热学发展简史演示文稿

热学作为物理学的一门分支学科，其任务是研究与物质冷热程度有关的以热现象为主要标志的物质热运动规律。热学在建立发展过程中孕育产生的热力学和统计物理学知识与方法是研究多体问题的有效手段，从而成为现代物理的重要基础。人类对热现象的认识首先源于对火的认识一、古代物理学中的热学古代西方：火、土、水、气是构成万物的四个主要元素。中国古代：金、木、水、火、土五行学说。实际古代物理学主要成就是古代原子论，人们用古代原子论解释一切现象，其特点是猜测性的思辫。二、17、18世纪对热的认识热是物质内部分子运动的表现这一基本思想逐步确立，但由于缺乏精确实验根据，尚未形成科学理论。18世纪中叶以后，系统的计温学和量热学的建立，使热现象的研究走上实验科学的道路，由于各种物理现象的相互联系尚未被揭示出来，“热质”这一特殊的“物质”被臆想出来,在以“将错就错”的形式发挥一定作用后最终退出历史舞台。三、19世纪的热学在1644年笛卡儿在《哲学原理》中就提出了运动不变的思想，但没有给出具体反映这种不变性本质的物理概念。随着人们对自然界认识的不断加深和拓广，逐步发现不同的物理现象之间存在着内在的联系。德国科学家迈耶从哲学角度首先确定了这种永恒性，他坚信“无不生有，又不变无”，通过对马拉车运动过程进行了细致地分析，指明轮子摩擦散热和马做功一定有确定的比例；后来英国科学家焦耳通过大量精确和严格的实验，测量出热功当量为4.18J/cal，确立了建立能量转化与守恒定律的实验基础；德国科学家亥姆霍兹最终建立了能量守恒定律的数学表达。他从v=推出了mgh=1/2mv2,并建议用1/2mv2代替mv表示机械运动的强弱，用来度量能量的改变。能量转化与守恒定律的建立过程说明了正确的哲学思想、严格的实验和严密的数学推理是自然科学认知过程的三个基本要素。热力学第一定律就是能量转化与守恒定律在热现象过程中的具体表现。在热力学第一定律建立以后，德国物理学家克劳修斯和英国物理学家开尔文通过分别对法国工程师卡诺关于理想热机效率问题研究成果的细致分析，各自独立的发现了热力学第二定律，并找到了反映物质各种性质的热力学函数。1850年前后，物理学界普遍认识到了热现象和分子运动的联系，但微观结构和分子运动的物理图像仍是模糊或未知的。凭借着对分子运动的假设和运用统计方法，克劳修斯正确地导出了气体实验公式。另外，麦克斯韦和玻尔兹曼在研究分子分布规律和平衡态方面也做出了卓有成效的工作。后来吉布斯把玻耳兹曼和麦克斯韦所创立的统计方法推广而发展成为系统的理论，将平衡态和涨落现象统一起来并结合分子动理论一起构成统计物理学。四、现代物理中的热学在1900年欧洲物理年会上，英国物理学家开尔文发表过一段非常著名的讲话，其中他不仅讲道“19世纪已将物理学大厦全部建成，今后物理学家的任务就是修饰完善这座大厦了”，而且又讲道“在物理学的天空中几乎一片晴朗，只存在两朵乌云。”他所指的两朵乌云其实就是迈克尔逊—莫雷测量“以太风”实验和测量黑体辐射实验中用现有的经典物理无法解释。后来对“以太”的测量的研究和爱因斯坦狭义相对论的建立，揭示了经典牛顿时空观的严重缺陷；而对黑体辐射能谱分布规律的研究及对热容量的研究，揭示了经典统计物理学理论的重大缺陷，发现了微观运动的新特性。1900年普朗克提出了能量量子化的假设，用这种假设成功地揭示了黑体辐射问题。与量子力学的有机结合使经典统计物理学发展成为量子统计物理学。二十世纪五十年代以后，非平衡态热力学和统计物理学得到迅速发展，其代表人物是比利时物理学家普里高金。•热力学是热学理论的一个方面。热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质，它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律。热力学是总结物质的宏观现象而得到的热学理论，不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用。因此它是一种唯象的宏观理论，具有高度的可行性和普遍性。•热力学三定律是热力学的基本理论。热力学第一定律反映了能量守恒和转换时应该遵从的关系，它引进了系统的态函数——内能。热力学第一定律也可以表述为：第一类永动机是不可能造成的。•热学中一个重要的基本现象是趋向平衡态，这是一个不可逆过程。例如使温度不同的两个物体接触，最后到达平衡态，两物体便有相同的温度。但其逆过程，即具有相同温度的两个物体，不会自行回到温度不同的状态。这说明，不可逆过程的初态和终态间，存在着某种物理性质上的差异，终态比初态具有某种优势。1854年克劳修斯引进一个函数来描述这两个状态的差别，1865年他给此函数定名为熵。1850年，克劳修斯在总结了这类现象后指出：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化，这就是热力学第二定律的克氏表述。几乎同时，开尔文以不同的方式表述了热力学第二定律的内容。用熵的概念来表述热力学第二定律就是：在封闭系统中，热现象宏观过程总是向着熵增加的方向进行，当熵到达最大值时，系统到达平衡态。第二定律的数学表述是对过程方向性的简明表述。•1912年能斯脱提出一个关于低温现象的定律：用任何方法都不能使系统到达绝对零度。此定律称为热力学第三定律。•热力学的这些基本定律是以大量实验事实为根据建立起来的，在此基础上，又引进了三个基本状态函数：温度、内能、熵，共同构成了一个完整的热力学理论体系。此后，为了在各种不同条件下讨论系统状态的热力学特性，又引进了一些辅助的状态函数，如焓、亥姆霍兹函数(自由能)、吉布斯函数等。这会带来运算上的方便，并增加对热力学状态某些特性的了解。从热力学的基本定律出发，应用这些状态函数，利用数学推演得到系统平衡态各种特性的相互联系，是热力学方法的基本内容。•热力学理论是普遍性的理论，对一切物质都适用，这是它的优点，但它不能对某种特殊物质的具体性质作出推论。例如讨论理想气体时，需要给出理想气体的状态方程；讨论电磁物质时，需要补充电磁物质的极化强度和场强的关系等。这样才能从热力学的一般关系中，得出某种特定物质的具体知识。•平衡态热力学的理论已很完善，并有广泛的应用。但在自然界中，处于非平衡态的热力学系统(物理的、化学的、生物的)和不可逆的热力学过程是大量存在的。因此，这方面的研究工作十分重要，并已取得一些重要的进展。目前，研究非平衡态热力学的一种理论是在一定条件下，把非平衡态看成是数目众多的局域平衡态的组合，借助原有的平衡态的概念描述非平衡态的热力学系统。并且根据“流”和“力”的函数关系，将非平衡态热力学划分为近平衡区(线性区)和远离平衡区(非线性区)热力学。这种理论称为广义热力学，另一种研究非平衡态热力学的理论是理性热力学。它是以热力学第二定律为前提，从一些公理出发，在连续媒质力学中加进热力学概念而建立起来的理论。它对某些具体问题加以论证，在特殊的弹性物质的应用中取得了一定成果。•非平衡态热力学领域提供了对不可逆过程宏观描述的一般纲要。对非平衡态热力学或者说对不可逆过程热力学的研究，涉及广泛存在于自然界中的重要现象，是正在探讨的一个领域。如平衡态的热力学和统计力学的关系一样，从微观运动的角度研究非平衡态现象的理论是非平衡态统计力学。温度和温度计•热现象的定量研究首先遇到的问题就是确定物体的冷热程度，而表征物体的冷热程度的物理量就是温度。为了给温度概念以确切的定义，我们考察一个人们所熟悉的基本热现象，这就是热平衡。从热平衡这个实验得出的结论，可以概括为：如果两个物体中的每一个物体都与第三个物体处于热平衡，则这两个物体彼此也必定处于热平衡。因为这个结论是由大量实验事实所确证的，所以看作是一条独立的定律，被称为热力学第零定律。•热力学第零定律为温度的测量提供了客观依据。一切互为平衡物体都具有相同的温度的这个结论，可以用叫做温度计的装置作为共同的标准，用它与被测物体的热接触并达到热平衡时自身性质的变化，反映出被测物体的温度，也可以将这个装置作为共同的标准去比较并不直接接触的其他物体之间温度的异同。伽利略验温器最早的一支温度计比较公认的看法是意大利物理学家伽利略发明的。他于1593年或1603年制成的验温器是利用空气的热胀冷缩的性质制成的，实际上是一个“气体验温器”，它首先被应用于医学，用以测量人体的体温。•后来温度计的改进主要有两个方面：一是为了定出温标，需要确定一些定点，如1665年荷兰物理学家惠更斯(1629—1695)已经推荐以水的冰点和沸点作为温度的两个标准点；但这个建议直到下一个世纪才被采用。1703年牛顿把雪的熔点定为自己制成的亚麻子油温度计的零度，而把人体的温度作为另一恒温点的12度。二是为了找到适用的测温质，从而促进了对物体热膨胀的研究。•第一只实用的温度计是由在德国出生后来又迁居荷兰，掌握了制作玻璃器皿技术的仪器制造商华伦海特(1686—1736年)制造出来的。他开始制造的是有读数的一支酒精温度计。在了解到法国物理学家阿蒙顿(1663—1705)利用水银制造了温度计后，他于1714年改用水银代替酒精制成了水银温度计。他不仅扩大了在冰点以下和沸点以上的测温范围，而且由于水银的膨胀率较均匀，所以水银温度计能够较准确地标定细微的分度；他还发明了净化水银的方法。在华伦海特温度计中把冰、水、氯化铵或盐的混合物的平衡温度定为零度，而把水的冰点和沸点分别记为32度和212度。这种分度方法称为华氏温标。它的单位用表示。1742年，瑞典天文学家摄尔修斯(1701—1744)采用了百分刻度法。用水银作测温质，把冰点定为0℃，沸点定为100℃。这就是现在所说的摄氏温标。气体定律和温标的改进•古希腊学者亚里士多德认为真空并不存在。这种观点起初也曾对伽利略产生影响，但是后来通过实验，他认为“自然界惧怕真空的力量是有限度的”。伽利略的学生托里拆利(1608—1647)和维维安尼(1622—1703)证实了大气压的存在和获得真空的可能性。在众说纷纭的真空问题的激励下，德国马德堡市的市长格里凯(1602—1686)为了进行真空实验制成了抽气机。一对直径为1.2呎的半球合在一起被抽空后，一共用了16匹马，即每个半球用八匹马的力量，才克服大气压的作用把它们拉开了。阿蒙顿的空气温度计•在英国，罗伯特·破意耳(1627—1691)于1659年他的助手罗伯特·胡克制造了更为精密的抽气机并用它做了一系列关于空气压力和稀薄空气中各种现象的实验。发现了被封闭的那部分气体的体积与压强成反比的关系，从而在历史上建立了气体的第一个定量的科学定律，即玻意耳定律。随后于1676年，法国物理学家马略特(1620—1634)独立地发现了这个定律。所以现在，通常把这个定律称为“玻意耳——马略特定律”。•18和19世纪随着气体温度计的制作和改进，气体膨胀规律的研究有了较大的进展。1702年阿蒙顿进一步改进了伽利略的空气温度计，他发现了一定量的空气在定容情况下，从冰的熔点加热到水的沸点其压强增加了三倍。法国化学家和物理学家盖·吕萨克(1778—1850)对氧、氢、氮等多种气体的膨胀系数又作了细心的测定，得出了相同的数值，即都是0.00375或1/266.6。这样就得到了著名的盖·吕萨克定律：即对于定量的气体来说，在压强不变时，温度每升高1(摄氏)度，它的体积增加原来数值的α倍。•盖·吕萨克于1802年发现上述定律的同时还得到另一条定律，即在体积不变时，定量的气体的压强随温度呈线性交化关系。后来又发现，早在1787年法国的科学家查理也得到了相同的规律，只是没有及时发表他的成果，这条定律称为查理定律，即p1/p2=(1+at1)/(1+at2)早在盖·吕萨克定律发现的一百年前，阿蒙顿就提出过存在着最低温度的极限值——绝对零度。后来兰伯更为精确地重复了阿蒙顿实验，得出绝对零度为-270.3℃。现在我们知道，它的数值为-273.15℃。如果以该温度作为计算温度的起点，所测得的温度值就称为绝对值度，以符号T表示。1823年法国数学家和物理学家泊松(1781—1840)从理论上研究了绝热过程中气体的温度和密度的变化规律，这个定律又由拉普拉斯(1749—1827)写成公式pv′=C(式中r=Cp/vp被称为泊松系数)•实验和理论分析表明，当气体的压强趋于零时用不同气体温