第四章第四章 经典热力学基础经典热力学基础1.1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究2 .热力学第一定律的建立热力学第一定律的建立3 .热力学第二定律的建立热力学第二定律的建立4 .低温物理学低温物理学（略）（略）5.分子运动论的发展分子运动论的发展（略）（略）6.6.统计物理学的建立统计物理学的建立（略）（略）7.物态物态1.1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究一一 蒸汽机的发明蒸汽机的发明二二 计温学的发展计温学的发展三三 量热学的建立（略）量热学的建立（略）四四 热本质的认识热本质的认识一一 蒸汽机的发明蒸汽机的发明16901690年巴本年巴本( (法国法国) )首先制成带有活塞和汽缸的实验性蒸汽机；首先制成带有活塞和汽缸的实验性蒸汽机；16981698年，托马斯年，托马斯萨维里萨维里（英国（英国) )制成一具蒸汽水泵；制成一具蒸汽水泵；17051705年，年，托马斯托马斯纽可门纽可门（英国（英国) )在萨维里和巴本的基础上，研在萨维里和巴本的基础上，研制了一个带有活塞的封闭的圆筒汽缸。是一个广义的把热转制了一个带有活塞的封闭的圆筒汽缸。是一个广义的把热转变为机械力的原动机，是蒸汽机最早的雏形。但活塞的每次变为机械力的原动机，是蒸汽机最早的雏形。但活塞的每次下降都必须将整个汽缸和活塞同时冷却，热量的损失太大。下降都必须将整个汽缸和活塞同时冷却，热量的损失太大。 1769年，詹姆斯年，詹姆斯瓦特瓦特（法国）改进了纽可门机，把冷凝过程（法国）改进了纽可门机，把冷凝过程从汽缸内分离出来，即在汽缸外单独加一个冷凝器而使汽缸从汽缸内分离出来，即在汽缸外单独加一个冷凝器而使汽缸始终保持在高温状态。始终保持在高温状态。 1782年，又制造出了使高压蒸汽轮流的从两端进入汽缸，年，又制造出了使高压蒸汽轮流的从两端进入汽缸，推动推动活塞往返运动的蒸汽机，使机器运作由断续变连续，从而蒸活塞往返运动的蒸汽机，使机器运作由断续变连续，从而蒸汽机的使用价值大大提高，汽机的使用价值大大提高，导致了欧洲的第一次工业革命。导致了欧洲的第一次工业革命。1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究二二 计温学的发展计温学的发展（一）温度计的设计与制造（一）温度计的设计与制造1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究16591659年法国天文学家伊斯梅尔年法国天文学家伊斯梅尔 博里奥博里奥( (IsmaelIsmael BuolliauBuolliau) )制造了制造了第一支用水银作为测温物质的温度计。第一支用水银作为测温物质的温度计。16501650年，意大利费迪男二世年，意大利费迪男二世( (G.D.FerdinandG.D.Ferdinand ) )用蜡封住管口，用蜡封住管口，在瓶内装上红色的酒精，并在玻璃瓶细长颈上刻上刻度，制成在瓶内装上红色的酒精，并在玻璃瓶细长颈上刻上刻度，制成现代形式的第一支温度计。现代形式的第一支温度计。16311631年，法国化学家詹年，法国化学家詹 雷伊雷伊(Jean Rey,1582-1630)(Jean Rey,1582-1630)把伽利略把伽利略的细长颈瓶倒了过来，直接用水的体积的变化来表示冷热程度，的细长颈瓶倒了过来，直接用水的体积的变化来表示冷热程度，但管口未密封，水不断蒸发，误差也较大。但管口未密封，水不断蒸发，误差也较大。16031603年，伽利略制成最早的验温计：年，伽利略制成最早的验温计：一只颈部极细的一只颈部极细的玻璃长颈瓶，倒置于盛水容器中，瓶中装有一半带颜玻璃长颈瓶，倒置于盛水容器中，瓶中装有一半带颜色的水。随温度变化，瓶中空气膨胀或收缩。色的水。随温度变化，瓶中空气膨胀或收缩。（二）测温物质的选择和标准点的确定（二）测温物质的选择和标准点的确定1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究1703年，牛顿年，牛顿把把雪的熔点雪的熔点定为自己制作的亚麻子油温度定为自己制作的亚麻子油温度计的零度，把计的零度，把人体温度人体温度作为作为12度等等。度等等。1665年，惠更斯年，惠更斯建议把建议把水水的凝固温度和沸腾温度作为两的凝固温度和沸腾温度作为两个固定点；个固定点；佛罗伦萨的院士们佛罗伦萨的院士们选择了选择了雪或冰的温度雪或冰的温度为一个定点，为一个定点，牛牛或鹿的体温或鹿的体温为另一个定点；为另一个定点；德国的格里凯德国的格里凯（Guericke)曾提出以马德堡地区的初冬和曾提出以马德堡地区的初冬和盛夏的温度为定点温度；盛夏的温度为定点温度；1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究 摄尔修斯摄尔修斯(Anders Celsius,1701-1744,(Anders Celsius,1701-1744,瑞典天文学家瑞典天文学家) )，用用水银水银作为测温物质，以水的沸点为作为测温物质，以水的沸点为0 00 0C C，冰的熔点为，冰的熔点为1001000 0C C，中间中间100100个等分。个等分。8 8年后接受了同事施特默尔（年后接受了同事施特默尔（M.StromerM.Stromer）的）的建议，把两个定点值对调过来。称为建议，把两个定点值对调过来。称为摄氏温标摄氏温标。至。至17791779年全世年全世界共有温标界共有温标1919种。种。 列奥米尔列奥米尔(Reaumur,1683-1757,(Reaumur,1683-1757,法国法国) )以以酒精和酒精和1/51/5的水的水的的混合物作为测温物质，混合物作为测温物质，17301730年制作的酒精温度计，取水的冰年制作的酒精温度计，取水的冰点为点为0 00 0R R，使酒精体积增加，使酒精体积增加1/10001/1000的温度变化作为的温度变化作为1 10 0R R，这样水，这样水的沸点即为的沸点即为80800 0R R，称为，称为列氏温标列氏温标。 华伦海特华伦海特(Gabriel (Gabriel DanileDanile Fahrenheit Fahrenheit，1686-17361686-1736，德国玻璃工人，迁居荷兰德国玻璃工人，迁居荷兰) )制造了第一支实用温度计：制造了第一支实用温度计：他把他把冰、水、氨水和盐冰、水、氨水和盐的混合物平衡温度定为的混合物平衡温度定为0 00 0F F，冰的熔点定为，冰的熔点定为32320 0F F，人体的温度为，人体的温度为96960 0F F，17241724年，他又把水的沸点定为年，他又把水的沸点定为2122120 0F F。后来称其为。后来称其为华氏温标华氏温标。高温测量：高温测量： 荷兰的荷兰的马森布罗克马森布罗克( (MusschenbrockMusschenbrock) )在在17471747年利用年利用金金属杆的热胀冷缩性质属杆的热胀冷缩性质制造了金属温度计；制造了金属温度计； 本世纪八十年代，本世纪八十年代，韦奇武德韦奇武德( (J.WedgwoodJ.Wedgwood) )用用耐火土块耐火土块随温度的线度变化随温度的线度变化制成了量度炉温的高温计。制成了量度炉温的高温计。 测温物质的寻找，促进了对物体热膨胀的研究。测温物质的寻找，促进了对物体热膨胀的研究。 计温学的发展和完善，也进一步促进了实验热学研究计温学的发展和完善，也进一步促进了实验热学研究的进展。的进展。各种温度计各种温度计据此，据此，18541854年，年，开尔文开尔文( (威威廉廉. .汤姆逊汤姆逊) )提出开氏温标，提出开氏温标，T=272.3 + tT=272.3 + t。又称热力学温标，。又称热力学温标，它与测温物质的性质无关，它与测温物质的性质无关，即任即任何测温物质按这种温标定出的温何测温物质按这种温标定出的温度数值都是一样的。度数值都是一样的。19541954年国际计量大会决定年国际计量大会决定将水的三相点的热力学温度定为将水的三相点的热力学温度定为273.16K273.16K。开开 尔尔 文文像像1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究热力学温标：热力学温标： 19世纪世纪50年代，开尔文注意到：既然卡诺热机与工作物质年代，开尔文注意到：既然卡诺热机与工作物质无关，那么我们就可以确定一种温标，使它不依赖于任何物质，无关，那么我们就可以确定一种温标，使它不依赖于任何物质，这种温标比根据气体定律建立的温标更具有优越性。这种温标比根据气体定律建立的温标更具有优越性。四四 热本质的认识热本质的认识1.1.热质说：热是一种看不见的、无重量的物质热质说：热是一种看不见的、无重量的物质 热质的多少和在物体之间的流动就会改变物体热的程度。热质的多少和在物体之间的流动就会改变物体热的程度。代表人物：伊壁鸠鲁、卡诺等代表人物：伊壁鸠鲁、卡诺等。热质说对热现象的解释热质说对热现象的解释 ：物质温度的变化是吸收或放出热质引起的；热传导是热质的物质温度的变化是吸收或放出热质引起的；热传导是热质的流动；流动；摩擦生热是潜热被挤出来的，特别是瓦特在热质说的摩擦生热是潜热被挤出来的，特别是瓦特在热质说的指导下改进蒸汽机的成功，都使人们相信热质说是正确的。指导下改进蒸汽机的成功，都使人们相信热质说是正确的。2.2.热是运动的表现热是运动的表现 佛兰西斯佛兰西斯培根培根从摩擦生热得出热是一种膨胀的、被约束的从摩擦生热得出热是一种膨胀的、被约束的在其斗争中作用于物体的微小粒子的运动。在其斗争中作用于物体的微小粒子的运动。 波义耳波义耳认为钉子敲打之后变热，是运动受阻而变热的证明。认为钉子敲打之后变热，是运动受阻而变热的证明。 笛卡尔笛卡尔认为热是物质粒子的一种旋转运动；认为热是物质粒子的一种旋转运动； 胡克胡克用显微镜观察火花，认为热是物体各个部分非常活跃和用显微镜观察火花，认为热是物体各个部分非常活跃和极其猛烈的运动；极其猛烈的运动；罗蒙诺索夫罗蒙诺索夫提出热的根源在于运动等。提出热的根源在于运动等。1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究3.“3.“热质说热质说”的否定的否定1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究 伦福德和戴维的实验给热质说以致命打击，为热的伦福德和戴维的实验给热质说以致命打击，为热的唯动说提出了重要的实验证据。唯动说提出了重要的实验证据。 17991799年，戴维年，戴维（Humphrey DavyHumphrey Davy，1778-18291778-1829，英国化学，英国化学家）作了在真空容器中两块冰摩擦而融化的实验。家）作了在真空容器中两块冰摩擦而融化的实验。 17981798年伦福德年伦福德(Count Rumford,(Count Rumford,英国英国) )由钻头加工炮筒时由钻头加工炮筒时产生热的现象，得出热是物质的一种运动形式，产生热的现象，得出热是物质的一种运动形式，一一.定律诞生的背景定律诞生的背景（略）（略）二二.确立能量守恒与转化定律的确立能量守恒与转化定律的 三位科学家三位科学家：德国的迈尔和亥姆霍德国的迈尔和亥姆霍兹，英国的焦耳兹，英国的焦耳2 .热力学第一定律的建立热力学第一定律的建立热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立1.德国的德国的迈尔迈尔 罗伯特罗伯特迈尔（迈尔（Robert Robert Mayer,1814-1878)Mayer,1814-1878)迈尔，迈尔，18141814出生出生于德国海尔布隆一个药剂师家庭，于德国海尔布隆一个药剂师家庭，18321832年进入蒂宾根大学医学系学习，年进入蒂宾根大学医学系学习，18371837年因参加一个秘密学生团体而年因参加一个秘密学生团体而被捕并被学校开除，被捕并被学校开除，18381838年完成医年完成医学博士学位论文答辩，获医师执照学博士学位论文答辩，获医师执照而开始行医。而开始行医。18401840年年-1841-1841年担任开年担任开往东印度的荷兰轮船的随船医生。往东印度的荷兰轮船的随船医生。热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立迈迈尔尔像像二二.确立能量转化与守恒定律的三位科学家确立能量转化与守恒定律的三位科学家热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 在一次驶往印度尼西亚的航行中，给生病的船员做手术时，在一次驶往印度尼西亚的航行中，给生病的船员做手术时，发现血的颜色比温带地区的新鲜红亮。经过思考，他认为，在发现血的颜色比温带地区的新鲜红亮。经过思考，他认为，在热带高温情况下，机体消耗食物和氧的量减少，所以静脉血中热带高温情况下，机体消耗食物和氧的量减少，所以静脉血中流下了较多的氧。流下了较多的氧。 1841年年航行结束后，撰写了航行结束后，撰写了论力的质和量的测定论力的质和量的测定，于，于当年当年7月寄给当时的德国物理学杂志主编月寄给当时的德国物理学杂志主编波根道夫波根道夫(J.C.Poggendorff)，但被认为迈尔的文章引入了思辩性内容且缺少精确的实验根，但被认为迈尔的文章引入了思辩性内容且缺少精确的实验根据而未发表。据而未发表。 1842年年撰文撰文论无机界的力论无机界的力，被一向注意各种力之间关，被一向注意各种力之间关系的李比希发表于他主编的系的李比希发表于他主编的化学和药学年刊化学和药学年刊上。上。 在这篇文章中，迈尔从在这篇文章中，迈尔从“无中生有，有中生无无中生有，有中生无”和和“原因原因等于结果等于结果”等哲学观点出发，表达了物理、化学过程中的力的等哲学观点出发，表达了物理、化学过程中的力的守恒思想。考察了用守恒思想。考察了用“下落力下落力”转化为运动来论证力的转化和转化为运动来论证力的转化和守恒。守恒。 18451845年写了年写了与有机运动相联系的新陈代谢与有机运动相联系的新陈代谢。但这篇。但这篇文章也被拒绝发表，迈尔只好以小册子的形式自费发行。文文章也被拒绝发表，迈尔只好以小册子的形式自费发行。文中写道：中写道：“力的转化与守恒定律是支配宇宙的普遍规律。力的转化与守恒定律是支配宇宙的普遍规律。” ” 并具体考察了并具体考察了5 5种不同形式的力：种不同形式的力：第一种力：运动的力第一种力：运动的力第二种力：下落力第二种力：下落力第三种力：热。第三种力：热。“热力是能够转化为运动的力热力是能够转化为运动的力”。蒸汽机车。蒸汽机车就是例证。并具体计算了热功当量：气体在定压膨胀时，温就是例证。并具体计算了热功当量：气体在定压膨胀时，温度每改变度每改变11，体积约增大，体积约增大1/2741/274，所以，所以在这个过程中气体对在这个过程中气体对外做的功外做的功相当于反抗相当于反抗1.0331.033千克的力移动千克的力移动1/2741/274厘米时的功。厘米时的功。即即A=1.033A=1.0331/27400kgm = 3.781/27400kgm = 3.781010-5-5kgmkgm。第四种力：磁和电；第四种力：磁和电；第五种力：化学力。第五种力：化学力。19481948年出版了年出版了天体动力学天体动力学。就在这一年，发生了就在这一年，发生了“能量守恒定律能量守恒定律”发现优先权的发现优先权的争论。争论。焦耳等英国学者否定其工作，认为他只是预见了在焦耳等英国学者否定其工作，认为他只是预见了在热和功之间存在一定的数值关系，但没有完成热功当量的热和功之间存在一定的数值关系，但没有完成热功当量的计算。迈尔则发表文章进行反驳，并指出自己在计算。迈尔则发表文章进行反驳，并指出自己在18421842年就年就已经公布了热和活力的等价性及其数值关系。但英国杂志已经公布了热和活力的等价性及其数值关系。但英国杂志上只出现批评迈尔的文章，而不刊登迈尔的答辩文章。一上只出现批评迈尔的文章，而不刊登迈尔的答辩文章。一部分德国物理学家讥笑他不懂物理，而在此期间他的两个部分德国物理学家讥笑他不懂物理，而在此期间他的两个孩子夭折，孩子夭折，18481848年德国革命时由于他观点保守而被起义者年德国革命时由于他观点保守而被起义者逮捕，致使其于逮捕，致使其于18491849年年5 5月跳楼自杀未遂，造成终身残疾，月跳楼自杀未遂，造成终身残疾，18511851年患脑炎被人当作疯子送进疯人院。直到年患脑炎被人当作疯子送进疯人院。直到18621862年才恢年才恢复科学活动。复科学活动。热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立恩格斯说：恩格斯说： 迈尔是将热学观点用于有机世界研究的第一人。迈尔是将热学观点用于有机世界研究的第一人。2.海尔曼海尔曼 亥姆霍兹亥姆霍兹(Hermann Helmholtz,1821-1894) 18211821年年8 8月月3131日生于德国波茨坦，日生于德国波茨坦，18381838年考入柏林雷德年考入柏林雷德里克里克威廉皇家医学院，以优异成绩于威廉皇家医学院，以优异成绩于18421842年毕业，担任了年毕业，担任了军医，并开始进行物理学研究。军医，并开始进行物理学研究。18471847年，在不了解迈尔等年，在不了解迈尔等人工作的情况下，提出了能量守恒和转化定律。人工作的情况下，提出了能量守恒和转化定律。18551855年最年最早测量了神经脉动速率，把物理方法应用于神经系统的研早测量了神经脉动速率，把物理方法应用于神经系统的研究，由此被称为究，由此被称为生物物理学的鼻祖生物物理学的鼻祖。先后担任波恩大学、。先后担任波恩大学、柯尼斯堡大学、海德尔贝格大学等校的生理学教授，柯尼斯堡大学、海德尔贝格大学等校的生理学教授，18711871年起，在柏林大学任物理学教授，年起，在柏林大学任物理学教授，18881888年任夏洛腾堡物理年任夏洛腾堡物理技术研究所所长。著有技术研究所所长。著有生物光学手册生物光学手册、音乐理论的音乐理论的生理基础生理基础、论力的守恒论力的守恒等书。培养了一大批优秀人等书。培养了一大批优秀人才。赫兹、普朗克等人都是他的学生。才。赫兹、普朗克等人都是他的学生。热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 18471847年，发表著名论文年，发表著名论文力的守恒力的守恒，阐述了有心力作用下机械能守恒原，阐述了有心力作用下机械能守恒原理：理：“当自由质点在吸力和斥力作用下当自由质点在吸力和斥力作用下而运动的一切场合，所具有的活力和张而运动的一切场合，所具有的活力和张力总是守恒的。力总是守恒的。”这里活力是动能，张这里活力是动能，张力是势能。但同样由于论文中含有思辩力是势能。但同样由于论文中含有思辩性内容而未能发表，因此亥姆霍兹也以性内容而未能发表，因此亥姆霍兹也以小册子的形式在柏林单独出版了这篇论小册子的形式在柏林单独出版了这篇论文。文。 但亥姆霍兹并没有参与优先权的但亥姆霍兹并没有参与优先权的问题，后来他了解了迈尔的论文后说问题，后来他了解了迈尔的论文后说“我们必须承认，迈尔不依赖于别人而独我们必须承认，迈尔不依赖于别人而独立发现了这个思想。立发现了这个思想。”热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立亥亥姆姆霍霍兹兹像像3.焦耳焦耳(James Prescott Joule,1818-1889)的实验研究的实验研究 英国杰出的实验物理学家，英国杰出的实验物理学家，18181818年年1212月月2424日生于日生于曼彻斯特曼彻斯特附近的索尔福德。父亲是个啤酒厂厂主，生活富裕，但从小体附近的索尔福德。父亲是个啤酒厂厂主，生活富裕，但从小体弱多病，没有正规上学，在家跟父亲学酿酒，并利用空闲时间弱多病，没有正规上学，在家跟父亲学酿酒，并利用空闲时间自学化学、物理。自学化学、物理。 当时的曼彻斯特有两大特点：一是当时的曼彻斯特有两大特点：一是“高度科技化高度科技化”，二是巨大的科技威望。自，二是巨大的科技威望。自17931793年后，道尔顿一直在曼彻斯特从事教学和科研活动，以后他的原子论享誉英国年后，道尔顿一直在曼彻斯特从事教学和科研活动，以后他的原子论享誉英国和整个欧洲。和整个欧洲。 18341834年起，焦耳和他哥哥一起在道尔道门下学习了三年。年起，焦耳和他哥哥一起在道尔道门下学习了三年。激发了焦耳对科学的兴趣和探索自然的愿望。激发了焦耳对科学的兴趣和探索自然的愿望。 1831年，法拉第发现电磁感应现象，发明了电动机。人们年，法拉第发现电磁感应现象，发明了电动机。人们当时认为，电机可能代替蒸汽机，所以研究电机的热潮当时认为，电机可能代替蒸汽机，所以研究电机的热潮（提高效（提高效率）率）席卷欧洲。在研究电机的过程中，席卷欧洲。在研究电机的过程中，焦耳注意到电机和电路焦耳注意到电机和电路中的发热现象，这促使他对电流的热效应进行了定量研究。通中的发热现象，这促使他对电流的热效应进行了定量研究。通过实验，焦耳于过实验，焦耳于18401840年发现年发现:“:“产生的热量与导体电阻和电流产生的热量与导体电阻和电流平方成正比平方成正比”并发表于并发表于论伏打电所产生的热论伏打电所产生的热论文中（即焦论文中（即焦耳耳楞次定律）。楞次定律）。热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 18431843年进行了感应电流产生的热效应和电解时热效应的实年进行了感应电流产生的热效应和电解时热效应的实验，写了两篇关键性论文验，写了两篇关键性论文论磁电的热效应和热的机械值论磁电的热效应和热的机械值和和论水电解时产生的热论水电解时产生的热，明确指出：，明确指出：“自然界的能是不能消自然界的能是不能消灭的，哪里消耗了机械能，总能得到相应的热，热只是能的一灭的，哪里消耗了机械能，总能得到相应的热，热只是能的一种形式。种形式。” 焦焦耳耳使使一一个个线线圈圈在在电电磁磁体体的的两两极极之之间间转转动动产产生生感感应应电电流流，线线圈圈放放在在量量热热器器内内，证证实实了了热热可可以以由由磁磁电电机机产产生生。从从这这个个实实验验焦焦耳耳立立即即领领悟悟到到热热和和机机械械功功可可以以互互相相转转化化，在在转转化化过过程程中中遵遵从从一定的当量关系。一定的当量关系。 为为了了测测定定机机械械功功和和热热之之间间的的转转换换关关系系，焦焦耳耳设设计计了了“热热功功当当量量实实验验仪仪”，焦焦耳耳在在磁磁电电机机线线圈圈的的转转轴轴上上绕绕两两条条线线，跨跨过过两两个个定定滑滑轮轮后后挂挂上上几几磅磅重重的的砝砝码码，由由砝砝码码的的重重量量和和下下落落的的距距离离计计算算出出所所做做的的功功。测测得得热热功功当当量量为为428.9428.9千千克克力力米米/ /千千卡卡。18441844年年又又做做了了把把水水压压入入毛毛细细管管的的实实验验和和压压缩缩空空气气实实验验，测测出出了了热热功功当当量分别为量分别为424.9424.9千克力米千克力米/ /千卡和千卡和443.8443.8千克力米千克力米/ /千卡。千卡。18491849年发表年发表论热功当量论热功当量。热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立焦尔测量热功当量的一种实验装置焦尔测量热功当量的一种实验装置 -浆叶实浆叶实验验热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 18501850年焦耳当选为英国皇家学会会员。年焦耳当选为英国皇家学会会员。18661866年被授予英国皇家学会年被授予英国皇家学会 柯普莱柯普莱 金质奖章。金质奖章。 18721872年年18871887年任英国科学促进协会主席。年任英国科学促进协会主席。 18781878年年发发表表热热功功当当量量的的新新测测定定，最最后后得得到到的的数数值值为为423.85423.85千克千克米米/ /千卡。千卡。 至此，焦耳先后采用不同的方法做了至此，焦耳先后采用不同的方法做了400400多次实验。以多次实验。以精确的数据为能量守恒原理提供了无可置疑的实验证明。精确的数据为能量守恒原理提供了无可置疑的实验证明。 18891889年年1010月月1111日焦耳在日焦耳在 塞拉塞拉 逝世逝世 恩格斯将这一原理称之为恩格斯将这一原理称之为“能量转化和守恒定律能量转化和守恒定律”。并。并将将它和进化论、细胞学说并列为它和进化论、细胞学说并列为1919世纪的三大发现世纪的三大发现。永动机的研究永动机的研究 永动机的研究是导致能量守恒原理建立的另一个重要线永动机的研究是导致能量守恒原理建立的另一个重要线索。索。 早期最著名的一个永动机设计方案，是十三世纪的法国早期最著名的一个永动机设计方案，是十三世纪的法国人人亨内考亨内考(Villard de Honnecourt)设计的。如下图设计的。如下图( (左左) )所示。所示。 后来后来列奥多列奥多也设计了一台类似的装置，如下图也设计了一台类似的装置，如下图( (右右) )。永动机永动机热热 力力 学学 第第 二二 定定 律律 的的 建建 立立3 3 热力学第二定律的建立热力学第二定律的建立 热力学第一定律确定了一个封闭系统的能量是一定的，热力学第一定律确定了一个封闭系统的能量是一定的，确定了各种形式能量之间转化的当量关系。确定了各种形式能量之间转化的当量关系。但它对能量转化但它对能量转化过程所进行的方向和限度并未给出规定和判断。过程所进行的方向和限度并未给出规定和判断。比如热不会比如热不会自动地由低温传向高温，过程具有方向性。这就导致了热力自动地由低温传向高温，过程具有方向性。这就导致了热力学第二定律的出台。为此做了重要贡献的三位科学家是：学第二定律的出台。为此做了重要贡献的三位科学家是： 德国的德国的克劳修斯克劳修斯、 英国的英国的威廉威廉汤姆逊汤姆逊（即开尔文）（即开尔文） 奥地利的奥地利的玻尔兹曼玻尔兹曼等等一一 热力学第二定律的物理表述热力学第二定律的物理表述 18511851年，开尔文在总结这些及其它一些实验经验的基年，开尔文在总结这些及其它一些实验经验的基础上提出了础上提出了热力学第二定律的开尔文表述：热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其他影响。热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其他影响。 热力学第二定律的第二种开尔文表述为：热力学第二定律的第二种开尔文表述为：第二种永动第二种永动机是不可能造成的。机是不可能造成的。 18501850年年克劳修斯克劳修斯提出了提出了热力学第二定律的克劳修斯表热力学第二定律的克劳修斯表述：述：热量不可能自动的从低温物体传到高温物体而不发生热量不可能自动的从低温物体传到高温物体而不发生其他任何变化。其他任何变化。 19171917年，德国能斯特进一步提出年，德国能斯特进一步提出“绝对零度是不可能绝对零度是不可能达到的达到的”热力学第三定律。热力学第三定律。二二 熵熵1.熵的概念：熵的概念：1854年，克劳修斯指出，虽然热机在循环过程年，克劳修斯指出，虽然热机在循环过程中中Q1Q2，但，但热量热量Q与热源温度与热源温度T之比值之比值是一定的，即是一定的，即Q1/T1=Q2/T2。称为。称为“熵熵”，用符号，用符号S=Q/T表示。表示。 通常我们考虑的是系统在变化过程中熵的变化。对于一通常我们考虑的是系统在变化过程中熵的变化。对于一微小状态变化，一般取熵变为微小状态变化，一般取熵变为dS=dQ/T.2.熵的物理意义：熵的物理意义： 1877年，玻尔兹曼指出：年，玻尔兹曼指出：熵是分子无序的量度。熵是分子无序的量度。熵熵S与无与无序度序度W之间的关系式为：之间的关系式为：S=klnW。此式称为玻尔兹曼关系式，。此式称为玻尔兹曼关系式，k称为玻尔兹曼常数称为玻尔兹曼常数（ k=1.3810-23J/K ）。 （无序度（无序度W即某一宏观态对应的微观态数，即宏观态出现的几率）即某一宏观态对应的微观态数，即宏观态出现的几率）3.3.熵增加原理：熵增加原理：18651865年，克劳修斯指出：年，克劳修斯指出：“对于任何一个封对于任何一个封闭系统闭系统在一个循环过程中出现的所有熵的代数和，必在一个循环过程中出现的所有熵的代数和，必须为正或在极限情况下等于零。须为正或在极限情况下等于零。”这就是熵增加原理。这就是熵增加原理。 熵增加原理揭示了自然过程的不可逆性，或者说运动的熵增加原理揭示了自然过程的不可逆性，或者说运动的转化对于时间、方向的不对称性。转化对于时间、方向的不对称性。 自然系统中发生的一切自然过程总是沿着熵增加的方向自然系统中发生的一切自然过程总是沿着熵增加的方向进行。进行。4.4.熵增加原理的意义：熵增加原理的意义：熵是从运动不能转化的一面去量度运熵是从运动不能转化的一面去量度运动转化的能力，它表示着运动转化已经完成的程度，或者说动转化的能力，它表示着运动转化已经完成的程度，或者说是运动丧失转化能力的程度。在没有外界作用的情况下，一是运动丧失转化能力的程度。在没有外界作用的情况下，一个系统的熵越大，就越接近于平衡状态，系统的能量也就越个系统的熵越大，就越接近于平衡状态，系统的能量也就越来越不能供利用了。来越不能供利用了。三三 宇宙热寂说宇宙热寂说 18521852年，年，开尔文开尔文在在论自然界中机械能散失的一般趋势论自然界中机械能散失的一般趋势中说：中说：“自然界中占统治地位的趋向是能量转变为热而使自然界中占统治地位的趋向是能量转变为热而使温度拉平，最终导致所有物体的工作能力减小到零，达到热温度拉平，最终导致所有物体的工作能力减小到零，达到热死状态。死状态。” 18651865年，年，可劳修斯可劳修斯在在热力学第二定律热力学第二定律中写到：中写到：“宇宇宙的熵力图达到某一最大值宙的熵力图达到某一最大值”，在，在18671867年的演讲中，又进一年的演讲中，又进一步指出：步指出：“宇宙越接近这一最大值的极限状态，就失去继续宇宙越接近这一最大值的极限状态，就失去继续变化的动力，如果最后完全达到这个状态，那就任何进一步变化的动力，如果最后完全达到这个状态，那就任何进一步的变化都不会发生了，这时宇宙就会进入一个死寂的永恒的的变化都不会发生了，这时宇宙就会进入一个死寂的永恒的状态。状态。”一一. .气体的液化气体的液化二二. .临界温度的发现临界温度的发现三三 制冷技术制冷技术四四 低温下物质特性的研究低温下物质特性的研究4 4 低温物理学低温物理学（略）（略）一一.早期的分子运动论早期的分子运动论 （一）原子论的复兴（一）原子论的复兴 （二）伯努利的气体运动论（二）伯努利的气体运动论 （三）分子运动论的复兴（三）分子运动论的复兴 二二.克劳修斯的理想气体分子模型克劳修斯的理想气体分子模型5.分子运动论的发展（略）分子运动论的发展（略）分分 子子 运运 动动 论论 的的 发发 展展6 6 统计物理学的建立（略）统计物理学的建立（略） 一一. .麦克斯韦的工作麦克斯韦的工作 二二. .玻耳兹曼的工作玻耳兹曼的工作 三三. .吉布斯的系综理论吉布斯的系综理论 和统计力学的建立和统计力学的建立 四四. .量子统计的建立量子统计的建立 除了除了气、液、固气、液、固三态外，从物质内部结构来考虑还有：三态外，从物质内部结构来考虑还有： 液晶态液晶态（也叫介晶态）：处于液态和固态之间；（也叫介晶态）：处于液态和固态之间； 等离子态等离子态：如气体被加热和辐射等，而电离成为带正电的如气体被加热和辐射等，而电离成为带正电的离子和带负电的电子的集合体，但正负电荷数相等。离子和带负电的电子的集合体，但正负电荷数相等。 超导态超导态：某些金属或化合物，当温度降到一定程度时，其某些金属或化合物，当温度降到一定程度时，其直流电阻趋于零，这种状态称为超导态。直流电阻趋于零，这种状态称为超导态。 超流态：超流态：在极低温度下，有的液体的粘滞性消失。在极低温度下，有的液体的粘滞性消失。 中子态：中子态：在离地球很远的太空中，有一种后期的恒星，热在离地球很远的太空中，有一种后期的恒星，热核反应已经停止，突然爆发后急剧收缩，把原子外层的电子核反应已经停止，突然爆发后急剧收缩，把原子外层的电子“挤到挤到”原子核内，使原子核内的质子变成中子，从而形成原子核内，使原子核内的质子变成中子，从而形成密度极高的物质，这种物质形态称为中子态。密度极高的物质，这种物质形态称为中子态。7 7 物态物态