物理思想史與方法論2

1、熱學(xué)作為一門單獨的學(xué)科，系統(tǒng)地進行熱學(xué)作為一門單獨的學(xué)科，系統(tǒng)地進行研究，是從研究，是從18世紀開始的。世紀開始的。18世紀由于資本主義在歐洲的不斷發(fā)展，迎來了生產(chǎn)的大革命，紡織工業(yè)、冶金、采礦、化工部門陸續(xù)實現(xiàn)了機械化，生產(chǎn)的機械化提出了對動力機械的需要。以前笨重的受地域限制的水力機已經(jīng)遠以前笨重的受地域限制的水力機已經(jīng)遠不能滿足要求，因此導(dǎo)致了蒸汽機的發(fā)明。不能滿足要求，因此導(dǎo)致了蒸汽機的發(fā)明。由于蒸汽機的發(fā)明和不斷改善，以及化學(xué)、由于蒸汽機的發(fā)明和不斷改善，以及化學(xué)、化工等方面的工作，促進了對熱現(xiàn)象的進一化工等方面的工作，促進了對熱現(xiàn)象的進一步研究。因此，在步研究。因此，在18世紀，熱學(xué)

2、就逐漸成為世紀，熱學(xué)就逐漸成為物理學(xué)中一個新的分支。物理學(xué)中一個新的分支。 熱學(xué)按其研究方法，分為宏觀理論熱學(xué)按其研究方法，分為宏觀理論熱力學(xué)，它是以三條或四條基本定律熱力學(xué)，它是以三條或四條基本定律(即熱力即熱力學(xué)第一、二、三或加上第零定律學(xué)第一、二、三或加上第零定律)為其核心的；為其核心的；以及微觀理論以及微觀理論統(tǒng)計物理，它是從分子、統(tǒng)計物理，它是從分子、原子運動論出發(fā)，用統(tǒng)計求平均的方法來研原子運動論出發(fā)，用統(tǒng)計求平均的方法來研究熱學(xué)的。究熱學(xué)的。 熱學(xué)的誕生與發(fā)展，充分地體現(xiàn)了理論熱學(xué)的誕生與發(fā)展，充分地體現(xiàn)了理論來源于實踐，又反過來作用于實踐這一認識來源于實踐，又反過來作用于實踐這

3、一認識論的真諦。論的真諦。熱機的發(fā)明與改進、冶金、化工、熱機的發(fā)明與改進、冶金、化工、低溫技術(shù)，推動了熱學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展。而熱低溫技術(shù)，推動了熱學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展。而熱學(xué)理論反過來給熱機的改進，給冶金、化工、學(xué)理論反過來給熱機的改進，給冶金、化工、低溫技術(shù)以巨大的影響。低溫技術(shù)以巨大的影響。 用蒸汽作為動力，可追溯到公元前用蒸汽作為動力，可追溯到公元前130年，年，埃及人希羅埃及人希羅(Heron)就制造了一種按照噴射反就制造了一種按照噴射反沖作用而旋轉(zhuǎn)的蒸汽玩具。它是后來的水磨和沖作用而旋轉(zhuǎn)的蒸汽玩具。它是后來的水磨和現(xiàn)代渦輪機的始祖?，F(xiàn)代渦輪機的始祖。 2.1.1 蒸汽機的發(fā)明與改進 2.1 熱

4、現(xiàn)象的早期研究熱現(xiàn)象的早期研究 第一個活塞式蒸汽機是第一個活塞式蒸汽機是1695年法國人巴年法國人巴本本(Penis Papin,16471714年）在德國發(fā)明的。年）在德國發(fā)明的。他 曾 是 荷 蘭 物 理 學(xué) 家 惠 更 斯他 曾 是 荷 蘭 物 理 學(xué) 家 惠 更 斯 ( C h r i s t i a n Haygens,16291695年年)的學(xué)生和助手。的學(xué)生和助手。巴本的巴本的蒸汽機實際是一根蒸汽機實際是一根5/2寸的管子，靠加熱管中的寸的管子，靠加熱管中的水產(chǎn)生蒸汽推動活塞向上運動，然后移去熱源，水產(chǎn)生蒸汽推動活塞向上運動，然后移去熱源，蒸汽冷凝，形成真空，使活塞向下運動。蒸汽

5、冷凝，形成真空，使活塞向下運動。 1698年英國礦山技師托馬斯年英國礦山技師托馬斯塞維里塞維里(Thomas Saveny,16501715）制造了一個蒸制造了一個蒸汽水泵。汽水泵。這是一個用人工操作，靠冷凝器冷這是一個用人工操作，靠冷凝器冷卻蒸汽而形成的真空，將水吸上來，再用蒸卻蒸汽而形成的真空，將水吸上來，再用蒸汽壓力把水排出去的簡單裝置。汽壓力把水排出去的簡單裝置。 英 國 鐵 匠 托 馬 斯英 國 鐵 匠 托 馬 斯 紐 科 門紐 科 門 ( T h o m a s Newcomen,16631729）綜合了巴本與塞維綜合了巴本與塞維里設(shè)計的優(yōu)點，于里設(shè)計的優(yōu)點，于1712年發(fā)明了自己

6、的年發(fā)明了自己的“空空氣氣”蒸汽機，蒸汽機，紐科門機結(jié)構(gòu)的特點是借一根紐科門機結(jié)構(gòu)的特點是借一根橫桿，一頭聯(lián)著活塞，另一頭聯(lián)著排水泵。橫桿，一頭聯(lián)著活塞，另一頭聯(lián)著排水泵。紐科門機效率不高（不到紐科門機效率不高（不到1），只能作往復(fù)），只能作往復(fù)運動。但它對開發(fā)當時英國的礦業(yè)資源起了運動。但它對開發(fā)當時英國的礦業(yè)資源起了重要作用。重要作用。 真正具有巨大工業(yè)效益的蒸汽機是英真正具有巨大工業(yè)效益的蒸汽機是英國格拉斯哥大學(xué)的儀器修理工瓦特國格拉斯哥大學(xué)的儀器修理工瓦特(James Watt, 17361819）研制的研制的。瓦特革新蒸汽瓦特革新蒸汽機，是與當時萌芽的熱學(xué)理論分不開的。機，是與當時萌

7、芽的熱學(xué)理論分不開的。他分析紐科門機熱效率低的原因時他分析紐科門機熱效率低的原因時，在量熱，在量熱學(xué)的奠基者之一布萊克學(xué)的奠基者之一布萊克(JBlack, 17281799) (與與瓦特在同一所大學(xué)的化學(xué)教授）的幫助下，瓦特在同一所大學(xué)的化學(xué)教授）的幫助下，得出得出了每一沖程都用冷水將汽缸冷卻一次，是造成紐了每一沖程都用冷水將汽缸冷卻一次，是造成紐科門機熱效率低的主要原因的結(jié)論，從而導(dǎo)致科門機熱效率低的主要原因的結(jié)論，從而導(dǎo)致1765年分離冷凝器的研制，使熱機的效率提高到年分離冷凝器的研制，使熱機的效率提高到3。1781年發(fā)明了將往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)年發(fā)明了將往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動的裝置；運動的

8、裝置；1782年將蒸汽機由單動改變年將蒸汽機由單動改變?yōu)殡p動；在活塞運動的后半沖程停止輸進為雙動；在活塞運動的后半沖程停止輸進蒸汽，靠汽缸中蒸汽的膨脹來作功。蒸汽，靠汽缸中蒸汽的膨脹來作功。1787年又安裝了離心式調(diào)速器，使發(fā)動機年又安裝了離心式調(diào)速器，使發(fā)動機速度相對穩(wěn)定。從而使蒸汽機達到了近代的水速度相對穩(wěn)定。從而使蒸汽機達到了近代的水平。很快，蒸汽機就被廣泛地應(yīng)用到紡織工業(yè)、平。很快，蒸汽機就被廣泛地應(yīng)用到紡織工業(yè)、輪船、火車等工業(yè)部門。蒸汽機的研制與改進輪船、火車等工業(yè)部門。蒸汽機的研制與改進除了技術(shù)上的要求外，還涉及到熱學(xué)問題，如除了技術(shù)上的要求外，還涉及到熱學(xué)問題，如有關(guān)熱機效率的

9、提高，熱和功之間的關(guān)系的研有關(guān)熱機效率的提高，熱和功之間的關(guān)系的研究等。因而對熱學(xué)的發(fā)展起了極大的推動作用。究等。因而對熱學(xué)的發(fā)展起了極大的推動作用。在熱現(xiàn)象的定量研究中，首先遇到的問題是在熱現(xiàn)象的定量研究中，首先遇到的問題是確定物體的冷熱程度，即測量物體的溫度。溫度確定物體的冷熱程度，即測量物體的溫度。溫度計的制作和改進，促使了對于冰和其他一些物質(zhì)計的制作和改進，促使了對于冰和其他一些物質(zhì)的溶解和凝固溫度、沸騰溫度的研究，這導(dǎo)致關(guān)的溶解和凝固溫度、沸騰溫度的研究，這導(dǎo)致關(guān)于冰和其它物質(zhì)的一些溶解和凝固溫度在一定條于冰和其它物質(zhì)的一些溶解和凝固溫度在一定條件下恒定不變的事實的確定。促進了對一些

10、物質(zhì)件下恒定不變的事實的確定。促進了對一些物質(zhì)(如對水銀、酒精、氣體等）熱膨脹規(guī)律的研究。如對水銀、酒精、氣體等）熱膨脹規(guī)律的研究。 2.1.1計溫學(xué)的發(fā)展計溫學(xué)的發(fā)展早 在 1 5 9 3 年 ， 伽 利 略 ( G a l i l e o Galilei,15641642）就制成了一個類似溫度計的裝置(一個連結(jié)在玻璃球容器上的開口管子，管子開口端插入水中)，但它不能給出定量的測量。 雷納爾金于1694年建議把水的冰點和沸點作為溫度計的固定點。1703年，牛頓把雪的熔點定為自己的亞麻子油溫度計的零度，而把人體的溫度作為另一個恒溫點12度。第一只實用的溫度計是荷蘭的吹玻璃工匠第一只實用的溫度計

11、是荷蘭的吹玻璃工匠華倫海特華倫海特(GDFahrenheit,16861736）制作的，）制作的，1709年選用酒精作測溫質(zhì)，年選用酒精作測溫質(zhì)，1914年以后又用水年以后又用水銀作測溫質(zhì)。他把冰水、氨水和鹽的混合物的銀作測溫質(zhì)。他把冰水、氨水和鹽的混合物的溫度定為溫度定為0F，冰的溶點定為，冰的溶點定為32F ，人體的溫度，人體的溫度定為定為98F ，1724年以后，他又將水的沸點定為年以后，他又將水的沸點定為212F 。這就是華氏溫標。這就是華氏溫標。 法 國 的 博 物 學(xué) 家 列 奧 末 爾法 國 的 博 物 學(xué) 家 列 奧 末 爾(Reaumur,16831757)只取一個定點，即雪

12、只取一個定點，即雪的熔點為的熔點為00R，而把酒精，而把酒精(濃度為濃度為80)體積體積改變的溫度變化作為改變的溫度變化作為800R 。這樣水的沸點。這樣水的沸點就為就為10R ，這就是所謂列氏溫標。，這就是所謂列氏溫標。 1 7 4 2 年 瑞 典 物 理 學(xué) 家 攝 爾 修 斯年 瑞 典 物 理 學(xué) 家 攝 爾 修 斯(ACelsins,17011744)定水的沸點為定水的沸點為0，冰，冰的熔點為的熔點為100，創(chuàng)立了百分溫標。八年后，創(chuàng)立了百分溫標。八年后，攝爾修斯的同事施勒默爾攝爾修斯的同事施勒默爾( Stromer M)把兩把兩個固定點倒過來，定水的沸點為個固定點倒過來，定水的沸點為

13、100，冰的，冰的熔點為熔點為0。這就是現(xiàn)在國際通用的攝氏溫標。這就是現(xiàn)在國際通用的攝氏溫標。 量熱學(xué)首先是從確定兩個不同溫度的量熱學(xué)首先是從確定兩個不同溫度的物體混合后的溫度開始的。在十八世紀前物體混合后的溫度開始的。在十八世紀前半期，人們對溫度和熱量這兩個概念還沒半期，人們對溫度和熱量這兩個概念還沒有搞清楚。有搞清楚。2.1.3 量熱學(xué)的開始量熱學(xué)的開始 因此，當時用實驗測量的是溫度還是熱量因此，當時用實驗測量的是溫度還是熱量也是含混不清的。如荷蘭物理學(xué)家波爾哈夫也是含混不清的。如荷蘭物理學(xué)家波爾哈夫(Boerhaavt,16681738)就認為一定量的物體，就認為一定量的物體，溫度每升高

14、一度都應(yīng)該吸收同樣數(shù)量的熱量。彼溫度每升高一度都應(yīng)該吸收同樣數(shù)量的熱量。彼得堡科學(xué)院院士李赫曼得堡科學(xué)院院士李赫曼(Puxmah B 17111753）于）于1744年提出：熱量按照體積均勻分配年提出：熱量按照體積均勻分配(后來有人提出熱量按質(zhì)量均勻分配），后來有人提出熱量按質(zhì)量均勻分配），(后來有后來有人提出熱量按質(zhì)量均勻分配人提出熱量按質(zhì)量均勻分配)引入了量熱學(xué)方程：引入了量熱學(xué)方程： t1、t2是二物體初始溫度，是二物體初始溫度，t是二物體混是二物體混合后的溫度。合后的溫度。 式中：式中：(2.1)212211mmtmtmt1757年前后，英國化學(xué)家布萊克年前后，英國化學(xué)家布萊克(Jos

15、eph Black, 1728-1799)重審了波爾哈夫等人的工作，重審了波爾哈夫等人的工作，指出波爾哈夫等人指出波爾哈夫等人“把不同物體中的熱的量同把不同物體中的熱的量同它們的強度混淆起來它們的強度混淆起來”，他主張將熱量和溫度，他主張將熱量和溫度這兩個概念分別稱為這兩個概念分別稱為“熱的量熱的量”和和“熱的強熱的強度度”，并把物質(zhì)在改變相同溫度時的熱量變化，并把物質(zhì)在改變相同溫度時的熱量變化叫做這些物質(zhì)的叫做這些物質(zhì)的“對熱的親和性對熱的親和性”，“接受熱接受熱的能力的能力”。布萊克第一個把布萊克第一個把“溫度溫度”和和“熱量熱量”這這兩個概念區(qū)分開來，這是熱學(xué)發(fā)展初期中的兩個概念區(qū)分開來

16、，這是熱學(xué)發(fā)展初期中的一大突破。后來布萊克的學(xué)生伊爾文引入了一大突破。后來布萊克的學(xué)生伊爾文引入了“熱容量熱容量”這一概念。這一概念。1784年伽托林又引進年伽托林又引進“比熱比熱”的概念。的概念。 布萊克等在研究冰的熔解過程中，發(fā)布萊克等在研究冰的熔解過程中，發(fā)現(xiàn)并提出了現(xiàn)并提出了“潛熱潛熱”的概念。的概念。這樣到十八世紀這樣到十八世紀80年代，量熱學(xué)的一年代，量熱學(xué)的一系列基本概念系列基本概念溫度、熱量、熱容量、溫度、熱量、熱容量、潛熱等皆已形成，并設(shè)計了一套測定這些潛熱等皆已形成，并設(shè)計了一套測定這些物理量的實驗方法。物理量的實驗方法。 關(guān)于傳熱現(xiàn)象的第一個定律是牛頓發(fā)現(xiàn)的關(guān)于傳熱現(xiàn)象的

17、第一個定律是牛頓發(fā)現(xiàn)的冷卻定律，即冷卻定律，即 (2.2)(0TTdtdQ2.1.4 熱的傳導(dǎo)的研究熱的傳導(dǎo)的研究 dQ是物體單位表面上在時間是物體單位表面上在時間dt內(nèi)所失去的熱量、內(nèi)所失去的熱量、T為物體在為物體在t時刻的溫度、時刻的溫度、T0為周圍介質(zhì)的溫度、為周圍介質(zhì)的溫度、為某一系數(shù)。為某一系數(shù)。 式中式中：隨著量熱學(xué)的發(fā)展，熱傳導(dǎo)的理論也得隨著量熱學(xué)的發(fā)展，熱傳導(dǎo)的理論也得到 了 發(fā) 展 。到 了 發(fā) 展 。 1 8 2 2 年 法 國 數(shù) 學(xué) 家 傅 里 葉年 法 國 數(shù) 學(xué) 家 傅 里 葉(Fowrier JBJ,17681830）出版了著名的）出版了著名的熱的分析理論熱的分析

18、理論一書，詳細研究了在介質(zhì)一書，詳細研究了在介質(zhì)中熱流的傳播問題。中熱流的傳播問題。 關(guān)于熱傳導(dǎo)（關(guān)于熱傳導(dǎo)（“內(nèi)部熱傳導(dǎo)內(nèi)部熱傳導(dǎo)”），傅里葉），傅里葉給出了一個經(jīng)驗定律：在時間給出了一個經(jīng)驗定律：在時間t內(nèi)沿內(nèi)沿x方向通過方向通過厚為厚為dx層的介質(zhì)，傳導(dǎo)的熱流量層的介質(zhì)，傳導(dǎo)的熱流量Q，正比于介，正比于介質(zhì)層的溫度差質(zhì)層的溫度差dT和層的面積和層的面積S，反比于厚度，反比于厚度dx即：即： (2.3)dxdTkStQ 為依賴于導(dǎo)熱物質(zhì)性質(zhì)的導(dǎo)為依賴于導(dǎo)熱物質(zhì)性質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)。傅里葉將上式運用于熱物質(zhì)的無限熱系數(shù)。傅里葉將上式運用于熱物質(zhì)的無限小體積元，從而導(dǎo)出著名的熱傳導(dǎo)方程：小體積元，從

19、而導(dǎo)出著名的熱傳導(dǎo)方程： )(2222222zTyTxTtTa(2.4)式中式中： 為與導(dǎo)熱率為與導(dǎo)熱率、質(zhì)量密度質(zhì)量密度及定體比熱及定體比熱cv有關(guān)的常數(shù)。有關(guān)的常數(shù)。 VCa式中式中：在熱學(xué)發(fā)展過程中，在熱學(xué)發(fā)展過程中，“熱究竟是什熱究竟是什么？么？”，自古以來就有兩種不同的看法：，自古以來就有兩種不同的看法： 2.1.5 關(guān)于熱的本質(zhì)的學(xué)說關(guān)于熱的本質(zhì)的學(xué)說 第一種認為熱是一種運動，是物質(zhì)粒子的第一種認為熱是一種運動，是物質(zhì)粒子的內(nèi)部運動。即內(nèi)部運動。即“熱動說熱動說”。象象17世紀有培根世紀有培根( Bacon . F,15611626)。他從摩擦生熱等現(xiàn)象。他從摩擦生熱等現(xiàn)象中得出中

20、得出“熱是一種膨脹的、被約束的、而在其斗熱是一種膨脹的、被約束的、而在其斗爭中作用于物體的較小粒子之上的運動爭中作用于物體的較小粒子之上的運動”；笛卡；笛卡兒兒( escartes.R.D,15961650)把熱看作是物質(zhì)粒把熱看作是物質(zhì)粒子的一種旋轉(zhuǎn)運動；子的一種旋轉(zhuǎn)運動；胡克胡克(Hooke.R,16351703)用顯微鏡觀用顯微鏡觀察了火花，認為熱察了火花，認為熱“是一個物體的各部分的是一個物體的各部分的非?；钴S和極其猛烈的運動非常活躍和極其猛烈的運動”；牛頓指出物；牛頓指出物體的粒子體的粒子“因運動而發(fā)熱因運動而發(fā)熱”；持類似觀點的；持類似觀點的還有阿蒙頓還有阿蒙頓(Amontons.

21、G,16631705），），18世紀則有伯努利世紀則有伯努利(Bernoulli.D, 17001782)和和羅蒙諾索夫羅蒙諾索夫( n nOMOHOCOB . M.B,17111765)等等人。人。 第二種認為熱是一種物質(zhì)，即第二種認為熱是一種物質(zhì)，即“熱質(zhì)說熱質(zhì)說”。熱質(zhì)說的淵源可以追索到古希臘的德謨克里特?zé)豳|(zhì)說的淵源可以追索到古希臘的德謨克里特(Democritus,公元前公元前460前前371)和伊壁鳩魯和伊壁鳩魯（Epicurus,公元前公元前347前前270）以及盧克萊修）以及盧克萊修(Lucritins,公元前公元前99前前55）的著作中，）的著作中，17世紀世紀又得到哲學(xué)家伽桑

22、狄又得到哲學(xué)家伽桑狄(Pierre.Gassendi,15921655)的支持。的支持。施塔耳施塔耳(Stahl.G.E.,16601734)提出提出“燃燃素素”說，更促進了這一學(xué)說的發(fā)展。說，更促進了這一學(xué)說的發(fā)展。18世紀世紀提出熱質(zhì)、光以太、兩種電流素、兩種磁流提出熱質(zhì)、光以太、兩種電流素、兩種磁流質(zhì)質(zhì)等，并為人們普遍地接受。等，并為人們普遍地接受。 “熱質(zhì)說熱質(zhì)說”能簡易地解釋當時發(fā)現(xiàn)的大部分熱能簡易地解釋當時發(fā)現(xiàn)的大部分熱學(xué)現(xiàn)象：學(xué)現(xiàn)象：物質(zhì)溫度的變化是吸收或放出熱質(zhì)引起物質(zhì)溫度的變化是吸收或放出熱質(zhì)引起的；熱傳導(dǎo)是熱質(zhì)的流動；對流是載有熱質(zhì)的物的；熱傳導(dǎo)是熱質(zhì)的流動；對流是載有熱質(zhì)

23、的物體的流動；輻射是熱質(zhì)的傳播；物體受熱膨脹是體的流動；輻射是熱質(zhì)的傳播；物體受熱膨脹是熱質(zhì)粒子間的相互排斥；物質(zhì)狀態(tài)變化時的熱質(zhì)粒子間的相互排斥；物質(zhì)狀態(tài)變化時的“潛潛熱熱”是物質(zhì)與熱質(zhì)發(fā)生是物質(zhì)與熱質(zhì)發(fā)生“化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)”的結(jié)果；摩的結(jié)果；摩擦或碰撞的生熱現(xiàn)象是由于擦或碰撞的生熱現(xiàn)象是由于“潛熱潛熱”被擠壓出來被擠壓出來以及物質(zhì)的比熱變小的結(jié)果等等。以及物質(zhì)的比熱變小的結(jié)果等等。而用熱的運動說去解釋這些現(xiàn)象反而顯得而用熱的運動說去解釋這些現(xiàn)象反而顯得較復(fù)雜。較復(fù)雜。特別是特別是18世紀首先發(fā)展起來的量熱學(xué)世紀首先發(fā)展起來的量熱學(xué)在量熱過程中不發(fā)生熱能與其他形式的能量間在量熱過程中不發(fā)生熱

24、能與其他形式的能量間的相互轉(zhuǎn)換，將熱視為一種守恒的物質(zhì)是很自的相互轉(zhuǎn)換，將熱視為一種守恒的物質(zhì)是很自然的。然的。 在熱質(zhì)觀點的指導(dǎo)下，熱學(xué)研究取得了很在熱質(zhì)觀點的指導(dǎo)下，熱學(xué)研究取得了很大 的 成 功 。大 的 成 功 。 化 學(xué) 家 布 萊 克 、 拉 瓦 錫化 學(xué) 家 布 萊 克 、 拉 瓦 錫(Lavoisier.A.L,17431794)、拉普拉斯、拉普拉斯( Mole Laplace.P.S,17491827)創(chuàng)立的量熱學(xué)就是建立創(chuàng)立的量熱學(xué)就是建立在熱質(zhì)說基礎(chǔ)上的，傅里葉的熱傳導(dǎo)理論和卡在熱質(zhì)說基礎(chǔ)上的，傅里葉的熱傳導(dǎo)理論和卡諾諾(S.Cannot,17911832)關(guān)于熱機的定理

25、也都關(guān)于熱機的定理也都是基于熱質(zhì)說而得出的。是基于熱質(zhì)說而得出的。 但是，在但是，在18世紀末，熱質(zhì)說受到了嚴重世紀末，熱質(zhì)說受到了嚴重的挑戰(zhàn)。的挑戰(zhàn)。1798年，美國物理學(xué)家本杰明年，美國物理學(xué)家本杰明湯姆湯姆遜遜(Benjamin Thamoson,即倫福德伯爵，即倫福德伯爵，17531814)在德國進行炮膛鉆孔時，進行了一系在德國進行炮膛鉆孔時，進行了一系列實驗：列實驗：比較了鉆孔前后金屬和碎屑的比熱，比較了鉆孔前后金屬和碎屑的比熱，發(fā)現(xiàn)鉆磨不會改變金屬的比熱。發(fā)現(xiàn)鉆磨不會改變金屬的比熱。他還用很鈍的鉆頭鉆炮筒，半小時后炮筒他還用很鈍的鉆頭鉆炮筒，半小時后炮筒從從60升溫到升溫到130，

26、金屬碎屑只有，金屬碎屑只有50多多克，只相當于炮筒質(zhì)量的克，只相當于炮筒質(zhì)量的1/948，這部分碎屑，這部分碎屑能夠放出這么大的能夠放出這么大的“潛熱潛熱”嗎？嗎？倫福德在筆記倫福德在筆記中寫道：中寫道：“在這些實驗中被激發(fā)出來的熱，除在這些實驗中被激發(fā)出來的熱，除了把它看作是了把它看作是運動運動以外，似乎很難把它看以外，似乎很難把它看作為其他任何東西。作為其他任何東西?！?1 7 8 9 年 ， 英 國 科 學(xué) 家 戴 維年 ， 英 國 科 學(xué) 家 戴 維(Davy.H,17781829)進行了這樣的實驗：進行了這樣的實驗：在一個同周圍環(huán)境隔離開來的真空容器里，在一個同周圍環(huán)境隔離開來的真空

27、容器里，使兩塊冰互相摩擦而融解為水。在這里，使兩塊冰互相摩擦而融解為水。在這里，“熱質(zhì)守恒熱質(zhì)守恒”的關(guān)系不再成立了，戴維由的關(guān)系不再成立了，戴維由此斷言：此斷言：“熱質(zhì)是不存在的。熱質(zhì)是不存在的。” 倫福德和戴維的實驗無可辨駁，但并倫福德和戴維的實驗無可辨駁，但并未能結(jié)束熱質(zhì)說的歷史，直到未能結(jié)束熱質(zhì)說的歷史，直到19世紀世紀4050年代，年代，能量守恒及轉(zhuǎn)換定律的確定，能量守恒及轉(zhuǎn)換定律的確定，才才使人們徹底地拋棄了熱質(zhì)說。使人們徹底地拋棄了熱質(zhì)說。 英國物理學(xué)家羅伯特英國物理學(xué)家羅伯特波義耳波義耳(Boyle. Robert,16271691)是最先開展氣體力學(xué)研究是最先開展氣體力學(xué)研究

28、的人之一。的人之一。 2.1.6 氣體定律的研究氣體定律的研究1662年為回答關(guān)于大氣壓強的質(zhì)疑，他作年為回答關(guān)于大氣壓強的質(zhì)疑，他作了關(guān)于封閉于形管中之空氣能承受多高的水了關(guān)于封閉于形管中之空氣能承受多高的水銀柱的實驗，發(fā)現(xiàn)了氣體的體積與壓強成反比銀柱的實驗，發(fā)現(xiàn)了氣體的體積與壓強成反比的規(guī)律。的規(guī)律。1676年法國物理學(xué)家埃德米年法國物理學(xué)家埃德米馬略特馬略特(Edme Mariotte,16201684)也獨立地發(fā)現(xiàn)了也獨立地發(fā)現(xiàn)了此規(guī)律。此規(guī)律是除力學(xué)運動規(guī)律之外的第一此規(guī)律。此規(guī)律是除力學(xué)運動規(guī)律之外的第一個定量的自然規(guī)律。個定量的自然規(guī)律。 1702年法國物理學(xué)家阿蒙頓年法國物理學(xué)

29、家阿蒙頓( Amontons. G,16631705)對伽利略空氣溫度計實行改進，對伽利略空氣溫度計實行改進，得出了氣壓的變化與溫度變化的關(guān)系得出了氣壓的變化與溫度變化的關(guān)系 P/P0=1+at/1+at1 (2.5)1802年法國科學(xué)家蓋年法國科學(xué)家蓋呂薩克呂薩克(Gay-Lussac,17781850)得出了氣體的熱膨脹系數(shù)得出了氣體的熱膨脹系數(shù)皆相同，數(shù)值為皆相同，數(shù)值為0.00375或或1/266.6。1801年道年道爾頓爾頓(Dalton.J,17661844)也作了類似的工作。也作了類似的工作。這就是蓋這就是蓋呂薩克定律。呂薩克定律。 早 在早 在 1 7 8 7 年 ， 法 國

30、人 查 理年 ， 法 國 人 查 理(charles,17461823)已經(jīng)提出了氣體的已經(jīng)提出了氣體的壓力和體積隨溫度的升高而增大和膨脹壓力和體積隨溫度的升高而增大和膨脹的定律。所以后人就將氣體體積隨溫度的定律。所以后人就將氣體體積隨溫度膨脹的定律叫做查理定律。膨脹的定律叫做查理定律。蓋蓋呂薩克將他發(fā)現(xiàn)的氣體定律與波義耳呂薩克將他發(fā)現(xiàn)的氣體定律與波義耳馬略特定律結(jié)合起來，得到如下的狀態(tài)方程馬略特定律結(jié)合起來，得到如下的狀態(tài)方程 PV/1+t=C (2.6)后來法國物理學(xué)家亨利后來法國物理學(xué)家亨利維克托維克托雷尼奧雷尼奧(Henri Victor Regnenlt,18101878)于于184

31、2年測得年測得 =1/273。若取。若取T=t+273，狀態(tài)方程可，狀態(tài)方程可寫作寫作 PV=RT (2.7)1 8 2 3 年 法 國 數(shù) 學(xué) 家 和 物 理 學(xué) 家 泊 松年 法 國 數(shù) 學(xué) 家 和 物 理 學(xué) 家 泊 松( Poisson.S.D,17811840)從理論上研究了絕熱從理論上研究了絕熱過程中氣體的溫度和密度的變化規(guī)律，這個定過程中氣體的溫度和密度的變化規(guī)律，這個定律由拉普拉斯寫成公式律由拉普拉斯寫成公式 PV2=C (2.8)先談熱力學(xué)第一定律的建立始末先談熱力學(xué)第一定律的建立始末。熱力學(xué)熱力學(xué)第一定律是普遍的能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在涉及第一定律是普遍的能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在涉

32、及到熱運動范圍內(nèi)的具體化。到熱運動范圍內(nèi)的具體化。這個定律建立于這個定律建立于1842-1847年之間，它開始于對物理現(xiàn)象之間聯(lián)年之間，它開始于對物理現(xiàn)象之間聯(lián)系的探索。它是隨著能量守恒與轉(zhuǎn)換定律發(fā)現(xiàn)系的探索。它是隨著能量守恒與轉(zhuǎn)換定律發(fā)現(xiàn)的同時而被發(fā)現(xiàn)的。的同時而被發(fā)現(xiàn)的。2.2 熱學(xué)的發(fā)展熱學(xué)的發(fā)展它與普遍的能量守恒與轉(zhuǎn)換定律有著它與普遍的能量守恒與轉(zhuǎn)換定律有著緊密的聯(lián)系，但又與之有著原則上的區(qū)別。緊密的聯(lián)系，但又與之有著原則上的區(qū)別。下面我們將首先介紹能量守恒與轉(zhuǎn)換定律的建立過程。再闡述熱力學(xué)第一定律的提出。 1機械能守恒的提出 能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的確立，以定量的形能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的確

33、立，以定量的形式揭示了機械位移、熱、電磁、光、化學(xué)乃至生式揭示了機械位移、熱、電磁、光、化學(xué)乃至生命等各種運動形式之間的聯(lián)系和統(tǒng)一，描繪出一命等各種運動形式之間的聯(lián)系和統(tǒng)一，描繪出一幅自然界廣泛聯(lián)系的壯麗畫面。幅自然界廣泛聯(lián)系的壯麗畫面。這是牛頓力學(xué)建這是牛頓力學(xué)建立后物理學(xué)又一次偉大的綜合。立后物理學(xué)又一次偉大的綜合。2.2.1能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的誕生前提 它和生物進化論、細胞學(xué)說一起，被稱為它和生物進化論、細胞學(xué)說一起，被稱為19世紀中葉的世紀中葉的“三大發(fā)現(xiàn)三大發(fā)現(xiàn)”。而關(guān)于能量守恒而關(guān)于能量守恒的思想，最初出現(xiàn)在機械能守恒這一觀點之中。的思想，最初出現(xiàn)在機械能守恒這一觀點之中。伽利略于

34、伽利略于1638年，對自由落體和物體在斜面上年，對自由落體和物體在斜面上的運動進行了討論：認為物體在下落過程中所的運動進行了討論：認為物體在下落過程中所達到的速度，能夠使它跳回到原有的高度，但達到的速度，能夠使它跳回到原有的高度，但不會更高。不會更高。1669年惠更斯提到硬體年惠更斯提到硬體(完全彈性完全彈性)碰撞中，碰撞中，各物體各物體mV2之和在碰撞前后是一樣的。之和在碰撞前后是一樣的。1686年年萊布尼茲從落體定律提出了萊布尼茲從落體定律提出了“活力活力”的概念，的概念，并用并用mV2來量度，認為活力是守恒的，它等于來量度，認為活力是守恒的，它等于重力與下落高度的乘積。重力與下落高度的乘

35、積。伯努利實際上把機械伯努利實際上把機械能守恒運用于流體的運動。能守恒運用于流體的運動。 2永動機的不可實現(xiàn) 在提高蒸汽機效率的研究過程中，人們發(fā)在提高蒸汽機效率的研究過程中，人們發(fā)現(xiàn)永動機是不可能實現(xiàn)的，這是導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)能量現(xiàn)永動機是不可能實現(xiàn)的，這是導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)能量守恒定律的又一重要線索。守恒定律的又一重要線索。在在17、18世紀，人世紀，人們曾提出過各種各樣的永動機的設(shè)計方案，但們曾提出過各種各樣的永動機的設(shè)計方案，但每一種皆以失敗而告終，以致法國科學(xué)院于每一種皆以失敗而告終，以致法國科學(xué)院于1775年作出決定，聲明不再審理任何有關(guān)永動年作出決定，聲明不再審理任何有關(guān)永動機的設(shè)計方案。機的設(shè)計方

36、案。人們慢慢悟出一條道理：永動機的設(shè)計一人們慢慢悟出一條道理：永動機的設(shè)計一定違背了某條定律，而這條定律當時還未發(fā)定違背了某條定律，而這條定律當時還未發(fā)現(xiàn)。正象赫姆霍茲現(xiàn)。正象赫姆霍茲1854年在年在論自然力的相論自然力的相互作用互作用一文中所述：一文中所述：“鑒于前人試驗鑒于前人試驗的失敗，人們的失敗，人們問道：如果永恒的運動問道：如果永恒的運動(永動永動機機)是不可能的，在各種自然力之間應(yīng)該存在是不可能的，在各種自然力之間應(yīng)該存在什么樣的關(guān)系？什么樣的關(guān)系？” 3功和能概念的提出功和能概念的提出 早在早在1686年，萊布尼茲年，萊布尼茲(Leibniz,16461716)就從落體的重力與其

37、高度之積的等價性就從落體的重力與其高度之積的等價性提出提出“活力活力”(mV2)的概念，相當于后來的機的概念，相當于后來的機械能。械能。歷史上第一次提出能量的概念是托馬歷史上第一次提出能量的概念是托馬斯斯楊。楊。于于1807年，他主要從塑性體的變形和年，他主要從塑性體的變形和沖擊變形問題研究中，提出沖擊變形問題研究中，提出“能量能量”這個這個概念來表示物體的運動能力：非彈性體受概念來表示物體的運動能力：非彈性體受打擊后出現(xiàn)的塑性變形能力和彈性體受力打擊后出現(xiàn)的塑性變形能力和彈性體受力后出現(xiàn)彎曲變形等的能力。后出現(xiàn)彎曲變形等的能力。 關(guān)于功的概念，則是由法國科學(xué)家彭西列關(guān)于功的概念，則是由法國科

38、學(xué)家彭西列( Poncelet.JV,17921843)于于1826年提出的，彭年提出的，彭西列在西列在機器應(yīng)用力學(xué)教程機器應(yīng)用力學(xué)教程中，為了表示機中，為了表示機器工作的力與位移的關(guān)系，器工作的力與位移的關(guān)系，提出二者的乘積可提出二者的乘積可以作為機器作功的量度，稱之為以作為機器作功的量度，稱之為“功功”。 1 8 3 4 1 8 3 5 年 間 ， 英 國 的 哈 密 頓年 間 ， 英 國 的 哈 密 頓( Hamilton.WR,18051865)在在論力學(xué)的一般論力學(xué)的一般方法方法一文中，引入了一文中，引入了“力函數(shù)力函數(shù)”；1828年格林年格林提出提出“位函數(shù)位函數(shù)”，并應(yīng)用于靜電學(xué)

39、和靜磁學(xué)。到，并應(yīng)用于靜電學(xué)和靜磁學(xué)。到了了19世紀世紀40年代，高斯年代，高斯( Gauss.C.F, 1777-1855)的工作使的工作使“位函數(shù)位函數(shù)”得到了普遍的應(yīng)用。這樣，得到了普遍的應(yīng)用。這樣，建立能量原理所必須的基本概念，在建立能量原理所必須的基本概念，在19世紀世紀40年年代以前已經(jīng)基本具備。代以前已經(jīng)基本具備。 4. 各種自然現(xiàn)象之間普遍聯(lián)系的發(fā)現(xiàn) (1) 電能電能化學(xué)能轉(zhuǎn)化關(guān)系化學(xué)能轉(zhuǎn)化關(guān)系 伏打伏打( VoltaA,17451827)于于1800年發(fā)明伏年發(fā)明伏打電堆打電堆即將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。即將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。后后又有人用它來電解水，發(fā)現(xiàn)電與化學(xué)能的定性

40、又有人用它來電解水，發(fā)現(xiàn)電與化學(xué)能的定性轉(zhuǎn)化關(guān)系。轉(zhuǎn)化關(guān)系。至至1834年，法拉第年，法拉第( FaradayM,17911867)發(fā)現(xiàn)了電化當量，從而發(fā)現(xiàn)了電與化學(xué)發(fā)現(xiàn)了電化當量，從而發(fā)現(xiàn)了電與化學(xué)能的定量轉(zhuǎn)化關(guān)系。能的定量轉(zhuǎn)化關(guān)系。 (2) 電能與磁能的轉(zhuǎn)化關(guān)系電能與磁能的轉(zhuǎn)化關(guān)系 1820年奧斯特年奧斯特(OerstedHC,17711851)從從實 驗 中 發(fā) 現(xiàn) 了 電 可 以 轉(zhuǎn) 化 為 磁 后 ， 安 培實 驗 中 發(fā) 現(xiàn) 了 電 可 以 轉(zhuǎn) 化 為 磁 后 ， 安 培( AmpereAM,17751836)于于1821年進一步作年進一步作了定量的研究。法拉第在這些發(fā)現(xiàn)的啟示下，

41、了定量的研究。法拉第在這些發(fā)現(xiàn)的啟示下，于于1831年年8月發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)，月發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)，10月制成了第月制成了第一個感應(yīng)發(fā)電機模型。一個感應(yīng)發(fā)電機模型。 (3) 電能與熱能，光能的轉(zhuǎn)化關(guān)系電能與熱能，光能的轉(zhuǎn)化關(guān)系 1808年戴維發(fā)明電弧燈，人工實現(xiàn)電可年戴維發(fā)明電弧燈，人工實現(xiàn)電可持 續(xù) 轉(zhuǎn) 化 為 光 。持 續(xù) 轉(zhuǎn) 化 為 光 。 1 8 2 1 年 塞 貝 克年 塞 貝 克 ( S e e -beckTJ,17701831）對溫差電現(xiàn)象的研究。對溫差電現(xiàn)象的研究。1840年焦爾年焦爾( JouleJP,18181889)對電流熱對電流熱效應(yīng)的研究等。效應(yīng)的研究等。 (4) 熱能與機

42、械能的轉(zhuǎn)化關(guān)系熱能與機械能的轉(zhuǎn)化關(guān)系 1793年倫福德對大炮鉆孔時，發(fā)現(xiàn)有大量的熱產(chǎn)生；戴維在戴維在1799年把兩塊冰放在年把兩塊冰放在0以以下的真空容器中，并使其互相摩擦，而使冰熔下的真空容器中，并使其互相摩擦，而使冰熔解。解。 各種不同基本自然現(xiàn)象的運動能力的各種不同基本自然現(xiàn)象的運動能力的轉(zhuǎn)化和等當關(guān)系，除去生物能外，在定性轉(zhuǎn)化和等當關(guān)系，除去生物能外，在定性方面方面(有些是定量的有些是定量的)于于19世紀世紀40年代以前已年代以前已經(jīng)大體上都發(fā)現(xiàn)了。經(jīng)大體上都發(fā)現(xiàn)了。 總之到了十九世紀四十年代，從各方面來總之到了十九世紀四十年代，從各方面來看，建立定律的條件已經(jīng)具備。看，建立定律的條件

43、已經(jīng)具備。在在18421847年間有十幾位科學(xué)家在不同的地點，分別在思年間有十幾位科學(xué)家在不同的地點，分別在思想上、計算和實驗方面，不約而同地為發(fā)現(xiàn)能想上、計算和實驗方面，不約而同地為發(fā)現(xiàn)能量守恒與轉(zhuǎn)化定律各自作出了一定的貢獻量守恒與轉(zhuǎn)化定律各自作出了一定的貢獻，其，其中以邁爾、焦爾、朗肯、赫姆霍茲、開爾文的中以邁爾、焦爾、朗肯、赫姆霍茲、開爾文的工作最為著稱。工作最為著稱。 1. 邁爾的貢獻 羅伯特羅伯特邁爾邁爾(Robert Mayer,18141878)是第一個在理論上為發(fā)現(xiàn)能量守恒定是第一個在理論上為發(fā)現(xiàn)能量守恒定律做出重要貢獻的人。律做出重要貢獻的人。 2.2.2 能量守恒定律的建立

44、能量守恒定律的建立 邁 爾 出 生 于 德 國 的 海 爾 布 隆邁 爾 出 生 于 德 國 的 海 爾 布 隆(Heibroln)，他曾在杜賓根大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)藥，他曾在杜賓根大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)藥，畢業(yè)后一直以行醫(yī)為業(yè)。畢業(yè)后一直以行醫(yī)為業(yè)。 1840年邁爾充當船醫(yī)，當船從蘇臘巴亞駛年邁爾充當船醫(yī)，當船從蘇臘巴亞駛近爪哇時，在為海員治病的過程中，他發(fā)現(xiàn)患近爪哇時，在為海員治病的過程中，他發(fā)現(xiàn)患病海員的靜脈血液比在歐洲時紅一些。這一發(fā)病海員的靜脈血液比在歐洲時紅一些。這一發(fā)現(xiàn)使他很驚訝，并引起他長時間的思考，終于現(xiàn)使他很驚訝，并引起他長時間的思考，終于在在1841年得出較成熟的看法：他用燃燒理論解年得出較成

45、熟的看法：他用燃燒理論解釋以上現(xiàn)象。釋以上現(xiàn)象。認為食物可以轉(zhuǎn)化為熱，在外界溫度較認為食物可以轉(zhuǎn)化為熱，在外界溫度較高條件下，機體只需要吸收食物中較少的熱高條件下，機體只需要吸收食物中較少的熱量，所以機體中食物的燃燒過程減弱了，因量，所以機體中食物的燃燒過程減弱了，因此靜脈血中留下了較多的氧，促使血液的顏此靜脈血中留下了較多的氧，促使血液的顏色發(fā)生變化。由此引起了他對物理的興趣。色發(fā)生變化。由此引起了他對物理的興趣。 邁爾對發(fā)現(xiàn)能量守恒定律的貢獻主要表現(xiàn)邁爾對發(fā)現(xiàn)能量守恒定律的貢獻主要表現(xiàn)在他在他18421851年發(fā)表的四篇論文中年發(fā)表的四篇論文中。1842年在德國生物、化學(xué)家李比希為主編的化

46、學(xué)和藥學(xué)雜志上發(fā)表的關(guān)于無機界力的評論中，從哲學(xué)思想上提出力是運動的原因。其重要特征之一是原因與作用恒等，他稱之為力的“不滅性”。特征之二是原因能以不同的方式表現(xiàn)出來，特征之二是原因能以不同的方式表現(xiàn)出來，而這些不同力的表現(xiàn)方式之間會相互轉(zhuǎn)化。因此，而這些不同力的表現(xiàn)方式之間會相互轉(zhuǎn)化。因此，他認為熱是一種力，可轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械效應(yīng)，由此得他認為熱是一種力，可轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械效應(yīng)，由此得出出“力是不滅的，可轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢煞Q量的東西。力是不滅的，可轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢煞Q量的東西?！闭撐牡牡诙糠?，是論證論文的第二部分，是論證“下落力下落力”(即勢能即勢能)和和“運動運動”(即動能即動能)的轉(zhuǎn)化及守恒關(guān)系。在論文的的轉(zhuǎn)化及

47、守恒關(guān)系。在論文的第三部分，他利用當時已測定的理想氣體狀態(tài)方第三部分，他利用當時已測定的理想氣體狀態(tài)方程，計算出熱功當量，為程，計算出熱功當量，為365公斤米大卡。公斤米大卡。 1845年邁爾發(fā)表了他的第二篇論文年邁爾發(fā)表了他的第二篇論文論與論與新陳代謝相聯(lián)系著的有機運動新陳代謝相聯(lián)系著的有機運動的論文。在該的論文。在該文中，他大大地發(fā)展了文中，他大大地發(fā)展了1842年的論文的深度和年的論文的深度和廣度，將研究的物質(zhì)運動形態(tài)，從機械運動和廣度，將研究的物質(zhì)運動形態(tài)，從機械運動和熱運動推廣到電、磁、化學(xué)作用和生物器官的熱運動推廣到電、磁、化學(xué)作用和生物器官的作用，及它們之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。作用，

48、及它們之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。 對于邁爾的工作，到對于邁爾的工作，到1858年在德國仍只年在德國仍只被少數(shù)人贊揚。被少數(shù)人贊揚。恩格斯對邁爾的工作給以很高恩格斯對邁爾的工作給以很高的評價，他在的評價，他在自然辯證法自然辯證法一書中寫道：一書中寫道：“運動的量的不變性已經(jīng)被笛卡兒指出了運動的量的不變性已經(jīng)被笛卡兒指出了但是，運動形態(tài)的轉(zhuǎn)化直到但是，運動形態(tài)的轉(zhuǎn)化直到1842年才發(fā)現(xiàn)出來，年才發(fā)現(xiàn)出來，而且新的東西正是這一點，而不是量方面不變而且新的東西正是這一點，而不是量方面不變的定律。的定律?！?2焦耳的貢獻 焦耳是為能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)奠定主焦耳是為能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)奠定主要實驗基礎(chǔ)的人。他是英國

49、曼徹斯特的一要實驗基礎(chǔ)的人。他是英國曼徹斯特的一個啤酒廠的主人，是業(yè)余的科學(xué)家。個啤酒廠的主人，是業(yè)余的科學(xué)家。 在在18401841年之間，焦耳把他的實驗結(jié)年之間，焦耳把他的實驗結(jié)果寫成兩篇論文：果寫成兩篇論文：論伏打電所生的熱論伏打電所生的熱和和電解時在金屬導(dǎo)體和電池組中放出的熱電解時在金屬導(dǎo)體和電池組中放出的熱。文章指出：文章指出：導(dǎo)體中一定時間所生成的熱量與導(dǎo)導(dǎo)體中一定時間所生成的熱量與導(dǎo)體的電阻和電流平方之積成正比。體的電阻和電流平方之積成正比。 1843年，焦耳在英國學(xué)術(shù)協(xié)會上，宣讀了論磁電的熱效應(yīng)及熱的機械值的論文，論文的第一部分是證實焦耳自己提出的一個想法：即磁式的機器所形成的

50、電力應(yīng)該具有跟來自其他電源的電流一樣的熱效應(yīng)。第二部分是討論機械功和生成的熱量之間的關(guān)系。由此焦耳設(shè)計了重物落下帶動磁鐵兩極間由此焦耳設(shè)計了重物落下帶動磁鐵兩極間的鐵棒旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱量使水溫升高的方法，的鐵棒旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱量使水溫升高的方法，共做了共做了13組實驗。并把結(jié)果概括為能使一磅水組實驗。并把結(jié)果概括為能使一磅水的溫度升高華氏一度的熱量，等于能把的溫度升高華氏一度的熱量，等于能把838磅磅舉高一英尺的機械力。換成工程單位制，焦爾舉高一英尺的機械力。換成工程單位制，焦爾得出的熱功當量值約為得出的熱功當量值約為460公斤公斤米千卡。米千卡。 1845年，焦耳發(fā)表了題為年，焦耳發(fā)表了題為論空

51、氣的論空氣的擴散和壓縮所引起的溫度變化擴散和壓縮所引起的溫度變化的論文，的論文，研究了氣體在壓縮和膨脹時的熱現(xiàn)象。研究了氣體在壓縮和膨脹時的熱現(xiàn)象。并并從中測出熱功當量之值為從中測出熱功當量之值為438公斤公斤米千米千卡?？ā?1850年焦耳又發(fā)表了一篇總結(jié)性的文年焦耳又發(fā)表了一篇總結(jié)性的文章，題目是章，題目是論熱功當量論熱功當量。文中總結(jié)和。文中總結(jié)和分析了以前的工作，并給出現(xiàn)在教科書中分析了以前的工作，并給出現(xiàn)在教科書中所用的測定熱功當量的方法。所用的測定熱功當量的方法。 焦耳關(guān)于熱功當量測定的論文還有：焦耳關(guān)于熱功當量測定的論文還有：1867年發(fā)表的年發(fā)表的由電流的熱效應(yīng)測定熱功當由電流

52、的熱效應(yīng)測定熱功當量量和和1878年發(fā)表的年發(fā)表的熱功當量的新測定熱功當量的新測定等文章。最后得到的熱功當量的數(shù)值是等文章。最后得到的熱功當量的數(shù)值是4238公斤公斤米千卡。米千卡。 焦耳為測定熱功當量之值，反復(fù)進焦耳為測定熱功當量之值，反復(fù)進行實驗，從行實驗，從1840年開始到年開始到1878年止，前年止，前后大約用了近后大約用了近40年的時間。年的時間。 3 赫姆霍茲和開爾文的貢獻 亥姆霍茲亥姆霍茲(Hermann Helmholtz,18211894)1847年宣讀了論力的守恒的論文，他在中心力的假設(shè)下，從力學(xué)定律出發(fā)全面地闡述了機械運動，給出了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律在給出了能量守恒和轉(zhuǎn)化定

53、律在力學(xué)中的具體的數(shù)學(xué)形式，并且也論述了熱、力學(xué)中的具體的數(shù)學(xué)形式，并且也論述了熱、電磁的電磁的“力力”相互轉(zhuǎn)化的守恒規(guī)律。相互轉(zhuǎn)化的守恒規(guī)律。 開爾文開爾文(Willian Thomson,18241907)從從1851年年1856年先后發(fā)表了年先后發(fā)表了8篇論文，令人信服篇論文，令人信服地用科學(xué)的能量概念論證了能量守恒定律的正地用科學(xué)的能量概念論證了能量守恒定律的正確性，確性，因而在國際科學(xué)界產(chǎn)生了深遠的影響。因而在國際科學(xué)界產(chǎn)生了深遠的影響。從此以后，科學(xué)界很快承認了能量守恒定律的從此以后，科學(xué)界很快承認了能量守恒定律的普遍正確性。普遍正確性。 熱力學(xué)第一定律與普遍的能量守恒與轉(zhuǎn)化熱力學(xué)

54、第一定律與普遍的能量守恒與轉(zhuǎn)化定律有著緊密的聯(lián)系，但二者又是有區(qū)別的，定律有著緊密的聯(lián)系，但二者又是有區(qū)別的，前者是后者的一個特殊情況。前者是后者的一個特殊情況。 2.2.3 熱力學(xué)第一定律的提出熱力學(xué)第一定律的提出 熱力學(xué)第一定律的提出與熱功當量的熱力學(xué)第一定律的提出與熱功當量的測定息息相關(guān)，但前者并不是后者的邏輯測定息息相關(guān)，但前者并不是后者的邏輯推理，因為建立熱力學(xué)第一定律，必須提推理，因為建立熱力學(xué)第一定律，必須提出內(nèi)能的概念。出內(nèi)能的概念。 熱力學(xué)第一定律的建立過程，說明一個普熱力學(xué)第一定律的建立過程，說明一個普遍物理定律的建立，絕非一二人所能做到的。遍物理定律的建立，絕非一二人所能

55、做到的。需要有一批科學(xué)家，在相當?shù)臅r間內(nèi)，經(jīng)過艱需要有一批科學(xué)家，在相當?shù)臅r間內(nèi)，經(jīng)過艱苦的努力，才能真正確立起來，也說明當客觀苦的努力，才能真正確立起來，也說明當客觀條件成熟時，相應(yīng)的自然規(guī)律就一定會被發(fā)現(xiàn)，條件成熟時，相應(yīng)的自然規(guī)律就一定會被發(fā)現(xiàn)，至于由誰第一個發(fā)現(xiàn)，則并不是主要的。至于由誰第一個發(fā)現(xiàn)，則并不是主要的。 熱力學(xué)第二定律是在克勞修斯、開爾文利熱力學(xué)第二定律是在克勞修斯、開爾文利用用“熱動說熱動說”批判批判“熱質(zhì)說熱質(zhì)說”，重審卡諾熱機，重審卡諾熱機理論時，于理論時，于1850、1851年間發(fā)現(xiàn)的。年間發(fā)現(xiàn)的。 2.2.3 熱力學(xué)第二定律的建立熱力學(xué)第二定律的建立熱力學(xué)第二定律

56、熱力學(xué)第二定律是熱學(xué)所特有的一條是熱學(xué)所特有的一條定律，定律，它是闡明與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀它是闡明與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程進行的方向和不可逆性的。它的發(fā)現(xiàn)過程進行的方向和不可逆性的。它的發(fā)現(xiàn)不僅大大促進了熱學(xué)的發(fā)展，而且導(dǎo)致了不僅大大促進了熱學(xué)的發(fā)展，而且導(dǎo)致了現(xiàn)代系統(tǒng)論現(xiàn)代系統(tǒng)論協(xié)同論和混沌等理論的產(chǎn)協(xié)同論和混沌等理論的產(chǎn)生和發(fā)展。生和發(fā)展。 1卡諾的熱機理論 薩迪卡諾(Sadi Carmot,17961834)畢業(yè)于巴黎高等工業(yè)學(xué)校，任工程師?？ㄖZ對蒸汽機很感興趣，認為“蒸汽機注定要給全世界帶來一場偉大的革命”。當時蒸汽機已獲得不斷的改進，已出現(xiàn)了高低壓二級復(fù)合式沃爾夫蒸汽機，并獲得廣

57、泛的應(yīng)用。但當時人們對蒸汽機的理論了解得甚但當時人們對蒸汽機的理論了解得甚少，改進蒸汽機的嘗試，幾乎仍靠碰運氣進少，改進蒸汽機的嘗試，幾乎仍靠碰運氣進行。行。他致力于從理論上探討提高熱機的效率他致力于從理論上探討提高熱機的效率問題，熱所產(chǎn)生的動力是有限的，還是無限問題，熱所產(chǎn)生的動力是有限的，還是無限的，即熱機的效率在理論上有沒有一個上限？的，即熱機的效率在理論上有沒有一個上限？ 卡諾根據(jù)熱質(zhì)守恒思想和永動卡諾根據(jù)熱質(zhì)守恒思想和永動機不可能制造原理對有關(guān)熱機效率機不可能制造原理對有關(guān)熱機效率的卡諾定理作出了證明。的卡諾定理作出了證明。 卡諾的熱機理論，在實踐上為提高熱卡諾的熱機理論，在實踐上為

58、提高熱機效率指明了方向；在理論上，包含了熱力機效率指明了方向；在理論上，包含了熱力學(xué)第二定律的基本內(nèi)容。恩格斯說：學(xué)第二定律的基本內(nèi)容。恩格斯說：“他差他差不多已經(jīng)探究到問題的底蘊。阻礙他完全解不多已經(jīng)探究到問題的底蘊。阻礙他完全解決這個問題的，并不是事實材料的不足，而決這個問題的，并不是事實材料的不足，而只是一個先入為主的錯誤理論。只是一個先入為主的錯誤理論?！?2. 克勞修斯和開爾文對熱力學(xué)第二定律的研究克勞修斯和開爾文對熱力學(xué)第二定律的研究 19世紀世紀40年代末，能量守恒與轉(zhuǎn)化定律已年代末，能量守恒與轉(zhuǎn)化定律已基本上確定，基本上確定，“熱質(zhì)說熱質(zhì)說”已基本上被否定。建已基本上被否定。建

59、立在熱質(zhì)說基礎(chǔ)之上的卡諾熱機理論看來也需立在熱質(zhì)說基礎(chǔ)之上的卡諾熱機理論看來也需要修改。要修改。 1850年年4月月12日，克勞修斯發(fā)表了日，克勞修斯發(fā)表了論熱論熱的動力和可由此推導(dǎo)熱學(xué)本身的定律的動力和可由此推導(dǎo)熱學(xué)本身的定律的論的論文。文。他認為卡諾熱機理論的結(jié)論是正確的，他認為卡諾熱機理論的結(jié)論是正確的，但依據(jù)熱質(zhì)說的解釋是不正確的，即但依據(jù)熱質(zhì)說的解釋是不正確的，即“熱機熱機提供的動力是熱質(zhì)在二熱源之間的降落提供的動力是熱質(zhì)在二熱源之間的降落”的的看法是不成立的?？捶ㄊ遣怀闪⒌?。他認為應(yīng)修改為：由熱作功的過程中，一他認為應(yīng)修改為：由熱作功的過程中，一部分熱作了機械功，另一部分熱通過熱體

60、向冷部分熱作了機械功，另一部分熱通過熱體向冷體傳遞而耗散掉。并推導(dǎo)出在卡諾循環(huán)中，工體傳遞而耗散掉。并推導(dǎo)出在卡諾循環(huán)中，工作物質(zhì)在作物質(zhì)在T1、T2溫度處吸、放的熱量溫度處吸、放的熱量Q1、Q2之之間存在下列關(guān)系：間存在下列關(guān)系： 2211TQTQ(2.9)此為克勞修斯等式。故卡諾理想熱機的效此為克勞修斯等式。故卡諾理想熱機的效率可表為：率可表為： 121121TTTQQQ(2.10)他運用理想實驗的分析得出他運用理想實驗的分析得出“在熱產(chǎn)生在熱產(chǎn)生功的過程中所消耗的熱的數(shù)量正比于所產(chǎn)生功的過程中所消耗的熱的數(shù)量正比于所產(chǎn)生的功的數(shù)量的功的數(shù)量”的熱力學(xué)第一定律一道，還應(yīng)的熱力學(xué)第一定律一道