二節(jié)熱力學(xué)發(fā)展課件

1、第二節(jié) 熱力學(xué)的發(fā)展一、第一定律誕生的背景 社會(huì)現(xiàn)狀： 隨著蒸汽機(jī)的發(fā)明和推廣使用，迫切需要研究熱和功的關(guān)系，以提高熱機(jī)效率，適應(yīng)生產(chǎn)力發(fā)展的需要。 能量轉(zhuǎn)化與守恒思想的萌發(fā)： 俄國的赫斯，1836年：“不論用什么方式完成化合，由此發(fā)出的熱總是恒定的?！?1830年，法國薩迪卡諾：“準(zhǔn)確地說，它既不會(huì)創(chuàng)生也不會(huì)消滅，實(shí)際上，它只改變了它的形式。”邁爾在1841年、1842年撰文發(fā)表了他的觀點(diǎn)，在1845年的論文中，更明確寫道：“無不能生有，有不能變無?！?“在死的或活的自然界中，這個(gè)力（能）永遠(yuǎn)處于循環(huán)和轉(zhuǎn)化之中?！彼粌H 是歷史上第一個(gè)提出能量守恒定律并計(jì)算出熱功當(dāng)量的人，而且也是第一個(gè)將熱

2、學(xué)觀點(diǎn)用于有機(jī)世界研究人。但他的理論在當(dāng)時(shí)的科學(xué)界得不到重視，他的論文雜志拒絕發(fā)表。直到1860年，他才開始出席科學(xué)會(huì)議，1871年獲得了英國皇家學(xué)會(huì)的科普勒獎(jiǎng)?wù)隆?恩格斯對邁爾的工作給予很高的評(píng)價(jià)。2.亥姆霍茲德國科學(xué)家，他認(rèn)為，大自然是統(tǒng)一的，自然力(即能量)是守恒的。1847年，26歲發(fā)表著名論文力的守恒，把能量概念從機(jī)械運(yùn)動(dòng)推廣到普遍的能量守恒。 1845年，焦耳為測定機(jī)械功和熱之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，設(shè)計(jì)了“熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)儀”，并反復(fù)改進(jìn)，反復(fù)實(shí)驗(yàn)。 1849年發(fā)表論熱功當(dāng)量。 1878年發(fā)表熱功當(dāng)量的新測定，最后得到的數(shù)值為423.85公斤米/千卡。 焦耳測熱功當(dāng)量用了四十多年，實(shí)驗(yàn)了400

3、多次，付出大量的辛勤勞動(dòng)。能量守恒和轉(zhuǎn)化定律是自然界基本規(guī)律，恩格斯曾將它和進(jìn)化論、細(xì)胞學(xué)說并列為三大自然發(fā)現(xiàn)。三.熱力學(xué)第一定律建立的成因）理論邁爾邁爾是明確提出“無不能生有”，“有不能變無”的能量守恒與轉(zhuǎn)化思想的第一人。而這理論正是建立熱力學(xué)第一定律的基礎(chǔ)。）實(shí)驗(yàn)焦耳由于焦耳精心嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡M(jìn)行了熱功當(dāng)量測定等一系列實(shí)驗(yàn)，奠定了熱力學(xué)第一定律的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，得到了人們的認(rèn)同。）一批科學(xué)家的不懈努力亥姆霍茲將能量守恒定律第一次以數(shù)學(xué)形式提出來，而卡諾、賽貝等人也都有過這方面的見解。）說明了客觀條件成熟，相應(yīng)的自然規(guī)律一定會(huì)發(fā)現(xiàn)。永動(dòng)機(jī)達(dá).芬奇1500斯梯芬1600法國科學(xué)院 1775我們用一張聯(lián)絡(luò)圖來

4、表示能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的建立過程機(jī)械運(yùn)動(dòng)塞貝克溫差電1821哲學(xué)熱學(xué)電磁學(xué)化學(xué)、生物學(xué)開爾文1851克勞修斯1850焦耳1843-78熱功當(dāng)量赫斯1836拉瓦錫1794黑格爾相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化康德哲學(xué)笛卡兒運(yùn)動(dòng)不滅思想法拉第1831彭斯勒（功）1829楊（能）1801牛頓1681伽利略單擺1600亥姆霍茲（力的守恒）1847邁爾（生物熱）1942-45卡諾（蒸汽機(jī)效率）1824倫福德1798電流的熱效應(yīng)1840哈密頓（正則方程）1834克勞修斯1850第一定律 四、熱力學(xué)第二定律 第二定律的發(fā)現(xiàn)與提高熱機(jī)的效率密切有關(guān)。（1） 1765-1782年瓦特兩次改進(jìn)蒸汽機(jī)的設(shè)計(jì)，但是效率仍很低。 （2）

5、卡諾父子的研究；1824年薩迪.卡諾發(fā)表了關(guān)于火的動(dòng)力及適于發(fā)展這一動(dòng)力的機(jī)器的思考，提出了熱機(jī)理論中有重要地位的卡諾定理。 （3）1834年，克拉珀龍（1799-1864）把卡諾的思想幾何化為由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程組成的卡諾循環(huán)，用幾何的方法來計(jì)算功，提出了由功和吸熱之比來測量效率。（4）絕對溫標(biāo)的提出 1848年，W.湯姆孫（開爾文）提出絕對溫標(biāo)，是卡諾熱動(dòng)力理論的直接結(jié)果。T=t+273.3這就是絕對溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)的關(guān)系。1887年，絕對溫標(biāo)得到了世界的公認(rèn)。（5）熱力學(xué)第二定律的兩種表述：第一種是克勞修斯在1850年提出的：熱不可能獨(dú)立地、不付代價(jià)地從冷物傳向較熱物體。第二種說法

6、是開爾文于1851年提出的：不可能借助于無生命的機(jī)器，從任何物體得到機(jī)械功，而所應(yīng)用的方法為 使這個(gè)物體冷卻至比周圍物體更冷。這兩種說法是等價(jià)的。 五、熱力學(xué)第三定律 它是熱力學(xué)的又一條基本規(guī)律，它不能由任何其他物理學(xué)定律得出，只能看作由實(shí)驗(yàn)事實(shí)作出的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。 當(dāng)時(shí)的背景：氣體的液化和低溫的獲得。18世紀(jì)末，荷蘭人馬倫第一次用高壓壓縮的方法得到液態(tài)的氨；1823年法拉第在研究氯化物的性質(zhì)時(shí)得到液態(tài)的氯。1826年，他使許多氣體的液化。1893年1月20日，杜瓦（1842-1923）宣布發(fā)明了一種特殊的低溫恒溫器-后來叫杜瓦瓶。1898年他實(shí)現(xiàn)了氫的液化，達(dá)到20.4K。后來又得到故態(tài)氫，達(dá)到

7、12K。 到了19世紀(jì)下半期，隨著低溫技術(shù)的發(fā)展，低溫物理學(xué)提出了一些新問題，即物體繼續(xù)冷卻下去會(huì)出現(xiàn)一些什么新的性質(zhì)？溫度是否可以無限降低？ 1912年，德國物理學(xué)家能斯特（1864-1941）進(jìn)一步提出“絕對零度是不可能達(dá)到的”熱力學(xué)第三定律。第三節(jié) 分子運(yùn)動(dòng)論的發(fā)展 古代的分子運(yùn)動(dòng)論 分子運(yùn)動(dòng)論是熱學(xué)的一種微觀理論.它基于以下兩個(gè)基本概念：物質(zhì)是大量分子和原子組成的；熱現(xiàn)象是這些分子做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的一種表現(xiàn)。這些概念起源很早，2000多年前的中國和希臘,都有人提出物質(zhì)由原子組成的假說。認(rèn)為萬物是由原子組成，不同的原子組成了世界上不同的物質(zhì),而原子在不停的運(yùn)動(dòng)著。德莫克里特（公元前460-前

8、371）：認(rèn)為物質(zhì)皆由各種不同微粒組成。雖然這些概念只是哲學(xué)上的主張，但對后來的分子運(yùn)動(dòng)論的發(fā)展起了啟示和指引的作用。一、早期的動(dòng)理論 在17世紀(jì)和18世紀(jì),出現(xiàn)了一些比古代原子論進(jìn)一步的但還只是定性的分子運(yùn)動(dòng)論假說。 1658年，伽森第以分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)解釋了物質(zhì)的氣、液 、固三態(tài)的區(qū)別； 1678年胡克又以氣體分子不斷碰撞器壁的結(jié)果，解釋了產(chǎn)生氣體壓強(qiáng)的來由。 1738年，瑞士物理學(xué)家伯努利在他的液體動(dòng)力學(xué)一書中，發(fā)展了這種假說，從分子運(yùn)動(dòng)論的角度出發(fā)，也同樣得出氣體壓強(qiáng)與所占體積成反比的玻意耳定律，并且指出，這個(gè)定律在必須考慮分子本身所占體積的情況下，需要加以修正。 俄國學(xué)者羅蒙諾索夫在

9、1746和1748年的兩篇論文里，發(fā)表了自己的見解。他始終堅(jiān)持熱的根源在于運(yùn)動(dòng)。并在討論氣體的性質(zhì)時(shí)，提出氣體分子運(yùn)動(dòng)的無規(guī)則性，還肯定了運(yùn)動(dòng)守恒在熱現(xiàn)象中的正確性。 19世紀(jì)上半葉，動(dòng)理論續(xù)有進(jìn)展，值得一提的有以下幾位：1.英國的赫拉帕斯，在1816年向英國的皇家學(xué)會(huì)提出自己的分子動(dòng)理論。他明確提出溫度決定于分子速度的思想。但權(quán)威們認(rèn)為他的思想過于遐想。2.蘇格蘭的瓦特斯頓，在1846年提出混合氣體中不同比重的氣體，所有分子的MV2的平均值應(yīng)該相同。這大概是能量均分定理的最早提法。3.焦耳在1847-1848年發(fā)表過兩篇?jiǎng)永碚摰难葜v。他提出了熱是分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子間相互作用的能量。 三 、

10、克勞修斯的理想氣體分子模型1857年發(fā)表論熱運(yùn)動(dòng)的類型的文章，以十分明晰和清楚的方式發(fā)展了氣體分子運(yùn)動(dòng)論的基本思想，推導(dǎo)出理想氣體的壓強(qiáng)公式。他的出發(fā)點(diǎn)是：（1）分子所占的空間對于氣體本身所占有的空間來說必須是無限小。（2）改變兩個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)的碰撞過程所經(jīng)歷的時(shí)間，比起兩次碰撞所經(jīng)歷的時(shí)間間隔來說必須是無限小。（3）分子力的影響必須是無限小。 他還引入了一個(gè)新的概念-統(tǒng)計(jì)的概念，并借用統(tǒng)計(jì)處理的方法解釋氣體壓強(qiáng)的產(chǎn)生。 他用分子的速率在各個(gè)方向相等這一簡化了的統(tǒng)計(jì)法推導(dǎo)出壓強(qiáng)公式 P=1/3mnv2 他另外的一個(gè)貢獻(xiàn)是引入了氣體分子平均自由程的概念。平均自由程的引入，為分子運(yùn)動(dòng)論提供了一個(gè)重要

11、的物理量，他給出了分子在連續(xù)兩次碰撞間所走過的路程的長短，從而更好地描繪氣體分子的運(yùn)動(dòng)圖象。*解釋氣體分子速度大而擴(kuò)散速度小的現(xiàn)象。1860年，麥克斯韋從理論上，導(dǎo)出了氣體的速率分布律，同時(shí)得出了氣體分子的速率分布函數(shù)的表達(dá)式為 式中，m是一個(gè)分子質(zhì)量，T是氣體的熱力學(xué)溫度，k是玻爾茲曼常量。1860年，麥克斯韋把速度分布規(guī)律發(fā)表在氣體動(dòng)力論的說明里，由此找到了由微觀量求統(tǒng)計(jì)平均值的更切實(shí)的途徑，為氣體分子運(yùn)動(dòng)論奠定了基礎(chǔ)。他還應(yīng)用速率分布率，對氣體分子平均自由程進(jìn)行了再一次計(jì)算，推導(dǎo)出現(xiàn)在被人們所公認(rèn)的值。二、玻爾茲曼分布 玻爾茲曼（1844-1906），奧地利著名的物理學(xué)家，曾是斯特藩的學(xué)

12、生和助教。1876年任維也納物理研究所所長，是統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的創(chuàng)始人之一。 1866年從維也納大學(xué)畢業(yè)，開始研究動(dòng)理論。1868年發(fā)表運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)活力平衡的研究的論文。他明確指出，研究動(dòng)理論必須引進(jìn)統(tǒng)計(jì)學(xué)。并證明麥克斯韋分布的正確性。1871年連續(xù)發(fā)表論文，論多原子的熱平衡、熱平衡的某些理論，文中他研究了分子在重力場中的平衡分布。 他不滿足于推導(dǎo)出氣體在平衡態(tài)下的分布律，他接著證明了氣體（原來不處于平衡）總要趨于平衡態(tài)的趨勢。1872年，他發(fā)表論文，提出了著名的H定理。1877年，他進(jìn)一步研究了熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)解釋。“熱力學(xué)第二定律是關(guān)于概率的定律，所以它的結(jié)論不能靠一條動(dòng)力學(xué)方程來檢驗(yàn)的”三、統(tǒng)計(jì)系綜和吉布斯的工作 系綜概念的提出和運(yùn)用標(biāo)志著動(dòng)理論發(fā)展到了統(tǒng)計(jì)力學(xué)的新階段。系綜是一個(gè)虛構(gòu)的抽象概念，代表了大量性質(zhì)相同的力學(xué)體系的集合，每個(gè)體系處于相互獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)中。玻爾茲曼和麥克斯韋統(tǒng)計(jì)的思想，后來在