热力学发展史概述讲课稿.ppt

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1、热力学发展史概述第一节热机的发展和热现象的研究 16951695年，荷兰物理学家惠更斯的学生和助手年，荷兰物理学家惠更斯的学生和助手法国人巴本法国人巴本（1647-17141647-1714）第一个发明了汽）第一个发明了汽缸有活塞的蒸汽机，用以取水和推磨。缸有活塞的蒸汽机，用以取水和推磨。虽然结构不完善，但虽然结构不完善，但它是第一个蒸气在汽它是第一个蒸气在汽缸内作功的机器缸内作功的机器英国皇家工英国皇家工程队的军事工程程队的军事工程师发明第一台用师发明第一台用于生产的蒸汽机于生产的蒸汽机16981698年年英国人赛维里英国人赛维里（1650-17151650-1715）也提出了类似的机器。）

2、也提出了类似的机器。17121712年英国的铁匠年英国的铁匠纽科门纽科门（1663-1663-17921792）制造了一个）制造了一个 具有价值的工作机，用具有价值的工作机，用于供水、取出矿井中的积水和灌溉。于供水、取出矿井中的积水和灌溉。十八世纪中期。对纽科门的热机进行根本改十八世纪中期。对纽科门的热机进行根本改革的是革的是英国人瓦特英国人瓦特（1736-18191736-1819）。）。17571757年年瓦特在格拉斯哥大学当仪器修理工。瓦特在格拉斯哥大学当仪器修理工。17631763年年当他修理一台纽科门机时发生了浓厚的兴趣，当他修理一台纽科门机时发生了浓厚的兴趣，并增加了冷凝器，可保持

3、汽缸高温而提高了并增加了冷凝器，可保持汽缸高温而提高了效率，减少了热量的消耗。效率，减少了热量的消耗。17691769年获专利。年获专利。17821782年瓦特又制造了双冲程蒸汽机，后又加年瓦特又制造了双冲程蒸汽机，后又加上了飞轮和离心调速器，逐步达到完善。上了飞轮和离心调速器，逐步达到完善。蒸汽机从开始出现到最后完善经历了大约一百年，对蒸汽机从开始出现到最后完善经历了大约一百年，对社会生产和人类生活产生了巨大的影响。社会生产和人类生活产生了巨大的影响。18071807年美国人富而顿年美国人富而顿（1765-18151765-1815）在纽约制造了第一）在纽约制造了第一艘客船艘客船“clerm

4、onf”“clermonf”号。号。18141814年英国煤矿工人斯蒂芬森年英国煤矿工人斯蒂芬森（1781-18481781-1848）制造了第）制造了第一台蒸气机车，一台蒸气机车，18251825年被应用于火车和铁路。英国成为年被应用于火车和铁路。英国成为当时世界工业最发达的国家，形成了第一次世界技术革当时世界工业最发达的国家，形成了第一次世界技术革命命蒸气时代。蒸气时代。18421842年法国、德国和意大利的资产阶级年法国、德国和意大利的资产阶级革命动摇了欧洲封建统治和农奴制度。革命动摇了欧洲封建统治和农奴制度。恩格斯说：恩格斯说：“蒸汽机是一个真正的国际的发明，而这蒸汽机是一个真正的国际

5、的发明，而这个事实又证明了一个巨大的历史性进步。个事实又证明了一个巨大的历史性进步。”内燃机内燃机人类在很早就有懂得了用感觉来比较冷热，比如人类在很早就有懂得了用感觉来比较冷热，比如在中国古代冶铁中要掌握在中国古代冶铁中要掌握“火候火候”（即温度的高低），（即温度的高低），直到今天用感觉判断温度的方法还用在手工业铸造中。直到今天用感觉判断温度的方法还用在手工业铸造中。随着科学技术的发展，人们的生活领域不断扩大，需随着科学技术的发展，人们的生活领域不断扩大，需要对冷热程度给出精确的定量描述，于是刺激了计温要对冷热程度给出精确的定量描述，于是刺激了计温学的发展，即温度计的制作：学的发展，即温度计的

6、制作：1 1、温标，温标，如冰水混合物为摄氏如冰水混合物为摄氏 0 0o o；2 2、测温质，测温质，如水银、酒精、气体（物质热膨胀规律如水银、酒精、气体（物质热膨胀规律研究）；研究）；一、温度的测定 1653 1653年意大利的一位公爵年意大利的一位公爵费迪费迪南二世南二世制造了一个所谓的温度计，制造了一个所谓的温度计，在玻璃管中装入酒精，管壁刻上度在玻璃管中装入酒精，管壁刻上度数，上端封口。数，上端封口。1659 1659年法国的天文学家年法国的天文学家伊斯梅伊斯梅尔尔博里奥博里奥制造了第一个用水银做制造了第一个用水银做测温物质的温度计，还做了气温记测温物质的温度计，还做了气温记录。录。伽

7、利略的测温仪伽利略的测温仪 早在早在15931593年年伽利略伽利略利用热利用热胀的性质制成了世界上第一个胀的性质制成了世界上第一个显示冷热变化的仪器显示冷热变化的仪器示温仪。示温仪。德国德国格里凯格里凯最早提出在温度计的刻度上标出定最早提出在温度计的刻度上标出定点的人之一，他以马德堡市初冬和盛夏为定点温点的人之一，他以马德堡市初冬和盛夏为定点温度。度。1688 1688年年道伦斯道伦斯提出以冰的温度和黄油溶解时提出以冰的温度和黄油溶解时的温度为固定点。的温度为固定点。1694 1694年年惠更斯惠更斯提出以水结冰和沸腾时的温度提出以水结冰和沸腾时的温度为固定点等。为固定点等。法国物理学家法国

8、物理学家阿蒙顿阿蒙顿（1663-17051663-1705）改进了）改进了伽利略的温度计，建立了气压的改变正比于温度伽利略的温度计，建立了气压的改变正比于温度差的定律：差的定律：1709 1709年荷兰的玻璃工人年荷兰的玻璃工人华伦海特华伦海特（1688-17361688-1736）制造出世界上第一个温度计。他选水、冰、食盐、和氨制造出世界上第一个温度计。他选水、冰、食盐、和氨水混合平衡时的温度为零度，冰点为水混合平衡时的温度为零度，冰点为3232度，水在常压下度，水在常压下沸腾为沸腾为212212度，又在冰点与沸点之间分为度，又在冰点与沸点之间分为180180等份，一等等份，一等份为份为1

9、1度，这就是世界上第一个温标度，这就是世界上第一个温标华氏温标，这是华氏温标，这是热学发展的一个重要标志。热学发展的一个重要标志。但是阿蒙顿的研究为后来的物理学家、化学家但是阿蒙顿的研究为后来的物理学家、化学家盖盖吕萨克吕萨克和和道耳顿道耳顿对气体性质的研究做出了先例。对气体性质的研究做出了先例。波意耳波意耳和牛顿也曾研制过温度计。波意耳在和牛顿也曾研制过温度计。波意耳在1665年年发表的热的力学原理的论文中，已经确信一切物体的发表的热的力学原理的论文中，已经确信一切物体的熔点都是常数。熔点都是常数。1742 1742年瑞典天文学家年瑞典天文学家摄尔修斯摄尔修斯（1701-1701-17441

10、744）制定了以他的名字命名的摄氏温标。温）制定了以他的名字命名的摄氏温标。温标以冰点为标以冰点为0 0度，一个大气压下沸点为度，一个大气压下沸点为1001000 0C C，从从0 0点到沸点分为点到沸点分为100100等份，一等份为等份，一等份为1 10 0C C。此处还出现了法国此处还出现了法国列缪尔列缪尔（1683-17571683-1757）的列氏温标。剧统计，到的列氏温标。剧统计，到17791779年约有年约有1919种温标。种温标。现在常用的只有现在常用的只有3 3种，即华氏、摄氏、列氏。种，即华氏、摄氏、列氏。英、美用华氏最多，列氏在德国用的最多，法英、美用华氏最多，列氏在德国用

11、的最多，法国摄氏占优势，而科学界普遍采用摄氏。国摄氏占优势，而科学界普遍采用摄氏。液体的沸点液体的沸点 18 18世纪初，欧洲的工业比较发达，许多生产世纪初，欧洲的工业比较发达，许多生产部门如蒸汽机的研制和使用、化工、铸造都涉及部门如蒸汽机的研制和使用、化工、铸造都涉及到热量问题，但当时人们对温度和热量这两个基到热量问题，但当时人们对温度和热量这两个基本概念还混淆不清，往往把温度看作热量，因而本概念还混淆不清，往往把温度看作热量，因而阻碍了热学的发展。阻碍了热学的发展。由于建立了比热、热容量、潜热等热学基本由于建立了比热、热容量、潜热等热学基本概念，把温度和热量分开，因此加速了热学的发概念，把

12、温度和热量分开，因此加速了热学的发展，所以十八世纪被称为展，所以十八世纪被称为热学世纪。热学世纪。二、量热学的开始二、量热学的开始热胀冷缩热胀冷缩 在十八世纪前半期，温度的测量和热量的测在十八世纪前半期，温度的测量和热量的测量还没有被科学界区别来开。量还没有被科学界区别来开。为此，荷兰物理学家为此，荷兰物理学家波尔哈夫波尔哈夫就认为，一定量就认为，一定量物体的温度都应该吸收同样数量的热量，这个物体的温度都应该吸收同样数量的热量，这个值又同它每降低一度时放出的热量相等。值又同它每降低一度时放出的热量相等。波尔哈夫同华伦海特波尔哈夫同华伦海特一起进行实验，把一起进行实验，把40 的的水同等体积的水

13、同等体积的80 的水相混合而得出混合水的的水相混合而得出混合水的温度恰为温度恰为60，与预期结果相符。，与预期结果相符。波尔哈夫波尔哈夫由此断言：由此断言：“在混合时热不能创造也在混合时热不能创造也不能消灭不能消灭”。但后来，波尔哈夫在考察不同温。但后来，波尔哈夫在考察不同温度的水和水银混合后的温度变化时，却发生了度的水和水银混合后的温度变化时，却发生了矛盾：矛盾：100 的水和等体积的的水和等体积的150 的水银混合后的水银混合后温度为温度为120，而不是它们的中间平均值，这是，而不是它们的中间平均值，这是他所无法解释的。他所无法解释的。同年，俄国彼堡科学院院士同年，俄国彼堡科学院院士李赫曼

14、李赫曼（1711-1711-17531753）认为热量在物体内是按体积（或质量）均）认为热量在物体内是按体积（或质量）均匀分配的，所以他把物体的匀分配的，所以他把物体的m m和温度和温度t t的乘积的乘积mtmt为为热量的定义，确定两个温度不同的物体的混合后热量的定义，确定两个温度不同的物体的混合后的温度为：的温度为：式中表达的意思正是温度和热量两概念模式中表达的意思正是温度和热量两概念模糊不清的具体表现。糊不清的具体表现。1744年，彼得堡科学院的年，彼得堡科学院的克拉弗特克拉弗特提出了一提出了一个确定热水和冷水的混合温度的报告。个确定热水和冷水的混合温度的报告。后来英国化学家后来英国化学家

15、布拉克布拉克（1728-17991728-1799）用实验重）用实验重新审查了李赫曼的设想。他主张将热和温度两个概新审查了李赫曼的设想。他主张将热和温度两个概念分别称为念分别称为“热的量热的量”和和“热的强度热的强度”。他在研究。他在研究热传导时发现，同重量而不同温度的两种物质混合热传导时发现，同重量而不同温度的两种物质混合在一起时，它们的温度变化是不相同的。他把物质在一起时，它们的温度变化是不相同的。他把物质在改变相同温度时的热量变化叫做这些物质的在改变相同温度时的热量变化叫做这些物质的“对对热的亲和性热的亲和性”、“接受热的能力接受热的能力”，并由此提出了，并由此提出了“比热比热”概念。后

16、来他的学生伊尔文引进了概念。后来他的学生伊尔文引进了“热容热容量量”概念，并仔细地测量了一些物质的比热。概念，并仔细地测量了一些物质的比热。几乎在同一时期，瑞典的几乎在同一时期，瑞典的维尔克维尔克也进行了量热也进行了量热学的研究，他通过出质量相等的水和冰在熔解温度学的研究，他通过出质量相等的水和冰在熔解温度下混合时要失去下混合时要失去7272的热。他还指出，若把水的比的热。他还指出，若把水的比热定为热定为1 1，就可求出其他物质的比热。，就可求出其他物质的比热。在研究冰和水的混和温度时他发现，在冰的在研究冰和水的混和温度时他发现，在冰的熔解中需要一些为温度觉察不出的热量，进而发熔解中需要一些为

17、温度觉察不出的热量，进而发现各种物质在发生物态变化时都有这种效应，他现各种物质在发生物态变化时都有这种效应，他由此引进了由此引进了“潜热潜热”的概念，认为这部分热量是的概念，认为这部分热量是与物质内部的微粒发生了某种准化学作用而潜藏与物质内部的微粒发生了某种准化学作用而潜藏起来了。起来了。这一时期量热学的发展，导致了热量在几个这一时期量热学的发展，导致了热量在几个物体间重新进行分配时其总量不变的观念。物体间重新进行分配时其总量不变的观念。布拉克布拉克把把32320 0F F的冰块和的冰块和1721720 0F F的同等重量的的同等重量的水混合，发现混合温度不是李赫曼的水混合，发现混合温度不是李

18、赫曼的1021020 0F F，这，这就否定了李赫曼的公式，同时也否定了热量按体就否定了李赫曼的公式，同时也否定了热量按体积或质量均匀分配的论点。积或质量均匀分配的论点。1777年，年，拉瓦锡拉瓦锡 和和 拉普拉斯拉普拉斯制造了制造了冰筒量热器冰筒量热器这种经典的量热装置，利这种经典的量热装置，利用它测定了一系列物质的比热。用它测定了一系列物质的比热。通过众多物理学家的不懈努力，在十八通过众多物理学家的不懈努力，在十八世纪八十年代，量热学的一系列基本概念世纪八十年代，量热学的一系列基本概念 温度、热量、热容量、潜热等都已确立。量温度、热量、热容量、潜热等都已确立。量热学从而成为了相对独立的一门

19、学科，并发热学从而成为了相对独立的一门学科，并发展达到了精确定量的水平。展达到了精确定量的水平。三、热的传导三、热的传导 在量热学发展的同时，热的传导理论也得到在量热学发展的同时，热的传导理论也得到了发展。了发展。法国数学家傅里叶法国数学家傅里叶（1768-18301768-1830）在）在18221822年出版的热的解析理论中研究了热流质在物年出版的热的解析理论中研究了热流质在物体中的传播，给出了热传导的经验定律，建立了体中的传播，给出了热传导的经验定律，建立了热传导方程热传导方程:热传递热传递 1784 1784年年伽托林伽托林又又导热物质的无限小的体元，导热物质的无限小的体元，得到了普遍

20、的传导方程得到了普遍的传导方程:利用此式可以确定一定物体的温度分布。利用此式可以确定一定物体的温度分布。四、四、关于热的本性学说关于热的本性学说 热是什么热是什么?1.1.热是一种物质热是一种物质,即热质说即热质说2.热是物体粒子的内部运动热是物体粒子的内部运动 古希腊的原子论把热描绘成一种特殊的古希腊的原子论把热描绘成一种特殊的,不可直接觉察不可直接觉察的物质的物质;其结构与其他的物质一样其结构与其他的物质一样,也是由原子构成的也是由原子构成的;大概大概还具有一定的重量。还具有一定的重量。法国数学教授伽桑狄法国数学教授伽桑狄(1592-1655)认为热和冷都是由认为热和冷都是由特殊的特殊的“

21、热原子热原子”和和“冷原子冷原子”引起的引起的,这实际上是对古这实际上是对古希腊的热的物质说的支持和延伸希腊的热的物质说的支持和延伸.历史上历史上迪卡尔、波意耳、胡克等人迪卡尔、波意耳、胡克等人主张这一观点。继主张这一观点。继胡克之后反对热质说的还有胡克之后反对热质说的还有丹尼尔丹尼尔伯努力伯努力和和罗蒙诺索夫罗蒙诺索夫。罗蒙诺索夫关于热理论的观点包含在他的两篇著作中，一罗蒙诺索夫关于热理论的观点包含在他的两篇著作中，一篇是篇是1749年发表的年发表的“关于热和冷的原因之沉思关于热和冷的原因之沉思”，另一篇，另一篇是是“空气弹性理论的尝试空气弹性理论的尝试”。例例:热金属热金属A A插入冷水插

22、入冷水B B中中,(A,B,(A,B系统是绝热系统是绝热,孤立的孤立的)热量守恒定律热量守恒定律.当时热作为一种实物性物质的观念占上风当时热作为一种实物性物质的观念占上风.，认为热，认为热是一种实体是一种实体,它既不会被创生它既不会被创生,也不会被消灭也不会被消灭.但它可以从但它可以从一个物体流向另一个物体一个物体流向另一个物体.好似能够说明有关热传导和量好似能够说明有关热传导和量热学的一些实验结果热学的一些实验结果.但不能很好地解释摩擦生热的现象但不能很好地解释摩擦生热的现象 1818世纪末世纪末,热质说受到了严重的挑战热质说受到了严重的挑战,致力于推翻热致力于推翻热的物质说的物理学家是的物

23、质说的物理学家是伦福德伯爵伦福德伯爵和和戴维戴维:(:(1778-1778-1829),1829),把两块冰在真空中相互摩擦把两块冰在真空中相互摩擦,熔化熔化.断言断言“热质是热质是不存在的不存在的”.”.分析当时热质说占优势的主要原因是分析当时热质说占优势的主要原因是:当时人当时人们把热现象和其他现象割裂开来研究们把热现象和其他现象割裂开来研究,还未注意到还未注意到它们之间的相互关系和转化它们之间的相互关系和转化;热质说比热的运动说热质说比热的运动说更为简明更为简明,用热质说能很好地解释当时已发现的热用热质说能很好地解释当时已发现的热现象现象,因此易于被人们接受因此易于被人们接受;热质说更能

24、迎合热质说更能迎合18世世纪在物理学和化学研究中占统治地位的形式主义纪在物理学和化学研究中占统治地位的形式主义倾向倾向.另外另外牛顿牛顿“不臆造假说不臆造假说”的思想的思想还很有影还很有影响响,大多数物理学家不愿接受当时还看不见摸不大多数物理学家不愿接受当时还看不见摸不着的比较复杂的分子运动假说着的比较复杂的分子运动假说.热力学第一定律的建立热力学第一定律的建立第二节第二节热力学第一定律就是热力学第一定律就是能量守恒定律。能量守恒定律。一、定律诞生的条件一、定律诞生的条件 （1）蒸汽机技术的成就是建立）蒸汽机技术的成就是建立能量守恒定律能量守恒定律的基本的基本物质前提之一。物质前提之一。蒸汽机

25、的发明是蒸汽机的发明是18世纪技术上的一大创举，随着世纪技术上的一大创举，随着19世纪的到来，蒸汽技术很快应用于交通运输。在世纪的到来，蒸汽技术很快应用于交通运输。在19世纪世纪最初的最初的1/3时间内，蒸汽技术开始作为传播的动力：时间内，蒸汽技术开始作为传播的动力：1807年，美国哈得逊河上，年，美国哈得逊河上，福尔顿福尔顿 的第一艘克雷英特号的第一艘克雷英特号开航；欧洲的第一艘轮船与开航；欧洲的第一艘轮船与1812年在苏格兰的克来依特年在苏格兰的克来依特 河上行驶；河上行驶；1838年建立了轮船的定期航班。年建立了轮船的定期航班。把蒸汽技术用于陆地的交通要比船舶上的应用复把蒸汽技术用于陆地

26、的交通要比船舶上的应用复杂的多，但它的发展也相当快。杂的多，但它的发展也相当快。（2）有关的基本概念和规律的逐渐形成，是建立）有关的基本概念和规律的逐渐形成，是建立能量守恒定律能量守恒定律的物理学基础。的物理学基础。早在早在1686年，年，莱布尼兹莱布尼兹就已提出就已提出mv2表示活力，相当表示活力，相当于后来的动能。于后来的动能。1807年年托马斯托马斯扬扬（Thomas Young1773-1829）在他的著作自然哲学讲义中，第一次提出了）在他的著作自然哲学讲义中，第一次提出了动量的概念。动量的概念。1829年年蓬瑟勒蓬瑟勒在技术力学引言一书中，坚决支持在技术力学引言一书中，坚决支持“功功

27、”这一术语；瓦特进行了马的能力和机器的比较，而这一术语；瓦特进行了马的能力和机器的比较，而定出功率的单位；定出功率的单位；18341835年间，英国的年间，英国的哈密顿哈密顿在论动力学的一般在论动力学的一般方法一文中，引入了方法一文中，引入了“力函数力函数”；1828年年格林格林提出提出“位函数位函数”并应用于静电学和静磁学。到了并应用于静电学和静磁学。到了19世纪世纪40年代，年代，高斯高斯的工作的工作使使“位函数位函数”得到了普遍的应用。得到了普遍的应用。导致导致能量守恒定律能量守恒定律最后确立的两个重要线索是：最后确立的两个重要线索是：永动机永动机不可能实现的确认不可能实现的确认和和各种

28、物理现象之间普遍联系的发现。各种物理现象之间普遍联系的发现。到了到了19世纪世纪40年代，从各方面来看，建立定律的条年代，从各方面来看，建立定律的条件已经具备，在这段时期内（件已经具备，在这段时期内（18421847），有时几个），有时几个科学家在不同地点、用不同的途径、各自独立地提出了科学家在不同地点、用不同的途径、各自独立地提出了能量守恒定律。其中以能量守恒定律。其中以RR迈尔迈尔、焦耳焦耳、亥姆霍兹亥姆霍兹的工的工作最为著称。作最为著称。二、二、RR迈尔（迈尔（1814187818141878）的贡献）的贡献 迈尔迈尔是提出是提出能量守恒和转化定律能量守恒和转化定律的第一人，的第一人，迈

29、尔应用迈尔应用“不能无中生有不能无中生有”和和“原因等于结果原因等于结果两条哲学原理两条哲学原理”，表达了他对物理和化学过程，表达了他对物理和化学过程的守恒问题的思想，他认为：的守恒问题的思想，他认为：如果原因如果原因c有着结果有着结果e,那么那么c等于等于e，倘若，倘若e又是另一又是另一个结果个结果f的原因，那么的原因，那么e等于等于f，并以此类推得出，并以此类推得出 c=e=f=c 他认为在原因和作用的这条长链中，是永远不会他认为在原因和作用的这条长链中，是永远不会有一个环节或者一个环节的一部分变为零的。他把这有一个环节或者一个环节的一部分变为零的。他把这个特性称为个特性称为第一个特性第一

30、个特性不灭性不灭性 迈尔把力看作是一种原因，因此认为力是不可消迈尔把力看作是一种原因，因此认为力是不可消灭的和可以转化的。灭的和可以转化的。他以力学的观点，以物体下落为例，认为他以力学的观点，以物体下落为例，认为“下落的下落的力力”和运动之间可以相互转化，并列出了重力场中的能和运动之间可以相互转化，并列出了重力场中的能量守恒定律。量守恒定律。1848年，年，迈尔迈尔又发表了又发表了通俗天体学通俗天体学，讨论了宇宙中，讨论了宇宙中的能量循环，解释了陨石的发光是由于他们在大气中损失了的能量循环，解释了陨石的发光是由于他们在大气中损失了动能，并应用动能，并应用能量守恒规律能量守恒规律解释了潮汐的涨落

31、。解释了潮汐的涨落。1851年迈尔出版了年迈尔出版了论热的机械当量论热的机械当量一文，详细的阐一文，详细的阐述了热功当量的计算。述了热功当量的计算。恩格斯恩格斯对迈尔的工作给以很高的评价，他在自然辩对迈尔的工作给以很高的评价，他在自然辩证法一书中写道，运动的量的不变性已经被迪卡尔指出证法一书中写道，运动的量的不变性已经被迪卡尔指出了了但是，运动形态的转化直到但是，运动形态的转化直到1842年才发现出来年才发现出来,而且而且新的东西正是这一点新的东西正是这一点,而不是量方面不变的定律而不是量方面不变的定律.”迈尔的迈尔的论无机界的力正好是论无机界的力正好是1842年发表的年发表的.显然恩格斯指的

32、显然恩格斯指的1842年发现既是迈尔的工作年发现既是迈尔的工作.改变内能的改变内能的两种方法两种方法三三 焦耳对热功当量的测定焦耳对热功当量的测定 焦耳焦耳是英国曼彻斯特的一个啤酒厂的主人，是业余的是英国曼彻斯特的一个啤酒厂的主人，是业余的科学家，焦耳所以由一个啤酒酿造商成为一个物理学家。科学家，焦耳所以由一个啤酒酿造商成为一个物理学家。焦耳的主要贡献是他钻研并测定了焦耳的主要贡献是他钻研并测定了热和机械功热和机械功之间的当之间的当量关系。这方面研究工作的第一篇论文量关系。这方面研究工作的第一篇论文关于电磁的热效应关于电磁的热效应和热的功值和热的功值。此后，他用不同材料进行实验，并不断改进。此

33、后，他用不同材料进行实验，并不断改进实验设计，结果发现尽管所用的方法、设备、材料各不相同，实验设计，结果发现尽管所用的方法、设备、材料各不相同，结果都相差不远；并且随着实验精度的提高，趋近于一定的结果都相差不远；并且随着实验精度的提高，趋近于一定的数值。数值。焦耳关于热功当量的论文还有焦耳关于热功当量的论文还有:1867年发表的年发表的“由电流的由电流的热效应测定热功当量热效应测定热功当量”和和1878年发表的年发表的“热功当量的新测定热功当量的新测定”等文章等文章,最后得到的热功当量的数值是最后得到的热功当量的数值是423.85公斤公斤米米/千卡。千卡。改变物体内能改变物体内能 关于热力学第

34、一定律的建立，除了关于热力学第一定律的建立，除了迈尔迈尔和和焦耳焦耳的贡的贡献以外，另有其他不少科学家也作了相应的工作，他们献以外，另有其他不少科学家也作了相应的工作，他们是：是：塞贝塞贝于于18391839年在年在“论铁路的影响论铁路的影响”一书中，提出了一书中，提出了热功当量的概念；热功当量的概念；赫斯赫斯于于18401840年发表了热化学中反应热年发表了热化学中反应热与中间过程无关的定律；与中间过程无关的定律；亥姆霍兹亥姆霍兹定于定于18471847年在中心力年在中心力的假设下，从力学定律全面的阐述了机械运动，给出了的假设下，从力学定律全面的阐述了机械运动，给出了能量守恒和转化定律在力学

35、中的具体的数学形式，并且能量守恒和转化定律在力学中的具体的数学形式，并且也论述了热、电磁的也论述了热、电磁的“力力”相互转化和守恒的规律。相互转化和守恒的规律。值值得指出的是：得指出的是：卡诺卡诺曾在曾在18321832年死之前，就独立地发现了年死之前，就独立地发现了热功转化的定律，但是他的文章只是在他死后，于热功转化的定律，但是他的文章只是在他死后，于18781878年方由他的弟弟公开发表。年方由他的弟弟公开发表。焦耳为了测定热功当量的值焦耳为了测定热功当量的值,反复进行反复进行4040年时间，这年时间，这说明焦耳的治学态度的严谨，也说明一个实验结果的确说明焦耳的治学态度的严谨，也说明一个实

36、验结果的确认需要付出大量的劳动。认需要付出大量的劳动。热力学第二、三定律的建立热力学第二、三定律的建立第三节第三节 卡诺生活在人们对热机理论进行热情探索的卡诺生活在人们对热机理论进行热情探索的时代，为此他很早就投身到了这一研究热潮之时代，为此他很早就投身到了这一研究热潮之中。中。卡诺认为，研制热机的目的在于为人们提供卡诺认为，研制热机的目的在于为人们提供更多的动力，解决人们对动力的各种需要；因更多的动力，解决人们对动力的各种需要；因而研究热机的目的就在于找出热机的不完善原而研究热机的目的就在于找出热机的不完善原因，为研制出更高效能的热机提供依据。因，为研制出更高效能的热机提供依据。为此，他为此

37、，他“从足够普遍的观点从足够普遍的观点”出发，研究出发，研究“由热得到运动的原理由热得到运动的原理”。一、一、桑迪桑迪卡诺卡诺(Sadi Carnot(Sadi Carnot，1796-1832)1796-1832)的的贡献贡献 他用科学抽象的方法，舍弃与热机工作过他用科学抽象的方法，舍弃与热机工作过程无关紧要的辅助和次要因素；程无关紧要的辅助和次要因素；构思设计出了构思设计出了一台现实生活中不存在的纯供研究之用的一台现实生活中不存在的纯供研究之用的“理理想热机想热机”。这台理想热机没有摩擦和对外的热交换，这台理想热机没有摩擦和对外的热交换，所以没有因为热量散失而引起不作功的热消耗，所以没有因

38、为热量散失而引起不作功的热消耗，只有最基本的热向机械功转化的工作过程。只有最基本的热向机械功转化的工作过程。卡诺卡诺通过对理想热机的深入研究认为，热机通过对理想热机的深入研究认为，热机必须工作于高温热源与低温热源之间，热量只必须工作于高温热源与低温热源之间，热量只有从高温热源转移到低温热源时才能作功。所有从高温热源转移到低温热源时才能作功。所有那些因加热和冷却而发生体积变化的物质，有那些因加热和冷却而发生体积变化的物质，都可以用来作为汽缸内的工作物质。都可以用来作为汽缸内的工作物质。理想热机所能产生的机械功，由两个热源的温度理想热机所能产生的机械功，由两个热源的温度差决定。差决定。为此从原则上

39、讲，一切热机如果在同样温度为此从原则上讲，一切热机如果在同样温度的两热源之间工作，就会具有同样的效率。的两热源之间工作，就会具有同样的效率。从而他指出，如果有一种比他的理想循环在热的从而他指出，如果有一种比他的理想循环在热的利用方面更加有效的方法，即能够从热质的转移中得利用方面更加有效的方法，即能够从热质的转移中得到更多动力的方法，到更多动力的方法，“则只需要这个动力的一部分，则只需要这个动力的一部分，就可以把热质由物体就可以把热质由物体B送到物体送到物体A去，即从冷源送回去，即从冷源送回到热源，于是起始的状态就得以复原。这样，又可以到热源，于是起始的状态就得以复原。这样，又可以重新开始类似的

40、操作并如此继续下去，这就将不仅是重新开始类似的操作并如此继续下去，这就将不仅是一种永恒的运动，而且将不消耗热质或其他工作物质一种永恒的运动，而且将不消耗热质或其他工作物质而无限地创造出动力来。这是与公认的观念以及力学而无限地创造出动力来。这是与公认的观念以及力学规律、健全的物理学相矛盾的，这是不允许的。规律、健全的物理学相矛盾的，这是不允许的。”卡诺卡诺从理想热机中得出的上述结论，不仅为从理想热机中得出的上述结论，不仅为改善热机效率提供了最根本的理论原则，而且已改善热机效率提供了最根本的理论原则，而且已经包含了经包含了能量守恒和转化、与第二种永动机不可能量守恒和转化、与第二种永动机不可能制成的

41、热力学第一、二定律的内容，这无疑是能制成的热力学第一、二定律的内容，这无疑是正确的。正确的。令人遗憾的是，令人遗憾的是，卡诺卡诺是一位热质说的忠实信是一位热质说的忠实信徒，他处处从热质说的错误观点出发看问题，因徒，他处处从热质说的错误观点出发看问题，因而他仍用热质说去解释他的上述结论，结果他的而他仍用热质说去解释他的上述结论，结果他的上述结论固然正确无误，但用热质说给出的上述上述结论固然正确无误，但用热质说给出的上述结论的证明却是错误的，从而造成了他的失误。结论的证明却是错误的，从而造成了他的失误。他认为蒸汽机的运动伴随着热素重新建立平他认为蒸汽机的运动伴随着热素重新建立平衡的过程衡的过程，“

42、热素总是从一个温度或多或少较高热素总是从一个温度或多或少较高一点的物体，流向另一个温度较低的物体一点的物体，流向另一个温度较低的物体”。二、二、R R克劳修斯克劳修斯和和W W汤姆逊汤姆逊对热力学第二定律的表述对热力学第二定律的表述 1850年，年，克劳修斯克劳修斯在物理学年报上发表了在物理学年报上发表了题为题为“论热的动力和由此得出的热学理论的普遍规论热的动力和由此得出的热学理论的普遍规律律”的论文。提出：的论文。提出：卡诺卡诺认为热量是由一个热体转认为热量是由一个热体转移到一个冷体，就要做功，是正确的，但卡诺认为移到一个冷体，就要做功，是正确的，但卡诺认为这种转移并无热的损失，而热的量保持

43、不变这一观这种转移并无热的损失，而热的量保持不变这一观点是没有根据的。点是没有根据的。克劳修斯克劳修斯进一步发展了卡诺的思想，认为在功进一步发展了卡诺的思想，认为在功的产生中，很可能有两种过程同时发生，这就是一的产生中，很可能有两种过程同时发生，这就是一些热量被用去了，而另一些热量从一个热体被传送些热量被用去了，而另一些热量从一个热体被传送到了一个冷体，并且这两部分热量可能和所发生的到了一个冷体，并且这两部分热量可能和所发生的功有确切的关系。功有确切的关系。开耳芬开耳芬在在1852年发表的年发表的“关于自然界中机械关于自然界中机械能耗散的普遍趋向能耗散的普遍趋向”一文中，把一文中，把克劳修斯克

44、劳修斯的公理的公理说成是：一台不借助任何外界作用的自动机器，说成是：一台不借助任何外界作用的自动机器，把热从一个物体传到另一个温度比他高的物体，把热从一个物体传到另一个温度比他高的物体，这是不可能的，今天把他说成：这是不可能的，今天把他说成：热不能自动地有热不能自动地有低温物体转移到高温物体上去。低温物体转移到高温物体上去。这就是称之为热这就是称之为热力学第二定律的力学第二定律的克劳修斯表述克劳修斯表述。1865年，在物理学和化学年报德文版年，在物理学和化学年报德文版中，中，克劳修斯克劳修斯又发表了题为又发表了题为“论热的机械论种主论热的机械论种主要公式的适应的种种形式要公式的适应的种种形式”

45、一文。在这篇文章中，一文。在这篇文章中，克劳修斯对热力学第二定律给出了他认为是最简克劳修斯对热力学第二定律给出了他认为是最简单而又最一般的形式。单而又最一般的形式。W W汤姆逊（开耳芬）汤姆逊（开耳芬）对热力学第二定律的研究几对热力学第二定律的研究几乎与克劳修斯是同时进行的。早在乎与克劳修斯是同时进行的。早在18481848年，他就年，他就发表了一篇题为发表了一篇题为“基于卡诺的热的动力论和雷诺观基于卡诺的热的动力论和雷诺观察的计算所得的绝对温标察的计算所得的绝对温标”疑问。疑问。在在18511851年，年，汤姆逊汤姆逊在爱丁堡学会会刊上发表了在爱丁堡学会会刊上发表了一篇论文，题目是一篇论文，

46、题目是“论热的动力理论论热的动力理论”，明确提出，明确提出热的动力论的全部理论是建立在分别由焦耳以及卡热的动力论的全部理论是建立在分别由焦耳以及卡诺和克劳修斯所提出的两个命题之上的。诺和克劳修斯所提出的两个命题之上的。克劳修斯克劳修斯和和开耳芬开耳芬不仅建立了热力学第二定律，不仅建立了热力学第二定律，同时对这一普遍原理在具体问题中的应用，也非常同时对这一普遍原理在具体问题中的应用，也非常注意。他们研究过压强对熔点的影响，饱和蒸汽压注意。他们研究过压强对熔点的影响，饱和蒸汽压与温度的关系，温差电现象等等。与温度的关系，温差电现象等等。三、三、“热寂说热寂说”的错误的错误 克劳修斯克劳修斯和和汤姆

47、逊汤姆逊在建立热力学第二定律中做在建立热力学第二定律中做出了贡献，但他们也同时提出了一个错误观点出了贡献，但他们也同时提出了一个错误观点“热寂说热寂说”。即如果在宇宙全部发生的状态变化中，即如果在宇宙全部发生的状态变化中，一个确定方向的变化在量上总是超过相反方向的变一个确定方向的变化在量上总是超过相反方向的变化，那么宇宙的全部状态必定愈来愈多的按照第一化，那么宇宙的全部状态必定愈来愈多的按照第一种方向变化，因而宇宙必定不断的趋于一个终状。种方向变化，因而宇宙必定不断的趋于一个终状。开耳芬也有同样错误的观点开耳芬也有同样错误的观点。他认为：。他认为：1 1、目前物质世界中存在着的普遍倾向是机械能

48、的耗、目前物质世界中存在着的普遍倾向是机械能的耗散。散。2 2、在没有比等当量耗散更多的情况下，任何机械能、在没有比等当量耗散更多的情况下，任何机械能的复原在无生命物质的过程中是不可能的，而且可的复原在无生命物质的过程中是不可能的，而且可能也是从来没有用有机物质实现过的。能也是从来没有用有机物质实现过的。3 3、在已经过去的有限时间内，地球上必定曾经是不、在已经过去的有限时间内，地球上必定曾经是不适宜于像现在这样居住的，而将来的有限时间内，地适宜于像现在这样居住的，而将来的有限时间内，地球上的条件也将是这样。球上的条件也将是这样。按照按照“热寂说热寂说”的观点。在自然界中转化成热能的的观点。在

49、自然界中转化成热能的倾向和使温度平均化的倾向占主要地位，因此将来倾向和使温度平均化的倾向占主要地位，因此将来有一天所有物质会丧失做功的本领，而变得僵化，有一天所有物质会丧失做功的本领，而变得僵化，宇宙宇宙“热寂热寂”了。了。“热寂说热寂说”观点的错误在于把适应于一定条件下的观点的错误在于把适应于一定条件下的物理定律无限制地推广到宇宙，推广到无限长的时物理定律无限制地推广到宇宙，推广到无限长的时间，而给物理定律以绝对的定义。间，而给物理定律以绝对的定义。这一错误我们必须加以借鉴。这一错误我们必须加以借鉴。四、热力学一、二定律的应用和第三定律的提出四、热力学一、二定律的应用和第三定律的提出 热力学

50、第一、二定律建立后，尤其是引入能和热力学第一、二定律建立后，尤其是引入能和熵两个独立的状态函数以后，就能够对有关物体的熵两个独立的状态函数以后，就能够对有关物体的热的行为的许许多多各种陈述进行数学分析。热的行为的许许多多各种陈述进行数学分析。霍尔霍尔斯特曼斯特曼于于1873年把热力学两个定律应用于化学反应。年把热力学两个定律应用于化学反应。起初，能和熵的概念是不完备的。起初，能和熵的概念是不完备的。1906年年华尔华尔塞塞能斯特能斯特把热力学量个原理用来解决热化学的问题，把热力学量个原理用来解决热化学的问题，讨论了在极低温时总能和自由能的关系，从而提出讨论了在极低温时总能和自由能的关系，从而提