热热 工工 基基 础础授课教师：卢玉斌授课教师：卢玉斌热工基础西南科技大学制造科学与工程学院，2012热力学发展史绪论热力学发展史 热是人类最早发现的一种自然力，是地球上一切生命的源泉 。-恩格斯十七世纪以前，人们对热现象已有了一些认识和经验，并在生活中得到广泛应用。但由于缺乏量的概念和实验手段，热学长期未能从生活中独立出来形成一门科学。到十八世纪初，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、铸造等工业都涉及到热量的问题，但当时人们对温度和热量这两个热学的基本概念还混淆不清，由于蒸汽机的发明和不断研究，因此在十八世纪，热学成为物理学中一个新发展起来的领域。热力学发展史1. 量热学的发展 1.温度的测定人类在很早的时候主要用感觉来判断冷热。对随着科学技术的发展，以及生活领域的不断扩大，需要对冷热度进行精确的定量，于是刺激了计量学的发展，即对温度计的制作.早在1593年伽利略利用热胀性质制成了世界上第一个显示冷热变化的仪器-示温仪。伽利略测温仪1659年法国天文学家伊斯梅尔.博里奥制造了第一个用水银做测温物质的温度计。法国物理雪茄阿蒙顿（1663-1705）改进了伽利略温度计，建立了气压的改变正比于温度差的定律，即：热力学发展史1709年荷兰玻璃工人华伦海特（1688-1736）制造出世界上第一个温度计。他选用水 、冰、食盐和氨水混合平衡时的温度为零度，冰点为32 度，水在常压下沸腾为212度，又在冰点和沸点之间分180等份，一等份为1度，这就是世界上第一个温标-华式温标（用F表示），也是热力学发展史上的一个重要标志。1742年瑞典天文学家摄尔修斯（1701-1744）制定了以他的名字命名的摄氏温标。温标以冰点为0度，以一个大气压下水的沸点为100度，从0 度到沸点分为100等份，每份为1度。华式温标和摄氏温标的关系为：tF=(9/5)Tc+32此外还有列式温标等各种温标，据统计，到1779年世界上总共有19种多的温标。热力学温标：1854年，开尔文提出开氏温标，得到世界公认。为结束温标上混乱的局面，1927年，在第七届国际计量大会上，将开氏温标作为最基本的温标，1960年第十一届国际计量大会上规定，热力学温标以开尔文为单位，规定水的三相点为273.16K;由于水的三相点在摄氏温标上为0.01，所以0 =273.15K,热力学温标和摄氏温标的关系为： K= +273.15热力学发展史 温度计是测温仪器的总称，可以准确的判断和测量温度。主要利用气、液、固受温度的影响而热胀冷缩等现象为设计依据。气体温度计：多用氢气和氦气作测温介质，精密度高。液体温度计：有煤油温度计、酒精温度计和水银温度计等。电阻温度计：测量范围为-260-600 之间左右；温差电偶温度计：利用温差电现象制成，多用于对高温和低温的测量；高温温度计：有光测温度计、比色温度计和辐射温度计等，其测量范围可达500 至3000 以上。热力学发展史 量热学的开始 十八世纪初，人们对温度和热量的概念还混淆不清，但在十八世纪里陆续建立了比热、热容、潜热等热力学基本概念，把温度和热量分开，加速了热学的发展，因此，十八世纪被称为热学世纪。荷兰物理学家波尔哈夫(H.Boerhaave,16681738)认为：热混合时热不能创造也不能消灭。一定量的物质的温度都应该吸收数量的热量，这个值又同它每降低一度时放出的热量相等。波尔哈夫用40F的水同等体积的80F水相混合而得出混合水的温度为60F,与预期的结果相符。但后来考察不同温度的水和水银混合时的温度变化得出矛盾的结论。1744年，俄国科学家李赫曼（1711-1753）认为热量在物体内是按体积（或质量）均匀分布的，所以他把物体的质量m和温度t的乘积作为热量的定义，并得出两个温度不同物体的混合后温度为：热力学发展史英国化学家布拉克（1728-1799）年用32F的冰块和172F的同等重量的水混合，发现混合温度不是李赫曼的102F，否定了李赫曼的公式。他把物质在改变相同温度时的热量变化叫做这些物质的“对热的亲和性”，“接受热的能力”，并由此提出了“比热”概念。后来他的学生伊尔文引进了“热容量”概念，并仔细测量了一些物质的比热。同一时期，瑞典科学家维尔克指出，若把水的比热定为1，则可求出其他物质的比热。同时，布拉克在研究冰水混合物时发现，在冰溶解中需要一些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，由此他提出了“潜热”的概念。1777年，拉瓦锡和拉普拉斯制造了冰筒量热器这种经典的量热装置，利用它测定了一系列物质的比热。通过众多科学家的不懈努力，在十八世纪八十年代，量热学的一系列基本概念温度、热量、热容量、潜热等已确立，量热学从而成为一门相对独立的学科，并发展到精确定量的水平。热力学发展史2. 热的本性学说1. 热是一种物质，即热质说古希腊的原子论把热描绘成一种特殊的，不可直接觉察的物质；其结构与其他的物质一样，也是由原子构成的；大概还具有一定的重量。 法国数学家伽桑狄（1592-1655）人为热和冷都是由特殊的“热原子”和冷原子引起的，这实际上是对古希腊的热的物质说的支持和 延伸。其代表人物还有：伊壁鸠鲁、傅里叶、卡诺等。热质学的一些主要观点：（1）热是一种实体，它既不会被创生，也不会被消灭，但可以从一个物体流向另一个物体。（2）冷物体热质少，热物体热质多。热力学发展史2. 热是物体粒子的内部运动历史上迪卡尔、波意耳、胡克等人主张这一观点。继胡克之后反对热质说的还有丹尼尔.伯努利和罗蒙罗索夫等。他们认为：“尽管看不到，也不能否定分子运动是存在的”18世纪末，热质说受到了严重的挑战，致力于推翻热质说的物理学家是伦福德伯 和戴维。实验：把两块冰在真空中相互摩擦融化，进而断言“热质是不存在的”直到19世纪40-50年代，热力学第一定律能量守恒和转换定律确立，彻底否认了热质说。热力学发展史3. 热力学第一定律的建立2. 第一定律诞生的背景18世纪，蒸汽技术的成就是建立热力学第一定律-能量守恒定律的基本物质前提之一。有关的基本概念和规律的逐渐形成，是建立热力学第一定律的物理学基础19世纪40年代，建立热力学第一定律的条件已经具备，在这段时期（1842-1847）内有十几个科学家在不同地点、不同途径、各自独立的提出了能量守恒定律。其中以R.迈尔、焦耳和亥姆霍兹的工作 最为显著。1. 热力学第一定律表述自然界中一切物质都具有能量。能量既不可能被创造，也不可能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。在转换中，能量的总量保持不变。热力学发展史3. 杰出贡献科学家R.迈尔迈尔曾是一名医生。迈尔是将热力学观点用于有机世界的第一人。他在1841 年、1842年撰文发表他的观点。（1）力（能量）是不灭的，而是可转化的，不可称量的客体.（2）无不能生有，有不能变无。（3）在死或或的自然界中，这个力（能）永远处于循环和转化之中。亥姆霍兹德国科学家，他认为，大自然是统一的，自然力（即能量）是守恒的.1847年，发表著名论文力的守恒，把能量概念从机械运动推广到普遍的能量守恒。 焦耳英国著名的实验物理学家。16岁在名家道尔顿处学习，使他对科学浓厚兴趣。热力学发展史（1）1841年焦耳发表文章指出:“热量与导体电阻和电流平方成正比。”这就是著名的焦耳楞次定律 （2）1845年，焦耳为测定机械功和热之间的转换关系，设计了“热功当量实验仪”，并反复改进，反复实验。（3）1849年发表论热功当量。（4）1878年发表热功当量的新测定，最后得到的数值为423.85公斤米/千卡。 能量守恒和转化定律是自然界基本规律，恩格斯曾 将它和进化论、细胞学说并列为三大发现 热力学发展史4. 热力学第二定律、第三定律在实际情况中，人们发现，并不是所有满足热力学第一定律的过程都能实现，比如热不能自动的由低温转向高温，过程具有方向性。这就导致了热力学第二定律的提出。克劳修斯、开尔文、玻尔兹曼等科学家对热力学第二定律做出了重要贡献。1. 热力学第二定律表述 克劳修斯表述不可能将热量由低温物体传给高温物体而不引起其他变化。 开尔文-普朗克表述不可能制造制造只从单一热源吸热使之完全变成机械能而不引起其他变化的循环发动机。热力学发展史2. 杰出贡献科学家 克劳修斯1854 年，克劳修斯发表热的机械论中第二个基本理论的另一形式，在这篇论文中他更明确地阐明：“热永远不能从冷的物体传向热的物体，如果没有与之联系的、同时发生的其它的变化的话。关于两个不同温度的物体间热交换的种种已知事实证明了这一点；因为热处处都显示企图使温度的差别均衡之趋势，所以只能沿相反的方向，即从热的物体传向冷的物体。因此，不必再作解释，这一原理的正确性也是不证自明的。”他特别强调“没有其它变化”这一点，并解释说，如果同时有沿相反方向并至少是等量的热转移，还是可能发生热量从冷的物体传到热的物体的。这就是沿用至今的关于热力学第二定律的克劳修斯表述 。热力学发展史 卡诺法国科学家，提出著名热机效率问题-卡诺循环1824年，年仅28岁的卡诺发表了关于火的动力及产生这种动力的机器 一文。阐述了他的理想热机理论。（1）热机只能在具有温差的两个热源之间工作。当热从高温热源象瀑布那样流向低温热源时，热机才能做功。（2）热机的效率于工作介质无关而主要取决于两个热源之间的温差。卡诺是坚持热质说的科学家。他的论述实际上已接近发现热力学第二定律。热力学发展史3. 热寂说热力学第二定律和热力学第一定律一起，组成了热力学的理论基础，使热 力学建立了完整的理论体系，成为物理学的重要组成部分。但是汤姆生和 克劳修斯等把热力学第二定律推广到整个宇宙，得出了宇宙“热寂”的结论 。W汤姆生在1852 年发表过一篇题为自然界中机械能耗散的一般趋势 的论文，在论述两个基本定律的同时，对物质世界的总趋势作了如下论 断：(1)物质世界在目前有机械能不断耗散的普遍趋势。(2)在非生命的物质过程中，任何恢复机械能而不相应地耗散更多的机械能 （活动）的是不可能的。(3)在一段时间以前地球一定是，在一段时间以后地球也一定是不适于人类 象现在这样地居住.克劳修斯在1867 年提出：“宇宙越接近于其熵为一最大值的极限状态，它 继续发生变化的机会也越减少，如果最后完全到达了这个状态，也就不会 再出现进一步的变化，宇宙将处于死寂的永远状态。”热力学发展史热力学发展史热力学发展史 绝对零度的概念似乎早在17 世纪末阿蒙顿（G.Amontons）的著作中就已有萌芽。他观测到空气的温度每下降一等量份额，气压也下降等量份额。继续降低温度，总会得到气压为零的时候，所以温度降低必有一限度。他认为任何物体都不能冷却到这一温度以下。阿蒙顿还预言，达到这个温度时，所有运动都将趋于静止。一个世纪以后，查理（Charles）和盖-吕萨 克（Gay-Lussac）建立了严格的气体定律，从气体的压缩系数a=1/273， 得到温度的极限值应为-273。绝对零度不可能达到，在物理学家的观念中似乎早已隐约预见到了。但是这样一条物理学的基本原理，却是又过了半个多世纪，到1912年才正式提出来的。 4. 热力学第三定律的建立热力学发展史1912 年德国物理化学家能斯特在他的著作热力学与比热中 ，将“热学新理论”表述成：“不可能通过有限的循环过程，使物体冷到绝对零度。”这就是绝对零度不可能达到定律，也是热力学第三定律通常采用的表述方法。西蒙（FSimon，18931956）在19271937 年对热力学第三定律作了改进和推广，修正后称为热力学第三定律的能斯特-西 蒙表述：当温度趋近绝对零度时，凝聚系统（固体和液体）的任何可逆等温过程，熵的变化趋近于零。以上对热力学第三定律的不同表述，实际上都是相当的。热力学发展史5.分子运动论的发展和统计物理学的创立1. 早期的分子运动论（1）德莫克里特（公元前460-前3