熱力學發(fā)展史[特制材料]

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1、 熱力學(thermodynamics), 全稱熱動力學,是自然科學的一 個分支。它是研究熱現(xiàn)象中物態(tài) 轉(zhuǎn)變和能量轉(zhuǎn)換規(guī)律的學科,其 中主要研究熱量和功之間的轉(zhuǎn)化 關(guān)系。 熱力學主要是從能量轉(zhuǎn)化的觀點來研究 物質(zhì)的熱性質(zhì),它揭示了能量從一種形式 轉(zhuǎn)換為另一種形式時遵從的宏觀規(guī)律,不 涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和微觀粒子的相互作 用。因此它是一種唯象的宏觀理論,具有 高度的可靠性和普遍性。 熱力學早期發(fā)展的概況熱力學早期發(fā)展的概況 人們對熱的本質(zhì)及熱現(xiàn)象的認識,經(jīng)人們對熱的本質(zhì)及熱現(xiàn)象的認識,經(jīng) 歷了一個漫長的、曲折的探索過程。歷了一個漫長的、曲折的探索過程。 在原始社會人們鉆木取火。在原始社會人們鉆木

2、取火。 相當早的年代,人們加熱巖石再潑相當早的年代,人們加熱巖石再潑 冷水讓它爆裂,從而制造出石頭工具。冷水讓它爆裂,從而制造出石頭工具。 熱力學的歷史可以追溯到熱力學的歷史可以追溯到17 世紀。在世紀。在1592 1600 年間,伽利略制作了人類第一個年間,伽利略制作了人類第一個空氣溫度計空氣溫度計,開始了對,開始了對 物體的冷熱程度(溫度)進行定量測定的研究,這可作物體的冷熱程度(溫度)進行定量測定的研究,這可作 為為“測溫學測溫學”的開端。的開端。 1620 年培根首先注意到,兩個物體之年培根首先注意到,兩個物體之 間的摩擦所產(chǎn)生的熱效應(yīng),與物體的冷熱程間的摩擦所產(chǎn)生的熱效應(yīng),與物體的冷

3、熱程 度(溫度)是有區(qū)別的。他認為度(溫度)是有區(qū)別的。他認為“熱是運熱是運 動動”。 這可看作是,人們對這可看作是,人們對“熱量熱量”的本質(zhì)進行科的本質(zhì)進行科 學學 研究的開端。研究的開端。 在整個在整個17 17 世紀中,并沒有制作世紀中,并沒有制作 出復(fù)現(xiàn)性好的、可供正確測量的溫出復(fù)現(xiàn)性好的、可供正確測量的溫 度計及溫標。度計及溫標。 在在18 18 世紀中,世紀中,“測溫學測溫學”有較有較 大的突破。其中最有價值的是,大的突破。其中最有價值的是, 1714 1714 年年法倫海脫法倫海脫所建立的華氏溫所建立的華氏溫 標,以及標,以及1742 1742 年年攝爾修斯攝爾修斯所建立所建立

4、的攝氏溫標(即百分溫標)的攝氏溫標(即百分溫標) 。 1760 1830 1760 1830 年間的工業(yè)革命,有力地推動了生產(chǎn)年間的工業(yè)革命,有力地推動了生產(chǎn) 力的發(fā)展及社會的進步,力的發(fā)展及社會的進步, 科技方面的成就也是空前輝科技方面的成就也是空前輝 煌的。力學、熱學、電磁學、光學及數(shù)學都有豐碩的煌的。力學、熱學、電磁學、光學及數(shù)學都有豐碩的 成果。特別是蒸汽機的發(fā)明和應(yīng)用,直接促進了熱機成果。特別是蒸汽機的發(fā)明和應(yīng)用,直接促進了熱機 理論的研究。理論的研究。 隨著蒸汽機的廣泛應(yīng)用,隨著蒸汽機的廣泛應(yīng)用, 促使人們對促使人們對水蒸氣熱力水蒸氣熱力 性質(zhì)性質(zhì)進行研究及對改善進行研究及對改善蒸

5、汽機性能蒸汽機性能進行研究,從而進行研究,從而 推動了熱科學的發(fā)展推動了熱科學的發(fā)展 1848 年,開爾文根據(jù)卡諾原理,建立了與年,開爾文根據(jù)卡諾原理,建立了與 工質(zhì)性質(zhì)無關(guān)的工質(zhì)性質(zhì)無關(guān)的熱力學溫標熱力學溫標,并提出采用一,并提出采用一 個個定義點定義點的建議。開爾文溫標的建立,使的建議。開爾文溫標的建立,使“測測 溫學溫學”與熱力學基本定律之間建立了聯(lián)系,是與熱力學基本定律之間建立了聯(lián)系,是 “測溫學測溫學”的一個重要進展。的一個重要進展。 熱力學發(fā)展史,基本上就是熱力學與統(tǒng)計力學的發(fā)展史,熱力學發(fā)展史,基本上就是熱力學與統(tǒng)計力學的發(fā)展史, 約可分成四個階段:約可分成四個階段: 一:一:1

6、7世紀末到世紀末到19世紀中葉世紀中葉 二:二:19世紀中到世紀中到19世紀世紀70年代末年代末 三:三:19世紀世紀70年末到年末到20世紀初世紀初 四:四:20世紀世紀30年代到今年代到今 此時期累積了大量的實驗與觀的結(jié)此時期累積了大量的實驗與觀的結(jié) 果,并制造出蒸氣機。果,并制造出蒸氣機。 這一階段的熱力學還留在描述熱力這一階段的熱力學還留在描述熱力 學的現(xiàn)象上,并未引進任何的數(shù)學算式。學的現(xiàn)象上,并未引進任何的數(shù)學算式。 第一個階段:第一個階段:1717世紀末到世紀末到1919世紀中葉世紀中葉 德國的斯塔爾提出熱是一種燃素,后來荷蘭的波哈維說熱 是一種物質(zhì) 虎克認為熱是物質(zhì)各部分激烈的

7、運動,牛頓也認為熱是粒 子的運動 俄國的克拉夫特提出冷水、熱水混合的公式。1750年理奇 蒙也做了一系列熱量測的研究,并改進克拉夫特的公式。 1755年,蘭勃特將熱量與溫度的概念加以區(qū)別和澄清。 英國的布雷克成功地澄清了溫度和熱量這兩個概念,并提 出相變時潛熱的概念,并暗示出不同物質(zhì)具有不同的“熱 容量”。 第二個階段:第二個階段:1919世紀中到世紀中到1919世紀世紀7070年年 代末代末 此階段熱力學的第一定律和第二定律此階段熱力學的第一定律和第二定律 已完全理論化。已完全理論化。 卡諾認為最理想的機械應(yīng)該具備: 由帶著活塞的 汽缸里面的氣體所產(chǎn)生的等溫膨脹、絕熱膨脹、 等溫壓縮、絕熱壓

8、縮等四種循環(huán)過程 。 1842年他 提出熱可以作功,功也可以產(chǎn)生熱的能量等價觀 念 1848年,焦耳通過過實驗證明,當物體所含的力 學能轉(zhuǎn)換為熱能時,能的形式可以互相轉(zhuǎn)變,但 是總能量永遠不變。在這個基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展出 “能量守恒定律” 1850年克勞修斯在揭示第一定律的論文中,他也 以能量守恒和轉(zhuǎn)換的觀點重新驗證了卡諾定理, 提出了第二定律。到了1865年第二定律概念更加 成熟,熵的概念被克勞修斯提出,而寫出另一種 形式的第二定律,即“在所有可逆循環(huán)過程中, 熱能變化對溫度的熵的積分值為零”。 第三個階段:第三個階段:1919世紀世紀7070年末到年末到2020 世紀初世紀初 這個時間內(nèi),熱力

9、學誕生這個時間內(nèi),熱力學誕生 。 吉布斯提出系統(tǒng)理論建立吉布斯提出系統(tǒng)理論建立統(tǒng)計力統(tǒng)計力 學學的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。 這一時期的湯姆遜為熱力學也做出了重大貢獻。 他研究卡諾循環(huán)也提出第二定律,同時更由此訂 定絕對溫標,又稱凱氏溫標 K。他利用卡諾循環(huán) 建立絕對溫標 ,他重新設(shè)定水的冰點為 273.7 度; 沸點為 373.7 度。他在1851年發(fā)表題為熱動力 理論的論文,寫出 熱力學第二定律的凱爾文表 述:我們不可能從單一熱源取熱,使它完全變?yōu)?有用的功而不產(chǎn)生其它影響。 第四個階段:第四個階段:2020世紀世紀3030年代到今年代到今 主要是量子力學的引進而建立了量主要是量子力學的引進而建立了量

10、 力統(tǒng)計力學,同時非平衡態(tài)理論更進一力統(tǒng)計力學,同時非平衡態(tài)理論更進一 步的發(fā)展,形成了近代理論與實驗物理步的發(fā)展,形成了近代理論與實驗物理 學中最重要的一環(huán)。學中最重要的一環(huán)。 熱力學基本定律熱力學基本定律 熱力學第零定律熱力學第零定律 熱力學第一定律熱力學第一定律 熱力學第二定律熱力學第二定律 熱力學第三定律熱力學第三定律 熱力學第零定律熱力學第零定律 在在1919世紀早期,不世紀早期,不 少人沉迷于一種神秘機少人沉迷于一種神秘機 械械第一類永動機的第一類永動機的 制造,因為這種設(shè)想中制造,因為這種設(shè)想中 的機械只需要一個初始的機械只需要一個初始 的力量使其運轉(zhuǎn),之后的力量使其運轉(zhuǎn),之后

11、不再需要任何動力和燃不再需要任何動力和燃 料,卻能自動不斷地做料,卻能自動不斷地做 功。直至熱力學第一定功。直至熱力學第一定 律發(fā)現(xiàn)后,第一類永動律發(fā)現(xiàn)后,第一類永動 機的神話才不攻自破。機的神話才不攻自破。 在一個熱力學系統(tǒng)內(nèi),能量可轉(zhuǎn)換,即可 從一種形式轉(zhuǎn)變成另一種形式,但不能自行產(chǎn) 生,也不能毀滅。一般公式化為:一個系統(tǒng)內(nèi) 能的改變等于供給系統(tǒng)的熱量減去系統(tǒng)對外環(huán) 境所作的功。即:U = Q+ W 熱力學第二定律熱力學第二定律 內(nèi)容為不可能把內(nèi)容為不可能把 熱從低溫物體傳熱從低溫物體傳 到高溫物體而不到高溫物體而不 產(chǎn)生其他影響產(chǎn)生其他影響 熱力學第三定律 絕對零度絕對零度 不可達到不可達到 但可以無但可以無 限趨近。限趨近。

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