熱力學(xué)發(fā)展簡史

1、熱力學(xué)發(fā)展簡史“溫度”貫穿我們的一生，人人都知冷暖，古代人便會鉆木取火， 不可否認(rèn)的一個方面是為了取暖，而現(xiàn)在，點暖爐，空調(diào)等設(shè)備的使 用也都是人們?yōu)榱说玫揭粋€合適的溫度以更好的生活。學(xué)了一個學(xué)期的工程熱力學(xué)后發(fā)現(xiàn)溫度對于熱熱力學(xué)研究起著至關(guān)重要的作用。而溫度的定義以及測量可以說是熱力學(xué)的開端。在17世紀(jì)中，雖然有些科學(xué)家對溫度的測定及溫標(biāo)的建立，作出不同程度的貢獻(xiàn)，提供了有益的經(jīng)驗和教訓(xùn)。但是，由于沒有共同的測溫基準(zhǔn)，沒有一致的分度規(guī)則，缺乏測溫物質(zhì)的測溫特性的資 料，以及沒有正確的理論指導(dǎo)，因此，在整個17世紀(jì)中，并沒有制 作出復(fù)現(xiàn)性好的、可供正確測量的溫度計及溫標(biāo)。在18世紀(jì)中，“測 溫

2、學(xué)”有較大的突破。其中最有價值的是，1714年法倫海脫所建立的華氏溫標(biāo)，以及1742年攝爾修斯所建立的攝氏溫標(biāo)（即百分溫標(biāo)）。 華氏溫標(biāo)是以鹽水和冰的混合物作為基準(zhǔn)點（0° F）,而以水的冰點 （32° F）及水的沸點（212 F）作為固定參考點。攝氏溫標(biāo)是以 水的冰點（100C）及水的沸點（0C）作為固定參考點及基準(zhǔn)點，并 把他們分作10淆分，每個間隔定義為一度，故稱之為百分溫標(biāo)。1749 年，該溫標(biāo)的基準(zhǔn)點及固定參考點，被攝爾修斯的助手斯托墨顛倒過 來，這就是后來常用的攝氏溫標(biāo)。18世紀(jì)末19世紀(jì)初，隨著蒸汽機(jī)在生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，人們越來 越關(guān)注熱和功的轉(zhuǎn)化問題。于是，

3、熱力學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。1798年，湯普生 通過實驗否定了熱質(zhì)的存在。德國醫(yī)生、物理學(xué)家邁爾在1841-1843年間提出了熱與機(jī)械運(yùn)動之間相互轉(zhuǎn)化的觀點， 這是熱力學(xué)第一定律 的第一次提出。在熱力學(xué)第一定律提出之前，人們一直圍繞著制造永 動機(jī)的可能性問題展開激烈的討論， 尤其是到了 19世紀(jì)早期，不少人 沉迷于一種神秘機(jī)械一一第一類永動機(jī)的制造，因為這種設(shè)想中的機(jī)械只需要一個初始的力量就可使其運(yùn)轉(zhuǎn)起來，之后不再需要任何動力 和燃料，卻能自動不斷地做功。直至熱力學(xué)第一定律發(fā)現(xiàn)后，第一類 永動機(jī)的神話才不攻自破。一：熱力學(xué)第一定律1 .熱力學(xué)第一定律的文字表述自然界一切物體都具有能量，能量有各種不同形式，

4、它能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個物體傳遞給另一個物體，在轉(zhuǎn)化和傳 遞中能量的數(shù)量保持不變。該定律就稱為熱力學(xué)第一定律，也稱為能 量轉(zhuǎn)換與守恒定律，這一定律也被表示為：第一類永動機(jī)（不消耗任 何形式的能量而能對外做功的機(jī)械）是不能制作出來的。2 .熱力學(xué)第一定律建立的成因1 ）理論一一邁爾邁爾是明確提出“無不能生有”，“有不能變無”的能量守恒與 轉(zhuǎn)化思想的第一人。而這理論正是建立熱力學(xué)第一定律的基礎(chǔ)。1）實驗一一焦耳由于焦耳精心嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡M(jìn)行了熱功當(dāng)量測定等一系列實驗，奠定了 熱力學(xué)第一定律的實驗基礎(chǔ)，得到了人們的認(rèn)同。3 ） 一批科學(xué)家的不懈努力亥姆霍茲將能量守恒定律第一次以數(shù)學(xué)形式提出來，

5、而卡諾、賽 貝等人也都有過這方面的見解。正是因為眾多科學(xué)家的不斷努力，才 使得熱力學(xué)第一定律的建立的更加迅速。二、熱力學(xué)第二定律的建立在實際情況中，并不是所有滿足熱力學(xué)第一定律的過程都能實 現(xiàn)，比如熱不會自動地由低溫傳向高溫，過程具有方向性。這就導(dǎo)致 了熱力學(xué)第二定律的出臺?？濉⒖藙谛匏埂㈤_爾文、玻爾茲曼等科 學(xué)家為此做了重要貢獻(xiàn)?？ㄖZ定理是尼古拉卡諾于1824年在談?wù)劵鸬膭恿湍馨l(fā)動 這種動力的機(jī)器中發(fā)表的有關(guān)熱機(jī)效率的定理。 值得注意的是定理 是在熱力學(xué)第二定律提出20余年前已然提出，從歷史角度來說其為 熱力學(xué)第二定律的理論來源。但是卡諾本人給出的證明是在熱質(zhì)說的 錯誤前提下進(jìn)行的證明，

6、而對于其相對嚴(yán)密的證明需要熱力學(xué)第二定 律。這也就使得克勞修斯和開爾聞等科學(xué)家有了 “用武之地”，為熱力學(xué)做出了突出的貢獻(xiàn)。熱力學(xué)第二定律有幾種表述方式：克勞修斯表述：熱量可以自發(fā)地從溫度高的物體傳遞到較冷的物 體，但不可能自發(fā)地從溫度低的物體傳遞到溫度高的物體；開爾文-普朗克表述：不可能從單一熱源吸取熱量，并將這熱量 變?yōu)楣Γ划a(chǎn)生其他影響?；蛘呤堑诙愑绖訖C(jī)無法被制造。嫡表述：隨時間進(jìn)行，一個孤立體系中的嫡總是不會減少。歡迎下載熱力學(xué)第一、二定律的提出，基本確立了熱力學(xué)的框架。但是有 關(guān)物質(zhì)在低溫下的熱力學(xué)性質(zhì)和預(yù)測化學(xué)反應(yīng)常數(shù)方面，還需要差不 多半個世紀(jì)后斯特提出的熱力學(xué)第三定律。這也

7、就使得熱力學(xué)第三定 律在熱力學(xué)中也占據(jù)重要的位置。三、熱力學(xué)第三定律的建立1906年，德國物理學(xué)家能斯特在研究低溫條件下物質(zhì)的變化時， 把熱力學(xué)的原理應(yīng)用到低溫現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)過程中，發(fā)現(xiàn)了一個新的 規(guī)律，這個規(guī)律被表述為：“當(dāng)絕對溫度趨于零時，凝聚系（固體和液 體）的嫡（即熱量除以溫度的商）在等溫過程中的改變趨于零?！钡聡锢韺W(xué)家普朗克把這一定律改述為：“當(dāng)絕對溫度趨于零時，固體和液體的嫡也趨于零。”這就消除了嫡常數(shù)取值的任意性。1912 年，能斯特又將這一規(guī)律表述為絕對零度不可能達(dá)到原理：“不可能使一個物體冷卻到絕對溫度的零度?！边@就是熱力學(xué)第三定律。1940年R.H.否勒和E.A.古根

8、海姆還提出熱力學(xué)第三定律的另 一種表述形式：任何系統(tǒng)都不能通過有限的步驟使自身溫度降低到 0K,稱為00能達(dá)到原理。四、熱力學(xué)第零定律繼熱力學(xué)第一、二、三三大定律后，英國物理學(xué)家福勒又提出了 第零定律。第零定律和文章開頭提到的溫度有著密切的關(guān)系。他的重要性在于它給出了溫度的定義和溫度的測量方法。 定律中所說的熱力 學(xué)系統(tǒng)是指由大量分子、原子組成的物體或物體系。它為建立溫度概 念提供了實驗基礎(chǔ)。這個定律反映出：處在同一熱平衡狀態(tài)的所有的 熱力學(xué)系統(tǒng)都具有一個共同的宏觀特征，這一特征是由這些互為熱平 衡系統(tǒng)的狀態(tài)所決定的一個數(shù)值相等的狀態(tài)函數(shù)， 這個狀態(tài)函數(shù)被定 義為溫度。而溫度相等是熱平衡之必要的條件。 雖然他是最后提出來 的，足足比第一、二定律遲了 80年，但是他是三大定律的基礎(chǔ)，這也 就順理成章的成為了 “第零”這個偉大的定律。與此同時，在應(yīng)用熱力學(xué)理論研究物質(zhì)性質(zhì)的過程中， 還發(fā)展了 熱力學(xué)的數(shù)學(xué)理論，找到了反映物質(zhì)各種性質(zhì)的相應(yīng)的熱力學(xué)函數(shù)， 研究了物質(zhì)在相變、化學(xué)反應(yīng)和溶液特性方面所遵循的各種規(guī)律。190奔，德國的能斯脫在觀察低溫現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)熱定理； 1912年，這個定理被修改成熱力學(xué)第三定律的表述形式?，F(xiàn)如今，隨著熱力學(xué)的快速發(fā)展，人們對超高壓、超高溫水蒸汽 等物性，和極低