霍茲認(rèn)為，大自然是統(tǒng)一的， 自然力是守恒的。自然力是守恒的。18

41、471847年，發(fā)表著名論年，發(fā)表著名論 文文力的守恒力的守恒，闡述了有心力作用下，闡述了有心力作用下 機(jī)械能守恒原理：機(jī)械能守恒原理：“當(dāng)自由質(zhì)點(diǎn)在吸力當(dāng)自由質(zhì)點(diǎn)在吸力 和斥力作用下而運(yùn)動(dòng)的一切場(chǎng)合，所具和斥力作用下而運(yùn)動(dòng)的一切場(chǎng)合，所具 有的活力和張力總是守恒的。有的活力和張力總是守恒的。”這里活這里活 力是動(dòng)能，張力是勢(shì)能。但同樣由于論力是動(dòng)能，張力是勢(shì)能。但同樣由于論 文中含有思辯性內(nèi)容而未能發(fā)表，因此文中含有思辯性內(nèi)容而未能發(fā)表，因此 亥姆霍茲也以小冊(cè)子的形式在柏林單獨(dú)亥姆霍茲也以小冊(cè)子的形式在柏林單獨(dú) 出版了這篇論文。出版了這篇論文。 但亥姆霍茲并沒有參與優(yōu)先權(quán)的但亥姆霍茲并沒有參

42、與優(yōu)先權(quán)的 問題，后來他了解了邁爾的論文后說問題，后來他了解了邁爾的論文后說 “我們必須承認(rèn)，邁爾不依賴于別人而我們必須承認(rèn)，邁爾不依賴于別人而 獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了這個(gè)思想。獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了這個(gè)思想?！?熱熱 力力 學(xué)學(xué) 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 亥姆霍茲亥姆霍茲 像像 3.焦耳焦耳(James Prescott Joule,1818-1889)的實(shí)驗(yàn)研究的實(shí)驗(yàn)研究 焦耳焦耳(1818-1889)(1818-1889)是英國著名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，家境富裕。是英國著名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，家境富裕。 1616歲在名家道爾頓處學(xué)習(xí)，使他對(duì)科學(xué)濃厚興趣。歲在名家道爾頓處學(xué)習(xí)，使他對(duì)科學(xué)濃厚興趣。 當(dāng)時(shí)電機(jī)

43、剛出現(xiàn)，焦耳注意到電機(jī)和電路中的發(fā)熱現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)電機(jī)剛出現(xiàn)，焦耳注意到電機(jī)和電路中的發(fā)熱現(xiàn)象， 通過實(shí)驗(yàn)，焦耳于通過實(shí)驗(yàn)，焦耳于18401840年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn):“:“產(chǎn)生的熱量與導(dǎo)體電阻和電產(chǎn)生的熱量與導(dǎo)體電阻和電 流平方成正比流平方成正比”并發(fā)表于并發(fā)表于論伏打電所產(chǎn)生的熱論伏打電所產(chǎn)生的熱論文中，這論文中，這 就是著名的焦耳就是著名的焦耳楞次定律。楞次定律。 18431843年進(jìn)行了感應(yīng)電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)和電解時(shí)熱效應(yīng)的實(shí)年進(jìn)行了感應(yīng)電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)和電解時(shí)熱效應(yīng)的實(shí) 驗(yàn)，寫了兩篇關(guān)鍵性論文驗(yàn)，寫了兩篇關(guān)鍵性論文論磁電的熱效應(yīng)和熱的機(jī)械值論磁電的熱效應(yīng)和熱的機(jī)械值 和和論水電解時(shí)產(chǎn)生的熱論水電解

44、時(shí)產(chǎn)生的熱，明確指出：，明確指出：“自然界的能是不能自然界的能是不能 消滅的，哪里消耗了機(jī)械能，總能得到相應(yīng)的熱，熱只是能的消滅的，哪里消耗了機(jī)械能，總能得到相應(yīng)的熱，熱只是能的 一種形式。一種形式?！?焦耳使一個(gè)線圈在電磁體的兩極之間轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，焦耳使一個(gè)線圈在電磁體的兩極之間轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流， 線圈放在量熱器內(nèi)，證實(shí)了熱可以由磁電機(jī)產(chǎn)生。從這個(gè)實(shí)驗(yàn)線圈放在量熱器內(nèi)，證實(shí)了熱可以由磁電機(jī)產(chǎn)生。從這個(gè)實(shí)驗(yàn) 焦耳立即領(lǐng)悟到熱和機(jī)械功可以互相轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化過程中遵從焦耳立即領(lǐng)悟到熱和機(jī)械功可以互相轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化過程中遵從 一定的當(dāng)量關(guān)系。一定的當(dāng)量關(guān)系。 熱熱 力力 學(xué)學(xué) 第第 一一 定定 律律

45、 的的 建建 立立 為了測(cè)定機(jī)械功和熱之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，焦耳設(shè)計(jì)了為了測(cè)定機(jī)械功和熱之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，焦耳設(shè)計(jì)了 “熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)儀熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)儀”，焦耳在磁電機(jī)線圈的轉(zhuǎn)軸上繞兩條線，焦耳在磁電機(jī)線圈的轉(zhuǎn)軸上繞兩條線， 跨過兩個(gè)定滑輪后掛上幾磅重的砝碼，由砝碼的重量和下落跨過兩個(gè)定滑輪后掛上幾磅重的砝碼，由砝碼的重量和下落 的距離計(jì)算出所做的功。測(cè)得熱功當(dāng)量為的距離計(jì)算出所做的功。測(cè)得熱功當(dāng)量為428.9428.9千克力米千克力米/ /千千 卡。卡。18441844年又做了把水壓入毛細(xì)管的實(shí)驗(yàn)和壓縮空氣實(shí)驗(yàn)，年又做了把水壓入毛細(xì)管的實(shí)驗(yàn)和壓縮空氣實(shí)驗(yàn)， 測(cè)出了熱功當(dāng)量分別為測(cè)出了熱功當(dāng)量分別為424

46、.9424.9千克力米千克力米/ /千卡和千卡和443.8443.8千克力千克力 米米/ /千卡。千卡。 18491849年發(fā)表年發(fā)表論熱功當(dāng)量論熱功當(dāng)量。 熱熱 力力 學(xué)學(xué) 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 焦耳測(cè)定熱功當(dāng)量的工作一直進(jìn)行到焦耳測(cè)定熱功當(dāng)量的工作一直進(jìn)行到18781878年，先后采用不年，先后采用不 同的方法做了同的方法做了400400多次實(shí)驗(yàn)。以精確的數(shù)據(jù)為能量守恒原理多次實(shí)驗(yàn)。以精確的數(shù)據(jù)為能量守恒原理 提供了無可置疑的實(shí)驗(yàn)證明。提供了無可置疑的實(shí)驗(yàn)證明。18501850年焦耳當(dāng)選為英國皇家年焦耳當(dāng)選為英國皇家 學(xué)會(huì)會(huì)員。學(xué)會(huì)會(huì)員。 18781878年發(fā)表年發(fā)表熱

47、功當(dāng)量的新測(cè)定熱功當(dāng)量的新測(cè)定，最后得到的數(shù)值為，最后得到的數(shù)值為 423.85423.85千克千克米米/ /千卡。千卡。 焦?fàn)枩y(cè)量熱功當(dāng)量的一種實(shí)驗(yàn)裝置焦?fàn)枩y(cè)量熱功當(dāng)量的一種實(shí)驗(yàn)裝置 -漿葉實(shí)驗(yàn)漿葉實(shí)驗(yàn) 焦耳像焦耳像 由于當(dāng)時(shí)熱質(zhì)說占主導(dǎo)地位，焦耳的研究和當(dāng)時(shí)法國工由于當(dāng)時(shí)熱質(zhì)說占主導(dǎo)地位，焦耳的研究和當(dāng)時(shí)法國工 程師們所建立的熱機(jī)理論相矛盾，因此焦耳的研究也并不順程師們所建立的熱機(jī)理論相矛盾，因此焦耳的研究也并不順 利。利。18431843年焦耳證實(shí)了熱是一種能量交換的形式，遭到了一年焦耳證實(shí)了熱是一種能量交換的形式，遭到了一 些大物理學(xué)家的懷疑和不信任，些大物理學(xué)家的懷疑和不信任，184

48、41844年，他要求在皇家學(xué)會(huì)年，他要求在皇家學(xué)會(huì) 宣讀自己的論文，遭到拒絕。宣讀自己的論文，遭到拒絕。18471847年在牛津舉行的英國科學(xué)年在牛津舉行的英國科學(xué) 促進(jìn)會(huì)上，會(huì)議主席以會(huì)議內(nèi)容太多為由，要求他只將其實(shí)促進(jìn)會(huì)上，會(huì)議主席以會(huì)議內(nèi)容太多為由，要求他只將其實(shí) 驗(yàn)做簡(jiǎn)單介紹。結(jié)果當(dāng)時(shí)著名的物理學(xué)家驗(yàn)做簡(jiǎn)單介紹。結(jié)果當(dāng)時(shí)著名的物理學(xué)家W.W.湯姆遜湯姆遜對(duì)焦耳的對(duì)焦耳的 實(shí)驗(yàn)和觀點(diǎn)提出質(zhì)疑，從而引起人們對(duì)焦耳工作的注意。此實(shí)驗(yàn)和觀點(diǎn)提出質(zhì)疑，從而引起人們對(duì)焦耳工作的注意。此 后，焦耳繼續(xù)努力，后，焦耳繼續(xù)努力，18501850年當(dāng)選為英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，這也年當(dāng)選為英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，這也

49、 標(biāo)志著英國科學(xué)界觀點(diǎn)的明顯轉(zhuǎn)變。標(biāo)志著英國科學(xué)界觀點(diǎn)的明顯轉(zhuǎn)變。 但是關(guān)于這一原理的表述并不完善，恩格斯指出，運(yùn)動(dòng)但是關(guān)于這一原理的表述并不完善，恩格斯指出，運(yùn)動(dòng) 的不滅性不能僅僅從數(shù)量上去把握，還應(yīng)從質(zhì)的轉(zhuǎn)化上去理的不滅性不能僅僅從數(shù)量上去把握，還應(yīng)從質(zhì)的轉(zhuǎn)化上去理 解。于是恩格斯將這一原理稱之為解。于是恩格斯將這一原理稱之為“能量轉(zhuǎn)化和守恒定律能量轉(zhuǎn)化和守恒定律”。 永動(dòng)機(jī)的研究永動(dòng)機(jī)的研究 永動(dòng)機(jī)的研究是導(dǎo)致能量守恒原理建立的另一個(gè)重要線永動(dòng)機(jī)的研究是導(dǎo)致能量守恒原理建立的另一個(gè)重要線 索。索。 早期最著名的一個(gè)永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案，是十三世紀(jì)的法國早期最著名的一個(gè)永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案，是十三世紀(jì)

50、的法國 人人亨內(nèi)考亨內(nèi)考(Villard de Honnecourt)設(shè)計(jì)的。如下圖設(shè)計(jì)的。如下圖( (左左) )所示。所示。 后來后來列奧多列奧多也設(shè)計(jì)了一臺(tái)類似的裝置，如下圖也設(shè)計(jì)了一臺(tái)類似的裝置，如下圖( (右右) )。 永動(dòng)機(jī)永動(dòng)機(jī) 4 熱力學(xué)第一定律的表述熱力學(xué)第一定律的表述 熱力學(xué)第一定律即能量守恒和轉(zhuǎn)化定律，其熱力學(xué)第一定律即能量守恒和轉(zhuǎn)化定律，其 第一種表述為第一種表述為：自然界一切物質(zhì)都具有能量，能量有各種不：自然界一切物質(zhì)都具有能量，能量有各種不 同的形式，能夠從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個(gè)同的形式，能夠從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個(gè) 物體傳遞給另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化和

51、傳遞中能量的數(shù)量不物體傳遞給另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化和傳遞中能量的數(shù)量不 變。變。 熱熱 力力 學(xué)學(xué) 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 能量守恒和轉(zhuǎn)化定律是自然界基本規(guī)律，恩格斯曾將能量守恒和轉(zhuǎn)化定律是自然界基本規(guī)律，恩格斯曾將它它 和進(jìn)化論、細(xì)胞學(xué)說并列為和進(jìn)化論、細(xì)胞學(xué)說并列為1919世紀(jì)的三大發(fā)現(xiàn)世紀(jì)的三大發(fā)現(xiàn)。 第二種表述為第二種表述為：第一種永動(dòng)機(jī)是不可能造成的。：第一種永動(dòng)機(jī)是不可能造成的。 數(shù)學(xué)表達(dá)式為：數(shù)學(xué)表達(dá)式為：U U2 2-U-U1 1=Q+A=Q+A U U內(nèi)能，狀態(tài)函數(shù)內(nèi)能，狀態(tài)函數(shù) 5.5.熱力學(xué)第一定律建立的成因熱力學(xué)第一定律建立的成因 1 1）理論）理論邁爾邁

52、爾 2 2）實(shí)驗(yàn)）實(shí)驗(yàn)焦耳焦耳 3 3）一批科學(xué)家的不懈努力）一批科學(xué)家的不懈努力 4 4）說明了客觀條件成熟，相應(yīng)的自然規(guī)律一定會(huì)）說明了客觀條件成熟，相應(yīng)的自然規(guī)律一定會(huì) 發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)。 熱熱 力力 學(xué)學(xué) 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 熱熱 力力 學(xué)學(xué) 第第 二二 定定 律律 的的 建建 立立 3 3 熱力學(xué)第二定律的建立熱力學(xué)第二定律的建立 熱力學(xué)第一定律確定了一個(gè)封閉系統(tǒng)的能熱力學(xué)第一定律確定了一個(gè)封閉系統(tǒng)的能 量是一定的，確定了各種形式能量之間轉(zhuǎn)化的量是一定的，確定了各種形式能量之間轉(zhuǎn)化的 當(dāng)量關(guān)系。當(dāng)量關(guān)系。但它對(duì)能量轉(zhuǎn)化過程所進(jìn)行的方向但它對(duì)能量轉(zhuǎn)化過程所進(jìn)行的方向 和

53、限度并未給出規(guī)定和判斷。和限度并未給出規(guī)定和判斷。比如熱不會(huì)自動(dòng)比如熱不會(huì)自動(dòng) 地由低溫傳向高溫，過程具有方向性。這就導(dǎo)地由低溫傳向高溫，過程具有方向性。這就導(dǎo) 致了熱力學(xué)第二定律的出臺(tái)。德國的致了熱力學(xué)第二定律的出臺(tái)。德國的克勞修斯克勞修斯、 英國的威廉英國的威廉湯姆遜湯姆遜（即開爾文）和奧地利的（即開爾文）和奧地利的玻玻 爾茲曼爾茲曼等科學(xué)家為此做了重要貢獻(xiàn)。等科學(xué)家為此做了重要貢獻(xiàn)。19171917年，年， 德國能斯特進(jìn)一步提出德國能斯特進(jìn)一步提出“絕對(duì)零度是不可能達(dá)絕對(duì)零度是不可能達(dá) 到的到的”熱力學(xué)第三定律。熱力學(xué)第三定律。 一一 卡諾卡諾(Sadi Carnot,1796-1832

54、)(Sadi Carnot,1796-1832)的熱機(jī)理論的熱機(jī)理論 熱熱 力力 學(xué)學(xué) 第第 二二 定定 律律 的的 建建 立立 類比：類比：蒸汽機(jī)的熱質(zhì)（熱質(zhì)說）從高溫加熱器傳向低溫蒸汽機(jī)的熱質(zhì)（熱質(zhì)說）從高溫加熱器傳向低溫 冷凝器而做功，就好象水車靠水從高處流向低處而做功一樣。冷凝器而做功，就好象水車靠水從高處流向低處而做功一樣。 從而得出一正確結(jié)論：蒸汽機(jī)至少必須工作在一個(gè)高溫?zé)嵩磸亩贸鲆徽_結(jié)論：蒸汽機(jī)至少必須工作在一個(gè)高溫?zé)嵩?和一個(gè)低溫?zé)嵩粗g，凡是有溫差的地方就能夠產(chǎn)生動(dòng)力。和一個(gè)低溫?zé)嵩粗g，凡是有溫差的地方就能夠產(chǎn)生動(dòng)力。 但他認(rèn)為在這一過程中熱質(zhì)守恒，即從高溫?zé)嵩捶懦龅臒?/p>

55、量但他認(rèn)為在這一過程中熱質(zhì)守恒，即從高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃?和低溫?zé)嵩唇邮盏臒崃肯嗟?。和低溫?zé)嵩唇邮盏臒崃肯嗟取?1824 1824年，卡諾出版了年，卡諾出版了關(guān)于火的動(dòng)力思考關(guān)于火的動(dòng)力思考，總結(jié)了他早，總結(jié)了他早 期的研究成果。他給自己提出的實(shí)際任務(wù)是：闡明熱機(jī)工作的期的研究成果。他給自己提出的實(shí)際任務(wù)是：闡明熱機(jī)工作的 原理，找出熱機(jī)不完善的原因，以提高熱機(jī)的效率。原理，找出熱機(jī)不完善的原因，以提高熱機(jī)的效率。 在研究工作中，在研究工作中，卡諾出色運(yùn)用了類比和建立理想模型的方卡諾出色運(yùn)用了類比和建立理想模型的方 法。法。 薩迪薩迪卡諾，卡諾，法國工程師，法國工程師，18121812年進(jìn)入巴黎

56、多科工藝學(xué)院年進(jìn)入巴黎多科工藝學(xué)院 學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)，18141814年又進(jìn)入工兵學(xué)校學(xué)習(xí)軍事，年又進(jìn)入工兵學(xué)校學(xué)習(xí)軍事，18161816年成為軍事工年成為軍事工 程師，程師，18281828年退役，之后專心研究熱機(jī)理論。年退役，之后專心研究熱機(jī)理論。18321832年年8 8月月2424日日 因霍亂病逝。因霍亂病逝。 19 19世紀(jì)初，蒸汽機(jī)在英國使用已有世紀(jì)初，蒸汽機(jī)在英國使用已有100100多年的歷史，大多年的歷史，大 拿英國的工程師如瓦特等，大多是自學(xué)成材，他們憑借實(shí)踐拿英國的工程師如瓦特等，大多是自學(xué)成材，他們憑借實(shí)踐 經(jīng)驗(yàn)和熟練的技術(shù)摸索著改進(jìn)蒸汽機(jī)。但在法國則不同，法經(jīng)驗(yàn)和熟練的技術(shù)摸

57、索著改進(jìn)蒸汽機(jī)。但在法國則不同，法 國的理論科學(xué)家和實(shí)用工程師多是在學(xué)院中培養(yǎng)出來的，他國的理論科學(xué)家和實(shí)用工程師多是在學(xué)院中培養(yǎng)出來的，他 們更注意蒸汽機(jī)的理論和原理的研究?？ㄖZ就是如此。卡諾們更注意蒸汽機(jī)的理論和原理的研究。卡諾就是如此。卡諾 分析了蒸汽機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作過程后，撇開了一切次要因分析了蒸汽機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作過程后，撇開了一切次要因 素，以普遍理論的形式提出了熱機(jī)的理想模型。素，以普遍理論的形式提出了熱機(jī)的理想模型。 理想熱機(jī)理想熱機(jī)的效率僅取決于加熱器和冷凝器的溫度，與工的效率僅取決于加熱器和冷凝器的溫度，與工 作物質(zhì)無關(guān)，其工作過程由兩個(gè)等溫過程（當(dāng)工作物質(zhì)與兩作物質(zhì)無關(guān)

58、，其工作過程由兩個(gè)等溫過程（當(dāng)工作物質(zhì)與兩 個(gè)熱源接觸時(shí)）和兩個(gè)絕熱過程（當(dāng)工作物質(zhì)和兩個(gè)熱源脫個(gè)熱源接觸時(shí)）和兩個(gè)絕熱過程（當(dāng)工作物質(zhì)和兩個(gè)熱源脫 離時(shí)）組成一個(gè)循環(huán)。且它的一切過程可以逆方向進(jìn)行，稱離時(shí)）組成一個(gè)循環(huán)。且它的一切過程可以逆方向進(jìn)行，稱 為可逆卡諾熱機(jī)。并且由此得出：任何實(shí)際熱機(jī)的效率都不為可逆卡諾熱機(jī)。并且由此得出：任何實(shí)際熱機(jī)的效率都不 可能大于在同樣兩熱源之間工作的卡諾熱機(jī)的效率?？赡艽笥谠谕瑯觾蔁嵩粗g工作的卡諾熱機(jī)的效率。 但由于他的過早病逝，使他未能繼續(xù)熱機(jī)的研究。但由于他的過早病逝，使他未能繼續(xù)熱機(jī)的研究。 二二 熱力學(xué)第二定律的物理表述熱力學(xué)第二定律的物理表述

59、 1.1.熱力學(xué)第二定律的提出熱力學(xué)第二定律的提出： 1919世紀(jì)中葉，開爾文（即威廉世紀(jì)中葉，開爾文（即威廉湯姆遜）提出，根據(jù)能量湯姆遜）提出，根據(jù)能量 的轉(zhuǎn)化和守恒定律，對(duì)于熱機(jī)應(yīng)有的轉(zhuǎn)化和守恒定律，對(duì)于熱機(jī)應(yīng)有Q Q1 1=Q=Q2 2+A+A，所以熱機(jī)的效率，所以熱機(jī)的效率 為：為：=A/Q=A/Q1 1=(Q=(Q1 1-Q-Q2 2)/Q)/Q1 1= =1-1-Q Q2 2/Q/Q1 1 從此式可看出，從此式可看出，Q Q2 2越小，熱機(jī)效率越小，熱機(jī)效率越高。當(dāng)越高。當(dāng)Q Q2 2=0=0時(shí)時(shí) =1=1，但大量事實(shí)說明熱機(jī)不可能只從單一熱源吸取熱量完，但大量事實(shí)說明熱機(jī)不可能只

60、從單一熱源吸取熱量完 全變?yōu)楣Γ豢杀苊獾貙⒁徊糠譄崃總鹘o低溫?zé)嵩?。全變?yōu)楣?，而不可避免地將一部分熱量傳給低溫?zé)嵩础?18511851年，開爾文在總結(jié)這些及其它一些實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)年，開爾文在總結(jié)這些及其它一些實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ) 上提出了上提出了熱力學(xué)第二定律的開爾文表述：熱力學(xué)第二定律的開爾文表述：不可能從單一熱源不可能從單一熱源 吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其他影響。吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其他影響。 熱力學(xué)第二定律的第二種開爾文表述為：熱力學(xué)第二定律的第二種開爾文表述為：第二種永動(dòng)機(jī)第二種永動(dòng)機(jī) 是不可能造成的。是不可能造成的。 克勞修斯的貢獻(xiàn)：克勞修斯的貢獻(xiàn)： 克勞