熱力學(xué)發(fā)展史[特制材料]

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1、 熱力學(xué)（thermodynamics）， 全稱熱動力學(xué)，是自然科學(xué)的一 個分支。它是研究熱現(xiàn)象中物態(tài) 轉(zhuǎn)變和能量轉(zhuǎn)換規(guī)律的學(xué)科，其 中主要研究熱量和功之間的轉(zhuǎn)化 關(guān)系。 熱力學(xué)主要是從能量轉(zhuǎn)化的觀點來研究 物質(zhì)的熱性質(zhì)，它揭示了能量從一種形式 轉(zhuǎn)換為另一種形式時遵從的宏觀規(guī)律，不 涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和微觀粒子的相互作 用。因此它是一種唯象的宏觀理論，具有 高度的可靠性和普遍性。 熱力學(xué)早期發(fā)展的概況熱力學(xué)早期發(fā)展的概況 人們對熱的本質(zhì)及熱現(xiàn)象的認(rèn)識，經(jīng)人們對熱的本質(zhì)及熱現(xiàn)象的認(rèn)識，經(jīng) 歷了一個漫長的、曲折的探索過程。歷了一個漫長的、曲折的探索過程。 在原始社會人們鉆木取火。在原始社會人們鉆木

2、取火。 相當(dāng)早的年代，人們加熱巖石再潑相當(dāng)早的年代，人們加熱巖石再潑 冷水讓它爆裂，從而制造出石頭工具。冷水讓它爆裂，從而制造出石頭工具。 熱力學(xué)的歷史可以追溯到熱力學(xué)的歷史可以追溯到17 世紀(jì)。在世紀(jì)。在1592 1600 年間，伽利略制作了人類第一個年間，伽利略制作了人類第一個空氣溫度計空氣溫度計，開始了對，開始了對 物體的冷熱程度（溫度）進(jìn)行定量測定的研究，這可作物體的冷熱程度（溫度）進(jìn)行定量測定的研究，這可作 為為“測溫學(xué)測溫學(xué)”的開端。的開端。 1620 年培根首先注意到，兩個物體之年培根首先注意到，兩個物體之 間的摩擦所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，與物體的冷熱程間的摩擦所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，與物體的冷

3、熱程 度（溫度）是有區(qū)別的。他認(rèn)為度（溫度）是有區(qū)別的。他認(rèn)為“熱是運(yùn)熱是運(yùn) 動動”。 這可看作是，人們對這可看作是，人們對“熱量熱量”的本質(zhì)進(jìn)行科的本質(zhì)進(jìn)行科 學(xué)學(xué) 研究的開端。研究的開端。 在整個在整個17 17 世紀(jì)中，并沒有制作世紀(jì)中，并沒有制作 出復(fù)現(xiàn)性好的、可供正確測量的溫出復(fù)現(xiàn)性好的、可供正確測量的溫 度計及溫標(biāo)。度計及溫標(biāo)。 在在18 18 世紀(jì)中，世紀(jì)中，“測溫學(xué)測溫學(xué)”有較有較 大的突破。其中最有價值的是，大的突破。其中最有價值的是， 1714 1714 年年法倫海脫法倫海脫所建立的華氏溫所建立的華氏溫 標(biāo)，以及標(biāo)，以及1742 1742 年年攝爾修斯攝爾修斯所建立所建立

4、的攝氏溫標(biāo)（即百分溫標(biāo)）的攝氏溫標(biāo)（即百分溫標(biāo)） 。 1760 1830 1760 1830 年間的工業(yè)革命，有力地推動了生產(chǎn)年間的工業(yè)革命，有力地推動了生產(chǎn) 力的發(fā)展及社會的進(jìn)步，力的發(fā)展及社會的進(jìn)步， 科技方面的成就也是空前輝科技方面的成就也是空前輝 煌的。力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)及數(shù)學(xué)都有豐碩的煌的。力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)及數(shù)學(xué)都有豐碩的 成果。特別是蒸汽機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用，直接促進(jìn)了熱機(jī)成果。特別是蒸汽機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用，直接促進(jìn)了熱機(jī) 理論的研究。理論的研究。 隨著蒸汽機(jī)的廣泛應(yīng)用，隨著蒸汽機(jī)的廣泛應(yīng)用， 促使人們對促使人們對水蒸氣熱力水蒸氣熱力 性質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行研究及對改善進(jìn)行研究及對改善蒸

5、汽機(jī)性能蒸汽機(jī)性能進(jìn)行研究，從而進(jìn)行研究，從而 推動了熱科學(xué)的發(fā)展推動了熱科學(xué)的發(fā)展 1848 年，開爾文根據(jù)卡諾原理，建立了與年，開爾文根據(jù)卡諾原理，建立了與 工質(zhì)性質(zhì)無關(guān)的工質(zhì)性質(zhì)無關(guān)的熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)，并提出采用一，并提出采用一 個個定義點定義點的建議。開爾文溫標(biāo)的建立，使的建議。開爾文溫標(biāo)的建立，使“測測 溫學(xué)溫學(xué)”與熱力學(xué)基本定律之間建立了聯(lián)系，是與熱力學(xué)基本定律之間建立了聯(lián)系，是 “測溫學(xué)測溫學(xué)”的一個重要進(jìn)展。的一個重要進(jìn)展。 熱力學(xué)發(fā)展史，基本上就是熱力學(xué)與統(tǒng)計力學(xué)的發(fā)展史，熱力學(xué)發(fā)展史，基本上就是熱力學(xué)與統(tǒng)計力學(xué)的發(fā)展史， 約可分成四個階段：約可分成四個階段： 一：一：1

6、7世紀(jì)末到世紀(jì)末到19世紀(jì)中葉世紀(jì)中葉 二：二：19世紀(jì)中到世紀(jì)中到19世紀(jì)世紀(jì)70年代末年代末 三：三：19世紀(jì)世紀(jì)70年末到年末到20世紀(jì)初世紀(jì)初 四：四：20世紀(jì)世紀(jì)30年代到今年代到今 此時期累積了大量的實驗與觀的結(jié)此時期累積了大量的實驗與觀的結(jié) 果，并制造出蒸氣機(jī)。果，并制造出蒸氣機(jī)。 這一階段的熱力學(xué)還留在描述熱力這一階段的熱力學(xué)還留在描述熱力 學(xué)的現(xiàn)象上，并未引進(jìn)任何的數(shù)學(xué)算式。學(xué)的現(xiàn)象上，并未引進(jìn)任何的數(shù)學(xué)算式。 第一個階段：第一個階段：1717世紀(jì)末到世紀(jì)末到1919世紀(jì)中葉世紀(jì)中葉 德國的斯塔爾提出熱是一種燃素，后來荷蘭的波哈維說熱 是一種物質(zhì) 虎克認(rèn)為熱是物質(zhì)各部分激烈的

7、運(yùn)動，牛頓也認(rèn)為熱是粒 子的運(yùn)動 俄國的克拉夫特提出冷水、熱水混合的公式。1750年理奇 蒙也做了一系列熱量測的研究，并改進(jìn)克拉夫特的公式。 1755年，蘭勃特將熱量與溫度的概念加以區(qū)別和澄清。 英國的布雷克成功地澄清了溫度和熱量這兩個概念，并提 出相變時潛熱的概念，并暗示出不同物質(zhì)具有不同的“熱 容量”。 第二個階段：第二個階段：1919世紀(jì)中到世紀(jì)中到1919世紀(jì)世紀(jì)7070年年 代末代末 此階段熱力學(xué)的第一定律和第二定律此階段熱力學(xué)的第一定律和第二定律 已完全理論化。已完全理論化。 卡諾認(rèn)為最理想的機(jī)械應(yīng)該具備： 由帶著活塞的 汽缸里面的氣體所產(chǎn)生的等溫膨脹、絕熱膨脹、 等溫壓縮、絕熱壓

8、縮等四種循環(huán)過程 。 1842年他 提出熱可以作功，功也可以產(chǎn)生熱的能量等價觀 念 1848年，焦耳通過過實驗證明，當(dāng)物體所含的力 學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能時，能的形式可以互相轉(zhuǎn)變，但 是總能量永遠(yuǎn)不變。在這個基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展出 “能量守恒定律” 1850年克勞修斯在揭示第一定律的論文中，他也 以能量守恒和轉(zhuǎn)換的觀點重新驗證了卡諾定理， 提出了第二定律。到了1865年第二定律概念更加 成熟，熵的概念被克勞修斯提出，而寫出另一種 形式的第二定律，即“在所有可逆循環(huán)過程中， 熱能變化對溫度的熵的積分值為零”。 第三個階段：第三個階段：1919世紀(jì)世紀(jì)7070年末到年末到2020 世紀(jì)初世紀(jì)初 這個時間內(nèi)，熱力

9、學(xué)誕生這個時間內(nèi)，熱力學(xué)誕生 。 吉布斯提出系統(tǒng)理論建立吉布斯提出系統(tǒng)理論建立統(tǒng)計力統(tǒng)計力 學(xué)學(xué)的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。 這一時期的湯姆遜為熱力學(xué)也做出了重大貢獻(xiàn)。 他研究卡諾循環(huán)也提出第二定律，同時更由此訂 定絕對溫標(biāo)，又稱凱氏溫標(biāo) K。他利用卡諾循環(huán) 建立絕對溫標(biāo) ，他重新設(shè)定水的冰點為 273.7 度； 沸點為 373.7 度。他在1851年發(fā)表題為熱動力 理論的論文，寫出 熱力學(xué)第二定律的凱爾文表 述：我們不可能從單一熱源取熱，使它完全變?yōu)?有用的功而不產(chǎn)生其它影響。 第四個階段：第四個階段：2020世紀(jì)世紀(jì)3030年代到今年代到今 主要是量子力學(xué)的引進(jìn)而建立了量主要是量子力學(xué)的引進(jìn)而建立了量

10、 力統(tǒng)計力學(xué)，同時非平衡態(tài)理論更進(jìn)一力統(tǒng)計力學(xué)，同時非平衡態(tài)理論更進(jìn)一 步的發(fā)展，形成了近代理論與實驗物理步的發(fā)展，形成了近代理論與實驗物理 學(xué)中最重要的一環(huán)。學(xué)中最重要的一環(huán)。 熱力學(xué)基本定律熱力學(xué)基本定律 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律 熱力學(xué)第三定律熱力學(xué)第三定律 熱力學(xué)第零定律熱力學(xué)第零定律 在在1919世紀(jì)早期，不世紀(jì)早期，不 少人沉迷于一種神秘機(jī)少人沉迷于一種神秘機(jī) 械械第一類永動機(jī)的第一類永動機(jī)的 制造，因為這種設(shè)想中制造，因為這種設(shè)想中 的機(jī)械只需要一個初始的機(jī)械只需要一個初始 的力量使其運(yùn)轉(zhuǎn)，之后的力量使其運(yùn)轉(zhuǎn)，之后

11、不再需要任何動力和燃不再需要任何動力和燃 料，卻能自動不斷地做料，卻能自動不斷地做 功。直至熱力學(xué)第一定功。直至熱力學(xué)第一定 律發(fā)現(xiàn)后，第一類永動律發(fā)現(xiàn)后，第一類永動 機(jī)的神話才不攻自破。機(jī)的神話才不攻自破。 在一個熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)，能量可轉(zhuǎn)換，即可 從一種形式轉(zhuǎn)變成另一種形式，但不能自行產(chǎn) 生，也不能毀滅。一般公式化為：一個系統(tǒng)內(nèi) 能的改變等于供給系統(tǒng)的熱量減去系統(tǒng)對外環(huán) 境所作的功。即：U = Q+ W 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律 內(nèi)容為不可能把內(nèi)容為不可能把 熱從低溫物體傳熱從低溫物體傳 到高溫物體而不到高溫物體而不 產(chǎn)生其他影響產(chǎn)生其他影響 熱力學(xué)第三定律 絕對零度絕對零度 不可達(dá)到不可達(dá)到 但可以無但可以無 限趨近。限趨近。