物理思想史与方法论.ppt

物理思想史与方法论现在学习的是第1页，共139页热热学学作作为为一一门门单单独独的的学学科科，系系统统地地进进行行研研究究，是是从从18世世纪纪开开始始的的。18世纪由于资本主义在欧洲的不断发展，迎来了生产的大革命，纺织工业、冶金、采矿、化工部门陆续实现了机械化，生产的机械化提出了对动力机械的需要。现在学习的是第2页，共139页以以前前笨笨重重的的受受地地域域限限制制的的水水力力机机已已经经远远不不能能满满足足要要求求，因因此此导导致致了了蒸蒸汽汽机机的的发发明明。由由于于蒸蒸汽汽机机的的发发明明和和不不断断改改善善，以以及及化化学学、化化工工等等方方面面的的工工作作，促促进进了了对对热热现现象象的的进进一一步步研研究究。因因此此，在在18世世纪纪，热学就逐渐成为物理学中一个新的分支。热学就逐渐成为物理学中一个新的分支。现在学习的是第3页，共139页热热学学按按其其研研究究方方法法，分分为为宏宏观观理理论论热热力力学学，它它是是以以三三条条或或四四条条基基本本定定律律(即即热热力力学学第第一一、二二、三三或或加加上上第第零零定定律律)为为其其核核心心的的；以以及及微微观观理理论论统统计计物物理理，它它是是从从分分子子、原原子子运运动动论论出出发发，用用统统计求平均的方法来研究热学的。计求平均的方法来研究热学的。现在学习的是第4页，共139页热热学学的的诞诞生生与与发发展展，充充分分地地体体现现了了理理论论来来源源于于实实践践，又又反反过过来来作作用用于于实实践践这这一一认认识识论论的的真真谛谛。热热机机的的发发明明与与改改进进、冶冶金金、化化工工、低低温温技技术术，推推动动了了热热学学的的产产生生与与发发展展。而而热热学学理理论论反反过过来来给给热热机机的的改改进进，给给冶冶金金、化化工工、低低温温技技术以巨大的影响。术以巨大的影响。现在学习的是第5页，共139页用用蒸蒸汽汽作作为为动动力力，可可追追溯溯到到公公元元前前130年年，埃埃及及人人希希罗罗(Heron)就就制制造造了了一一种种按按照照喷喷射射反反冲冲作作用用而而旋旋转转的的蒸蒸汽汽玩玩具具。它它是是后后来来的的水水磨磨和和现现代代涡涡轮轮机机的始祖。的始祖。2.1.1 蒸汽机的发明与改进 2.1 热现象的早期研究热现象的早期研究 现在学习的是第6页，共139页 第第一一个个活活塞塞式式蒸蒸汽汽机机是是1695年年法法国国人人巴巴本本(Penis Papin,16471714年年）在在德德国国发发明明的的。他他曾曾是是荷荷兰兰物物理理学学家家惠惠更更斯斯(Christian Haygens,16291695年年)的的学学生生和和助助手手。巴巴本本的的蒸蒸汽汽机机实实际际是是一一根根5/2寸寸的的管管子子，靠靠加加热热管管中中的的水水产产生生蒸蒸汽汽推推动动活活塞塞向向上上运运动动，然后移去热源，蒸汽冷凝，形成真空，使活塞向下运动。然后移去热源，蒸汽冷凝，形成真空，使活塞向下运动。现在学习的是第7页，共139页1698年年英英国国矿矿山山技技师师托托马马斯斯塞塞维维里里(Thomas Saveny,16501715）制制造造了了一一个个蒸蒸汽汽水水泵泵。这这是是一一个个用用人人工工操操作作，靠靠冷冷凝凝器器冷冷却却蒸蒸汽汽而而形形成成的的真真空空，将将水水吸吸上上来来，再再用用蒸蒸汽汽压压力力把把水水排排出出去的简单装置。去的简单装置。现在学习的是第8页，共139页英英 国国 铁铁 匠匠 托托 马马 斯斯纽纽 科科 门门(Thomas Newcomen,16631729）综综合合了了巴巴本本与与塞塞维维里里设设计计的的优优点点，于于1712年年发发明明了了自自己己的的“空空气气”蒸蒸汽汽机机，纽纽科科门门机机结结构构的的特特点点是是借借一一根根横横杆杆，一一头头联联着着活活塞塞，另另一一头头联联着着排排水水泵泵。纽纽科科门门机机效效率率不不高高（不不到到1），只只能能作作往往复复运运动动。但但它它对对开开发发当当时英国的矿业资源起了重要作用。时英国的矿业资源起了重要作用。现在学习的是第9页，共139页真真正正具具有有巨巨大大工工业业效效益益的的蒸蒸汽汽机机是是英英国国格格拉拉斯斯哥哥大大学学的的仪仪器器修修理理工工瓦瓦特特(James Watt,17361819）研研制制的的。瓦瓦特特革革新新蒸蒸汽汽机机，是是与与当当时时萌萌芽芽的热学理论分不开的。的热学理论分不开的。现在学习的是第10页，共139页他他分分析析纽纽科科门门机机热热效效率率低低的的原原因因时时，在在量量热热学学的的奠奠基基者者之之一一布布莱莱克克(JBlack,17281799)(与与瓦瓦特特在在同同一一所所大大学学的的化化学学教教授授）的的帮帮助助下下，得得出出了了每每一一冲冲程程都都用用冷冷水水将将汽汽缸缸冷冷却却一一次次，是是造造成成纽纽科科门门机机热热效效率率低低的的主主要要原原因因的的结结论论，从从而而导导致致1765年年分分离离冷冷凝凝器器的的研制，使热机的效率提高到研制，使热机的效率提高到3。现在学习的是第11页，共139页1781年年发发明明了了将将往往复复运运动动转转变变为为旋旋转转运运动动的的装装置置；1782年年将将蒸蒸汽汽机机由由单单动动改改变变为为双双动动；在在活活塞塞运运动动的的后后半半冲冲程程停停止止输输进进蒸蒸汽汽，靠靠汽汽缸缸中中蒸汽的膨胀来作功。蒸汽的膨胀来作功。现在学习的是第12页，共139页1787年年又又安安装装了了离离心心式式调调速速器器，使使发发动动机机速速度度相相对对稳稳定定。从从而而使使蒸蒸汽汽机机达达到到了了近近代代的的水水平平。很很快快，蒸蒸汽汽机机就就被被广广泛泛地地应应用用到到纺纺织织工工业业、轮轮船船、火火车车等等工工业业部部门门。蒸蒸汽汽机机的的研研制制与与改改进进除除了了技技术术上上的的要要求求外外，还还涉涉及及到到热热学学问问题题，如如有有关关热热机机效效率率的的提提高高，热热和和功功之之间间的的关关系系的的研研究究等等。因因而而对对热学的发展起了极大的推动作用。热学的发展起了极大的推动作用。现在学习的是第13页，共139页在在热热现现象象的的定定量量研研究究中中，首首先先遇遇到到的的问问题题是是确确定定物物体体的的冷冷热热程程度度，即即测测量量物物体体的的温温度度。温温度度计计的的制制作作和和改改进进，促促使使了了对对于于冰冰和和其其他他一一些些物物质质的的溶溶解解和和凝凝固固温温度度、沸沸腾腾温温度度的的研研究究，这这导导致致关关于于冰冰和和其其它它物物质质的的一一些些溶溶解解和和凝凝固固温温度度在在一一定定条条件件下下恒恒定定不不变变的的事事实实的的确确定定。促促进进了了对对一一些些物物质质(如如对对水水银银、酒酒精、气体等）热膨胀规律的研究。精、气体等）热膨胀规律的研究。2.1.1计温学的发展计温学的发展现在学习的是第14页，共139页早在1593年，伽利略(Galileo Galilei,15641642）就制成了一个类似温度计的装置(一个连结在玻璃球容器上的开口管子，管子开口端插入水中)，但它不能给出定量的测量。现在学习的是第15页，共139页雷纳尔金于1694年建议把水的冰点和沸点作为温度计的固定点。1703年，牛顿把雪的熔点定为自己的亚麻子油温度计的零度，而把人体的温度作为另一个恒温点12度。现在学习的是第16页，共139页第第一一只只实实用用的的温温度度计计是是荷荷兰兰的的吹吹玻玻璃璃工工匠匠华华伦伦海海特特(GDFahrenheit,16861736）制制作作的的，1709年年选选用用酒酒精精作作测测温温质质，1914年年以以后后又又用用水水银银作作测测温温质质。他他把把冰冰水水、氨氨水水和和盐盐的的混混合合物物的的温温度度定定为为0F，冰冰的的溶溶点点定定为为32F，人人体体的的温温度度定定为为98F，1724年年以以后后，他又将水的沸点定为他又将水的沸点定为212F。这就是华氏温标。这就是华氏温标。现在学习的是第17页，共139页法法国国的的博博物物学学家家列列奥奥末末尔尔(Reaumur,16831757)只只取取一一个个定定点点，即即雪雪的的熔熔点点为为00R，而而把把酒酒精精(浓浓度度为为80)体体积积改改变变的的温温度度变变化化作作为为800R。这这样样水水的的沸沸点点就就为为10R，这这就就是是所所谓谓列列氏氏温标。温标。现在学习的是第18页，共139页1742年年瑞瑞典典物物理理学学家家摄摄尔尔修修斯斯(ACelsins,17011744)定定水水的的沸沸点点为为0，冰冰的的熔熔点点为为100，创创立立了了百百分分温温标标。八八年年后后，摄摄尔尔修修斯斯的的同同事事施施勒勒默默尔尔(Stromer M)把把两两个个固固定定点点倒倒过过来来，定定水水的的沸沸点点为为100，冰冰的的熔熔点点为为0。这这就就是是现现在在国国际际通通用用的摄氏温标。的摄氏温标。现在学习的是第19页，共139页量量热热学学首首先先是是从从确确定定两两个个不不同同温温度度的的物物体体混混合合后后的的温温度度开开始始的的。在在十十八八世世纪纪前前半半期期，人人们对温度和热量这两个概念还没有搞清楚。们对温度和热量这两个概念还没有搞清楚。2.1.3 量热学的开始量热学的开始 现在学习的是第20页，共139页因因此此，当当时时用用实实验验测测量量的的是是温温度度还还是是热热量量也也是是含含混混不不清清的的。如如荷荷兰兰物物理理学学家家波波尔尔哈哈夫夫(Boerhaavt,16681738)就就认认为为一一定定量量的的物物体体，温温度度每每升升高高一一度度都都应应该该吸吸收收同同样样数数量量的的热热量量。彼彼得得堡堡科科学学院院院院士士李李赫赫曼曼(Puxmah B 17111753）于于1744年年提提出出：热热量量按按照照体体积积均均匀匀分分配配(后后来来有有人人提提出出热热量量按按质质量量均均匀匀分分配配），(后后来来有有人人提提出出热热量量按按质质量量均均匀匀分分配配)引引入入了了量量热热学学方程：方程：现在学习的是第21页，共139页 t1、t2是是二二物物体体初初始始温温度度，t是是二二物物体体混混合合后后的温度。的温度。式中：式中：(2.1)现在学习的是第22页，共139页1757年年前前后后，英英国国化化学学家家布布莱莱克克(Joseph Black,1728-1799)重重审审了了波波尔尔哈哈夫夫等等人人的的工工作作，指指出出波波尔尔哈哈夫夫等等人人“把把不不同同物物体体中中的的热热的的量量同同它它们们的的强强度度混混淆淆起起来来”，他他主主张张将将热热量量和和温温度度这这两两个个概概念念分分别别称称为为“热热的的量量”和和“热热的的强强度度”，并并把把物物质质在在改改变变相相同同温温度度时时的的热热量量变变化化叫叫做做这这些些物物质质的的“对热的亲和性对热的亲和性”，“接受热的能力接受热的能力”。现在学习的是第23页，共139页布布莱莱克克第第一一个个把把“温温度度”和和“热热量量”这这两两个个概概念念区区分分开开来来，这这是是热热学学发发展展初初期期中中的的一一大大突突破破。后后来来布布莱莱克克的的学学生生伊伊尔尔文文引引入入了了“热热容容量量”这这一一概概念念。1784年年伽伽托托林林又又引引进进“比比热热”的概念。的概念。现在学习的是第24页，共139页布莱克等在研究冰的熔解过程中，发现布莱克等在研究冰的熔解过程中，发现并提出了并提出了“潜热潜热”的概念。的概念。现在学习的是第25页，共139页这这样样到到十十八八世世纪纪80年年代代，量量热热学学的的一一系系列列基基本本概概念念温温度度、热热量量、热热容容量量、潜潜热热等等皆皆已已形形成成，并并设设计计了了一一套套测测定定这这些些物物理理量量的的实实验方法。验方法。现在学习的是第26页，共139页关关于于传传热热现现象象的的第第一一个个定定律律是是牛牛顿顿发发现现的的冷却定律，即冷却定律，即(2.2)2.1.4 热的传导的研究热的传导的研究 现在学习的是第27页，共139页 dQ是是物物体体单单位位表表面面上上在在时时间间dt内内所所失失去去的的热热量量、T为为物物体体在在t时时刻刻的的温温度度、T0为为周周围介质的温度、围介质的温度、为某一系数。为某一系数。式中式中：现在学习的是第28页，共139页随随着着量量热热学学的的发发展展，热热传传导导的的理理论论也也得得到到了了发发展展。1822年年法法国国数数学学家家傅傅里里叶叶(Fowrier JBJ,17681830）出出版版了了著著名名的的热热的的分分析析理理论论一一书书，详详细细研研究究了了在在介介质质中中热热流流的的传传播播问问题。题。现在学习的是第29页，共139页关关于于热热传传导导（“内内部部热热传传导导”），傅傅里里叶叶给给出出了了一一个个经经验验定定律律：在在时时间间t内内沿沿x方方向向通通过过厚厚为为dx层层的的介介质质，传传导导的的热热流流量量Q，正正比比于于介介质质层层的的温温度差度差dT和层的面积和层的面积S，反比于厚度，反比于厚度dx即：即：(2.3)现在学习的是第30页，共139页 为为依依赖赖于于导导热热物物质质性性质质的的导导热热系系数数。傅傅里里叶叶将将上上式式运运用用于于热热物物质质的的无无限限小小体体积积元元，从而导出著名的热传导方程：从而导出著名的热传导方程：(2.4)式中式中：现在学习的是第31页，共139页 为为与与导导热热率率、质质量密度量密度及定体比热及定体比热cv有关的常数。有关的常数。式中式中：现在学习的是第32页，共139页在在热热学学发发展展过过程程中中，“热热究究竟竟是是什什么么？”，自古以来就有两种不同的看法：，自古以来就有两种不同的看法：2.1.5 关于热的本质的学说关于热的本质的学说 现在学习的是第33页，共139页第第一一种种认认为为热热是是一一种种运运动动，是是物物质质粒粒子子的的内内部部运运动动。即即“热热动动说说”。象象17世世纪纪有有培培根根(Bacon.F,15611626)。他他从从摩摩擦擦生生热热等等现现象象中中得得出出“热热是是一一种种膨膨胀胀的的、被被约约束束的的、而而在在其其斗斗争争中中作作用用于于物物体体 的的 较较 小小 粒粒 子子 之之 上上 的的 运运 动动”；笛笛 卡卡 儿儿(escartes.R.D,15961650)把把热热看看作作是是物物质质粒粒子子的的一一种旋转运动；种旋转运动；现在学习的是第34页，共139页胡胡克克(Hooke.R,16351703)用用显显微微镜镜观观察察了了火火花花，认认为为热热“是是一一个个物物体体的的各各部部分分的的非非常常活活跃跃和和极极其其猛猛烈烈的的运运动动”；牛牛顿顿指指出出物物体体的的粒粒子子“因因运运动动而而发发热热”；持持类类似似观观点点的的还还有有阿阿蒙蒙顿顿(Amontons.G,16631705），18世世纪纪则则有有伯伯努努利利(Bernoulli.D,17001782)和和 罗罗 蒙蒙 诺诺 索索 夫夫(n nOMOHOCOB.M.B,17111765)等人。等人。现在学习的是第35页，共139页第第二二种种认认为为热热是是一一种种物物质质，即即“热热质质说说”。热热质质说说 的的 渊渊 源源 可可 以以 追追 索索 到到 古古 希希 腊腊 的的 德德 谟谟 克克 里里 特特(Democritus,公公 元元 前前460 前前371)和和 伊伊 壁壁 鸠鸠 鲁鲁（Epicurus,公公元元前前347前前270）以以及及卢卢克克莱莱修修(Lucritins,公公元元前前99前前55）的的著著作作中中，17世世纪纪又又得得到哲学家伽桑狄到哲学家伽桑狄(Pierre.Gassendi,15921655)的支持。的支持。现在学习的是第36页，共139页施施塔塔耳耳(Stahl.G.E.,16601734)提提出出“燃燃素素”说说，更更促促进进了了这这一一学学说说的的发发展展。18世世纪纪提提出出热热质质、光光以以太太、两两种种电电流流素素、两两种种磁磁流流质质等等，并并为为人们普遍地接受。人们普遍地接受。现在学习的是第37页，共139页“热热质质说说”能能简简易易地地解解释释当当时时发发现现的的大大部部分分热热学学现现象象：物物质质温温度度的的变变化化是是吸吸收收或或放放出出热热质质引引起起的的；热热传传导导是是热热质质的的流流动动；对对流流是是载载有有热热质质的的物物体体的的流流动动；辐辐射射是是热热质质的的传传播播；物物体体受受热热膨膨胀胀是是热热质质粒粒子子间间的的相相互互排排斥斥；物物质质状状态态变变化化时时的的“潜潜热热”是是物物质质与与热热质质发发生生“化化学学反反应应”的的结结果果；摩摩擦擦或或碰碰撞撞的的生生热热现现象象是是由由于于“潜热潜热”被挤压出来以及物质的比热变小的结果等等。被挤压出来以及物质的比热变小的结果等等。现在学习的是第38页，共139页而而用用热热的的运运动动说说去去解解释释这这些些现现象象反反而而显显得得较较复复杂杂。特特别别是是18世世纪纪首首先先发发展展起起来来的的量量热热学学在在量量热热过过程程中中不不发发生生热热能能与与其其他他形形式式的的能能量量间间的的相相互互转转换换，将热视为一种守恒的物质是很自然的。将热视为一种守恒的物质是很自然的。现在学习的是第39页，共139页在在热热质质观观点点的的指指导导下下，热热学学研研究究取取得得了了很很大大的的 成成 功功。化化 学学 家家 布布 莱莱 克克、拉拉 瓦瓦 锡锡(Lavoisier.A.L,17431794)、拉拉 普普 拉拉 斯斯(Mole Laplace.P.S,17491827)创创立立的的量量热热学学就就是是建建立立在在热热质质 说说 基基 础础 上上 的的，傅傅 里里 叶叶 的的 热热 传传 导导 理理 论论 和和 卡卡 诺诺(S.Cannot,17911832)关关于于热热机机的的定定理理也也都都是是基基于于热质说而得出的。热质说而得出的。现在学习的是第40页，共139页但但是是，在在18世世纪纪末末，热热质质说说受受到到了了严严重重的的挑挑战战。1798年年，美美国国物物理理学学家家本本杰杰明明汤汤姆姆逊逊(Benjamin Thamoson,即即伦伦福福德德伯伯爵爵，17531814)在在德德国国进进行行炮炮膛膛钻钻孔孔时时，进进行行了了一一系系列列实实验验：比比较较了了钻钻孔孔前前后后金金属属和和碎碎屑屑的的比比热热，发发现现钻钻磨磨不不会会改改变金属的比热。变金属的比热。现在学习的是第41页，共139页他他还还用用很很钝钝的的钻钻头头钻钻炮炮筒筒，半半小小时时后后炮炮筒筒从从60升升温温到到130，金金属属碎碎屑屑只只有有50多多克克，只只相相当当于于炮炮筒筒质质量量的的1/948，这这部部分分碎碎屑屑能能够够放放出出这这么么大大的的“潜潜热热”吗吗？伦伦福福德德在在笔笔记记中中写写道道：“在在这这些些实实验验中中被被激激发发出出来来的的热热，除除了了把把它它看看作作是是运运动动以以外外，似似乎乎很很难难把把它它看看作作为为其其他他任任何何东东西西。”现在学习的是第42页，共139页1789年年，英英国国科科学学家家戴戴维维(Davy.H,17781829)进进行行了了这这样样的的实实验验：在在一一个个同同周周围围环环境境隔隔离离开开来来的的真真空空容容器器里里，使使两两块块冰冰互互相相摩摩擦擦而而融融解解为为水水。在在这这里里，“热热质质守守恒恒”的的关关系系不不再再成成立立了了，戴维由此断言：戴维由此断言：“热质是不存在的。热质是不存在的。”现在学习的是第43页，共139页伦伦福福德德和和戴戴维维的的实实验验无无可可辨辨驳驳，但但并并未未能能结结束束热热质质说说的的历历史史，直直到到19世世纪纪4050年年代代，能能量量守守恒恒及及转转换换定定律律的的确确定定，才才使使人人们们彻彻底底地抛弃了热质说。地抛弃了热质说。现在学习的是第44页，共139页英英 国国 物物 理理 学学 家家 罗罗 伯伯 特特 波波 义义 耳耳(Boyle.Robert,16271691)是是最最先先开开展展气气体体力力学学研研究究的的人之一。人之一。2.1.6 气体定律的研究气体定律的研究现在学习的是第45页，共139页1662年年为为回回答答关关于于大大气气压压强强的的质质疑疑，他他作作了了关关于于封封闭闭于于形形管管中中之之空空气气能能承承受受多多高高的的水水银银柱柱的的实实验验，发发现现了了气气体体的的体体积积与与压压强强成成反反比比的的规规律律。1676年年法法国国物物理理学学家家埃埃德德米米马马略略特特(Edme Mariotte,16201684)也也独独立立地地发发现现了了此此规规律律。此此规规律律是是除除力力学学运运动规律之外的第一个定量的自然规律。动规律之外的第一个定量的自然规律。现在学习的是第46页，共139页 1702年年 法法 国国 物物 理理 学学 家家 阿阿 蒙蒙 顿顿(Amontons.G,16631705)对对伽伽利利略略空空气气温温度度计计实实行行改改进进，得出了气压的变化与温度变化的关系得出了气压的变化与温度变化的关系 P/P0=1+at/1+at1 (2.5)现在学习的是第47页，共139页1802年年 法法 国国 科科 学学 家家 盖盖吕吕 萨萨 克克(Gay-Lussac,17781850)得得出出了了气气体体的的热热膨膨胀胀系系数数皆皆相相同同，数数 值值 为为0.00375或或1/266.6。1801年年 道道 尔尔 顿顿(Dalton.J,17661844)也也作作了了类类似似的的工工作作。这这就就是是盖盖吕萨克定律。吕萨克定律。现在学习的是第48页，共139页早早在在1787年年，法法国国人人查查理理(charles,17461823)已已经经提提出出了了气气体体的的压压力力和和体体积积随随温温度度的的升升高高而而增增大大和和膨膨胀胀的的定定律律。所所以以后后人人就就将将气气体体积随温度膨胀的定律叫做查理定律。体体积随温度膨胀的定律叫做查理定律。现在学习的是第49页，共139页盖盖吕吕萨萨克克将将他他发发现现的的气气体体定定律律与与波波义义耳耳马马略特定律结合起来，得到如下的状态方程略特定律结合起来，得到如下的状态方程 PV/1+t=C (2.6)现在学习的是第50页，共139页后后来来法法国国物物理理学学家家亨亨利利维维克克托托雷雷尼尼奥奥(Henri Victor Regnenlt,18101878)于于1842年年测测得得=1/273。若取。若取T=t+273，状态方程可写作，状态方程可写作 PV=RT (2.7)现在学习的是第51页，共139页1823年年 法法 国国 数数 学学 家家 和和 物物 理理 学学 家家 泊泊 松松(Poisson.S.D,17811840)从从理理论论上上研研究究了了绝绝热热过过程程中中气气体体的的温温度度和和密密度度的的变变化化规规律律，这这个个定定律律由由拉普拉斯写成公式拉普拉斯写成公式 PV2=C (2.8)现在学习的是第52页，共139页先先谈谈热热力力学学第第一一定定律律的的建建立立始始末末。热热力力学学第第一一定定律律是是普普遍遍的的能能量量守守恒恒与与转转换换定定律律在在涉涉及及到到热热运运动动范范围围内内的的具具体体化化。这这个个定定律律建建立立于于1842-1847年年之之间间，它它开开始始于于对对物物理理现现象象之之间间联联系系的的探探索索。它它是是随随着着能量守恒与转换定律发现的同时而被发现的。能量守恒与转换定律发现的同时而被发现的。2.2 热学的发展热学的发展现在学习的是第53页，共139页它它与与普普遍遍的的能能量量守守恒恒与与转转换换定定律律有有着着紧紧密密的的联联系系，但但又又与与之之有有着着原原则则上上的的区区别别。下面我们将首先介绍能量守恒与转换定律的建立过程。再阐述热力学第一定律的提出。现在学习的是第54页，共139页1机械能守恒的提出 能能量量守守恒恒与与转转化化定定律律的的确确立立，以以定定量量的的形形式式揭揭示示了了机机械械位位移移、热热、电电磁磁、光光、化化学学乃乃至至生生命命等等各各种种运运动动形形式式之之间间的的联联系系和和统统一一，描描绘绘出出一一幅幅自自然然界界广广泛泛联联系系的的壮壮丽丽画画面面。这这是是牛牛顿顿力力学学建建立立后后物物理理学学又一次伟大的综合。又一次伟大的综合。2.2.1能量守恒与转化定律的诞生前提 现在学习的是第55页，共139页它它和和生生物物进进化化论论、细细胞胞学学说说一一起起，被被称称为为19世世纪纪中中叶叶的的“三三大大发发现现”。而而关关于于能能量量守守恒恒的的思思想想，最最初初出出现现在在机机械械能能守守恒恒这这一一观观点点之之中中。伽伽利利略略于于1638年年，对对自自由由落落体体和和物物体体在在斜斜面面上上的的运运动动进进行行了了讨讨论论：认认为为物物体体在在下下落落过过程程中中所所达达到到的的速速度度，能能够够使它跳回到原有的高度，但不会更高。使它跳回到原有的高度，但不会更高。现在学习的是第56页，共139页1669年年惠惠更更斯斯提提到到硬硬体体(完完全全弹弹性性)碰碰撞撞中中，各各物物体体mV2之之和和在在碰碰撞撞前前后后是是一一样样的的。1686年年莱莱布布尼尼兹兹从从落落体体定定律律提提出出了了“活活力力”的的概概念念，并并用用mV2来来量量度度，认认为为活活力力是是守守恒恒的的，它它等等于于重重力力与与下下落落高高度度的的乘乘积积。伯伯努努利利实实际际上上把把机机械械能能守守恒恒运运用用于于流流体体的运动。的运动。现在学习的是第57页，共139页2永动机的不可实现 在在提提高高蒸蒸汽汽机机效效率率的的研研究究过过程程中中，人人们们发发现现永永动动机机是是不不可可能能实实现现的的，这这是是导导致致发发现现能能量量守守恒恒定定律律的的又又一一重重要要线线索索。在在17、18世世纪纪，人人们们曾曾提提出出过过各各种种各各样样的的永永动动机机的的设设计计方方案案，但但每每一一种种皆皆以以失失败败而而告告终终，以以致致法法国国科科学学院院于于1775年年作作出出决决定定，声声明明不不再再审审理理任何有关永动机的设计方案。任何有关永动机的设计方案。现在学习的是第58页，共139页人人们们慢慢慢慢悟悟出出一一条条道道理理：永永动动机机的的设设计计一一定定违违背背了了某某条条定定律律，而而这这条条定定律律当当时时还还未未发发现现。正正象象赫赫姆姆霍霍兹兹1854年年在在论论自自然然力力的的相相互互作作用用一一文文中中所所述述：“鉴鉴于于前前人人试试验验的的失失败败，人人们们问问道道：如如果果永永恒恒的的运运动动(永永动动机机)是是不不可可能能的的，在在各各种自然力之间应该存在什么样的关系？种自然力之间应该存在什么样的关系？”现在学习的是第59页，共139页3功和能概念的提出功和能概念的提出 早早在在1686年年，莱莱布布尼尼兹兹(Leibniz,16461716)就就从从落落体体的的重重力力与与其其高高度度之之积积的的等等价价性性提提出出“活活力力”(mV2)的的概概念念，相相当当于于后后来来的的机机械械能能。历历史史上上第第一次提出能量的概念是托马斯一次提出能量的概念是托马斯杨。杨。现在学习的是第60页，共139页于于1807年年，他他主主要要从从塑塑性性体体的的变变形形和和冲冲击击变变形形问问题题研研究究中中，提提出出“能能量量”这这个个概概念念来来表表示示物物体体的的运运动动能能力力：非非弹弹性性体体受受打打击击后后出出现现的的塑塑性性变形能力和弹性体受力后出现弯曲变形等的能力。变形能力和弹性体受力后出现弯曲变形等的能力。现在学习的是第61页，共139页关关于于功功的的概概念念，则则是是由由法法国国科科学学家家彭彭西西列列(Poncelet.JV,17921843)于于1826年年提提出出的的，彭彭西西列列在在机机器器应应用用力力学学教教程程中中，为为了了表表示示机机器器工工作作的的力力与与位位移移的的关关系系，提提出出二二者者的的乘乘积积可可以以作作为为机机器器作功的量度，称之为作功的量度，称之为“功功”。现在学习的是第62页，共139页18341835年年 间间，英英 国国 的的 哈哈 密密 顿顿(Hamilton.WR,18051865)在在论论力力学学的的一一般般方方法法一一文文中中，引引入入了了“力力函函数数”；1828年年格格林林提提出出“位位函函数数”，并并应应用用于于静静电电学学和和静静磁磁学学。到到了了19世世纪纪40年年代代，高高斯斯(Gauss.C.F,1777-1855)的的工工作作使使“位位函函数数”得得到到了了普普遍遍的的应应用用。这这样样，建建立立能能量量原原理理所所必须的基本概念，在必须的基本概念，在19世纪世纪40年代以前已经基本具备。年代以前已经基本具备。现在学习的是第63页，共139页4.各种自然现象之间普遍联系的发现(1)电能电能化学能转化关系化学能转化关系 伏伏打打(VoltaA,17451827)于于1800年年发发明明伏伏打打电电堆堆即即将将化化学学能能转转变变为为电电能能的的装装置置。后后又又有有人人用用它它来来电电解解水水，发发现现电电与与化化学学能能的的定定性性转转化化关关系系。至至1834年年，法法拉拉第第(FaradayM,17911867)发发现现了了电电化当量，从而发现了电与化学能的定量转化关系。化当量，从而发现了电与化学能的定量转化关系。现在学习的是第64页，共139页(2)电能与磁能的转化关系电能与磁能的转化关系 1820年年奥奥斯斯特特(OerstedHC,17711851)从从实实验验中中 发发 现现 了了 电电 可可 以以 转转 化化 为为 磁磁 后后，安安 培培(AmpereAM,17751836)于于1821年年进进一一步步作作了了定定量量的的研研究究。法法拉拉第第在在这这些些发发现现的的启启示示下下，于于1831年年8月月发发现现了了电电磁磁感感应应，10月月制制成成了了第第一一个个感感应应发发电电机机模型。模型。现在学习的是第65页，共139页(3)电能与热能，光能的转化关系电能与热能，光能的转化关系 1808年年戴戴维维发发明明电电弧弧灯灯，人人工工实实现现电电可可持持续续转转化化为为光光。1821年年塞塞贝贝克克(See-beckTJ,17701831）对对温温差差电电现现象象的的研研究究。1840年年焦焦尔尔(JouleJP,18181889)对电流热效应的研究等。对电流热效应的研究等。现在学习的是第66页，共139页(4)热能与机械能的转化关系热能与机械能的转化关系 1793年伦福德对大炮钻孔时，发现有大量的热产生；戴戴维维在在1799年年把把两两块块冰冰放放在在0以以下下的的真真空容器中，并使其互相摩擦，而使冰熔解。空容器中，并使其互相摩擦，而使冰熔解。现在学习的是第67页，共139页各各种种不不同同基基本本自自然然现现象象的的运运动动能能力力的的转转化化和和等等当当关关系系，除除去去生生物物能能外外，在在定定性性方方面面(有有些些是是定定量的量的)于于19世纪世纪40年代以前已经大体上都发现了。年代以前已经大体上都发现了。现在学习的是第68页，共139页总总之之到到了了十十九九世世纪纪四四十十年年代代，从从各各方方面面来来看看，建建立立定定律律的的条条件件已已经经具具备备。在在18421847年年间间有有十十几几位位科科学学家家在在不不同同的的地地点点，分分别别在在思思想想上上、计计算算和和实实验验方方面面，不不约约而而同同地地为为发发现现能能量量守守恒恒与与转转化化定定律律各各自自作作出出了了一一定定的的贡贡献献，其其中中以以迈迈尔尔、焦焦尔尔、朗肯、赫姆霍兹、开尔文的工作最为著称。朗肯、赫姆霍兹、开尔文的工作最为著称。现在学习的是第69页，共139页1.迈尔的贡献 罗罗伯伯特特迈迈尔尔(Robert Mayer,18141878)是是第第一一个个在在理理论论上上为为发发现现能能量量守守恒恒定定律律做做出出重重要贡献的人。要贡献的人。2.2.2 能量守恒定律的建立能量守恒定律的建立 现在学习的是第70页，共139页迈迈尔尔出出生生于于德德国国的的海海尔尔布布隆隆(Heibroln)，他他曾曾在在杜杜宾宾根根大大学学学学习习医医药药，毕毕业业后后一一直直以以行医为业。行医为业。现在学习的是第71页，共139页1840年年迈迈尔尔充充当当船船医医，当当船船从从苏苏腊腊巴巴亚亚驶驶近近爪爪哇哇时时，在在为为海海员员治治病病的的过过程程中中，他他发发现现患患病病海海员员的的静静脉脉血血液液比比在在欧欧洲洲时时红红一一些些。这这一一发发现现使使他他很很惊惊讶讶，并并引引起起他他长长时时间间的的思思考考，终终于于在在1841年年得出较成熟的看法：他用燃烧理论解释以上现象。得出较成熟的看法：他用燃烧理论解释以上现象。现在学习的是第72页，共139页认认为为食食物物可可以以转转化化为为热热，在在外外界界温温度度较较高高条条件件下下，机机体体只只需需要要吸吸收收食食物物中中较较少少的的热热量量，所所以以机机体体中中食食物物的的燃燃烧烧过过程程减减弱弱了了，因因此此静静脉脉血血中中留留下下了了较较多多的的氧氧，促促使使血血液液的的颜颜色色发发生生变变化。由此引起了他对物理的兴趣。化。由此引起了他对物理的兴趣。现在学习的是第73页，共139页迈迈尔尔对对发发现现能能量量守守恒恒定定律律的的贡贡献献主主要要表表现现在在他他18421851年年发发表表的的四四篇篇论论文文中中。1842年在德国生物、化学家李比希为主编的化学和药学杂志上发表的关于无机界力的评论中，从哲学思想上提出力是运动的原因。其重要特征之一是原因与作用恒等，他称之为力的“不灭性”。现在学习的是第74页，共139页特特征征之之二二是是原原因因能能以以不不同同的的方方式式表表现现出出来来，而而这这些些不不同同力力的的表表现现方方式式之之间间会会相相互互转转化化。因因此此，他他认认为为热热是是一一种种力力，可可转转变变为为机机械械效效应应，由由此此得得出出“力力是是不不灭灭的的，可可转转变变为为不不可可称称量量的的东东西西。”论论文文的的第第二二部部分分，是是论论证证“下下落落力力”(即即势势能能)和和“运运动动”(即即动动能能)的的转转化化及及守守恒恒关关系系。在在论论文文的的第第三三部部分分，他他利利用用当当时时已已测测定定的的理理想想气气体体状状态态方方程程，计计算算出出热热功功当当量量，为为365公公斤斤米米大卡。大卡。现在学习的是第75页，共139页1845年年迈迈尔尔发发表表了了他他的的第第二二篇篇论论文文论论与与新新陈陈代代谢谢相相联联系系着着的的有有机机运运动动的的论论文文。在在该该文文中中，他他大大大大地地发发展展了了1842年年的的论论文文的的深深度度和和广广度度，将将研研究究的的物物质质运运动动形形态态，从从机机械械运运动动和和热热运运动动推推广广到到电电、磁磁、化化学学作作用用和和生生物物器器官官的的作作用用，及及它它们们之间的相互转化关系。之间的相互转化关系。现在学习的是第76页，共139页 对对于于迈迈尔尔的的工工作作，到到1858年年在在德德国国仍仍只只被被少少数数人人赞赞扬扬。恩恩格格斯斯对对迈迈尔尔的的工工作作给给以以很很高高的的评评价价，他他在在自自然然辩辩证证法法一一书书中中写写道道：“运运动动的的量量的的不不变变性性已已经经被被笛笛卡卡儿儿指指出出了了但但是是，运运动动形形态态的的转转化化直直到到1842年年才才发发现现出出来来，而而且且新新的的东东西西正正是是这这一一点，而不是量方面不变的定律。点，而不是量方面不变的定律。”现在学习的是第77页，共139页2焦耳的贡献 焦焦耳耳是是为为能能量量守守恒恒定定律律的的发发现现奠奠定定主主要要实实验验基基础础的的人人。他他是是英英国国曼曼彻彻斯斯特特的的一一个个啤啤酒厂的主人