對(duì)經(jīng)典物理學(xué)的再認(rèn)識(shí)

19/19對(duì)經(jīng)典物理學(xué)的再認(rèn)識(shí)學(xué)生：劉永祥指導(dǎo)老師：段文山2014屆,物理學(xué)，10級(jí)物理（1）班，201072010236摘要：縱觀物理學(xué)的發(fā)展歷史，波瀾壯闊。最初的物理學(xué)，跟神學(xué)、哲學(xué)是分不開(kāi)的，或者我們直接可以這樣說(shuō)：物理學(xué)本身誕生于神學(xué)與哲學(xué)之中，其發(fā)展之趨勢(shì)，也將會(huì)朝著更加“神秘”的方向，這在近代量子力學(xué)跟相對(duì)論理論里頗有體現(xiàn)。而作為整個(gè)物理學(xué)科的基礎(chǔ)，經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)以及經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)力學(xué)理論無(wú)疑在整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展之中起著基礎(chǔ)性與支撐性的作用。因此，作為一個(gè)從事中學(xué)物理基礎(chǔ)性學(xué)科教學(xué)的人，對(duì)經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展歷史做一個(gè)全面透徹的了解與認(rèn)識(shí)，對(duì)其自身專業(yè)素養(yǎng)的提高與基本物理思想的傳播都有著最為基本的意義，也會(huì)對(duì)物理文化的傳播與發(fā)展，有一定的積極意義。本文以經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展史為切入點(diǎn)，在介紹其發(fā)展的同時(shí)又對(duì)各位先哲的經(jīng)典理論作一再呈現(xiàn)，讓我們?cè)僖淮纬两谏詈竦奈锢砦幕諊?。關(guān)鍵詞：經(jīng)典物理學(xué)經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理學(xué)中學(xué)物理教學(xué)Abstract:Inthedevelopmentofphysicshistory,spectacular.Theinitialphysicsisinseparablewiththeology,philosophy,orwecansaydirectly:physicsitselfwasborninphilosophyandtheology,itsdevelopmenttrendalsowillbemoremysterious,inthemodernisembodiedinthetheoryofquantummechanicsandrelativity.Andasthebasisofthewholephysics,classicalmechanics、classicalelectrodynamicsandclassicalstatisticalmechanicstheoryinthedevelopmentofthewholephysicsundoubtedlyplaysafundamentalandsupportiverole.Therefore,foramanengagedinbasiccourseteachingofhighschoolphysics,thedevelopmentofclassicalphysicshistorytomakeacomprehensiveassessmentoflearningandunderstanding,theimprovementoftheirownprofessionalandbasicphysicalideashavethemostbasicsense,thespreadofofalsothedisseminationanddevelopmentofphysicsculture,hascertainpositivemeaning.Inthispaperthedevelopmenthistoryofclassicalphysicsasthebreakthroughpoint,initsdevelopmentatthesametime,theclassicaltheoryoffellowthinkersofthepastagainandagain,letusonceagainimmersedinthedeepphysicalculture.Keywords:classicalphysics,classicalmechanics,classicalelectrodynamics,classicalstatisticalphysics,middleschoolphysicsteachingTOC\o"1-3"\h\u目錄摘要： 1引言： 51.經(jīng)典力學(xué)的建立與發(fā)展 61.1亞里士多德的運(yùn)動(dòng)觀 61.2伽利略對(duì)經(jīng)典力學(xué)的貢獻(xiàn) 81.3牛頓的經(jīng)典力學(xué)體系——經(jīng)典力學(xué)大廈的構(gòu)成 92.經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的發(fā)展與主要理論 112.1早期的靜電學(xué)與靜磁學(xué)理論 112.2從奧斯特到法拉第——人類將電磁現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)了 122.3麥克斯韋方程組——經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的骨架 132.3.1位移電流的提出——變化的電場(chǎng)激發(fā)磁場(chǎng) 132.3.2麥克斯韋方程組 143.經(jīng)典熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理的產(chǎn)生與發(fā)展 143.1熱力學(xué)的萌芽與發(fā)展 153.1.1人類早期對(duì)熱的認(rèn)識(shí)——熱質(zhì)說(shuō)與熱的運(yùn)動(dòng)說(shuō) 153.1.2熱力學(xué)第一定律建立與內(nèi)容 163.1.3熱力學(xué)第二定律的建立與內(nèi)容 173.1.4熱力學(xué)第三定律的建立 183.2統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的相關(guān)理論 193.2.1經(jīng)典玻耳茲曼（Boltsman）統(tǒng)計(jì) 193.2.2玻色——愛(ài)因斯坦（Bose-Einstern）統(tǒng)計(jì) 193.2.3費(fèi)米——狄拉克（Fermi-Dirac）統(tǒng)計(jì) 19結(jié)束語(yǔ) 20參考文獻(xiàn) 20致謝 20引言：經(jīng)典物理學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展，對(duì)整個(gè)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域都起到了一定的推動(dòng)作用。以前人們普遍認(rèn)為，經(jīng)典力學(xué)是整個(gè)物理學(xué)的基礎(chǔ)，因?yàn)橐磺泻暧^的、低速運(yùn)動(dòng)的物體，幾乎都可以用牛頓的力學(xué)規(guī)律來(lái)完全決定性地解釋與描述，不僅是這樣，就當(dāng)時(shí)的某些微觀領(lǐng)域，牛頓的經(jīng)典力學(xué)規(guī)律也同樣適用。而經(jīng)典電磁理論的建立，無(wú)疑徹底改變了人們的生活，電磁波的發(fā)現(xiàn)與利用，把我們的世界一下子帶進(jìn)了信息化時(shí)代。至于經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)，作為既古老而又經(jīng)典的理論，其相關(guān)理論仍然支撐著物理學(xué)的相關(guān)領(lǐng)域，熱力學(xué)理論，開(kāi)創(chuàng)了人類對(duì)熱機(jī)及能源的利用，統(tǒng)計(jì)物理的相關(guān)理論，一直是處理微觀粒子必不可少的。因此，對(duì)經(jīng)典物理學(xué)的再認(rèn)識(shí)，對(duì)于從事基礎(chǔ)物理教學(xué)工作的人來(lái)說(shuō)具有最基本的意義，也是對(duì)自己大學(xué)學(xué)習(xí)的一個(gè)簡(jiǎn)要總結(jié)。作為一名中學(xué)物理教師，其不光要掌握扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)與技能，更要對(duì)所教授學(xué)科的發(fā)展與文化有一個(gè)全面透徹的了解，因?yàn)榻處煹呢?zé)任，與其說(shuō)是“傳道，授業(yè)，解惑”，還不如說(shuō)是在傳播著科學(xué)與文化。中學(xué)階段是一個(gè)人的黃金時(shí)期，我們對(duì)中學(xué)生的施教不應(yīng)當(dāng)只是“填鴨式”地灌輸知識(shí)，而應(yīng)讓他們對(duì)一門學(xué)科的文化有所了解，因?yàn)橥ㄟ^(guò)對(duì)物理學(xué)科的的發(fā)展歷史的了解，可以培養(yǎng)其對(duì)物理的熱愛(ài)與崇尚，也會(huì)對(duì)所學(xué)科目有發(fā)自內(nèi)心的真切感受，這將會(huì)對(duì)其后續(xù)大學(xué)階段的學(xué)習(xí)與深造有一個(gè)很好的鋪墊。本文從一名中學(xué)物理教師的角度出發(fā)，一方面，介紹對(duì)整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展都起著基礎(chǔ)性作用的經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展與相關(guān)問(wèn)題，首先，在這部分我將介紹經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展及我對(duì)相關(guān)問(wèn)題認(rèn)識(shí)與看法，從亞里士多德（Aristotle）到伽利略（GailileoGalilei），再?gòu)馁だ缘脚ｎD（Newton），通過(guò)對(duì)這三位科學(xué)先哲的生平與貢獻(xiàn)的了解，發(fā)掘出經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)，給讀者一個(gè)清晰的印象；其次，我將對(duì)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的發(fā)展概況進(jìn)行探索，對(duì)經(jīng)典電磁理論做一再呈現(xiàn)，讓讀者了解電磁學(xué)理論的對(duì)稱美與嚴(yán)密性，而所有理論歸結(jié)起來(lái)，就是完美的麥克斯韋（Maxwell）方程組；再有，我將對(duì)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理學(xué)做一簡(jiǎn)要介紹，讓讀者了解到統(tǒng)計(jì)物理學(xué)在整個(gè)科學(xué)發(fā)展史上（包括工業(yè)技術(shù)發(fā)展）的重要作用。另一方面，我將聯(lián)系中學(xué)物理噢教師這一具體職位，討論一名物理教師應(yīng)當(dāng)怎樣教授物理這一學(xué)科才能更好地起到傳播文化的作用。即作為一個(gè)從事物理教學(xué)的人來(lái)說(shuō)，不光要掌握相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，有一個(gè)扎實(shí)的專業(yè)素養(yǎng)，更重要的是，要對(duì)他所教授學(xué)科的文化發(fā)展有一個(gè)深層次的理解與把握，把學(xué)生領(lǐng)進(jìn)科學(xué)的大門。所謂一門學(xué)科的文化內(nèi)涵，就是其發(fā)展歷史與相關(guān)人物的主要觀點(diǎn)，因此在這部分，我將聯(lián)系具體教學(xué)實(shí)例，來(lái)進(jìn)行一定的闡述。1.經(jīng)典力學(xué)的建立與發(fā)展1.1亞里士多德的運(yùn)動(dòng)觀亞里士多德（Aristotle）被譽(yù)為古希臘百科全書式的哲學(xué)家，其基本的哲學(xué)思想幾乎涵蓋了自然科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。他把萬(wàn)物看成是由四種元素——土、水、空氣及火組成，四種元素各有其自然位置，任何物體都有返回其自然位置而運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，因此他把運(yùn)動(dòng)分成自然運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)：重物下落是自然運(yùn)動(dòng)，天上星辰圍繞地心作圓周運(yùn)動(dòng)，也是自然運(yùn)動(dòng)；而要讓物體作強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)，必需有推動(dòng)者，即有施力者。力一旦去除，運(yùn)動(dòng)即停止，即“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”。既然重物下落是物體的自然屬性，物體越重，趨向自然位置的傾向性也就越大，所以下落速度也越大。于是，從亞里士多德的教義出發(fā)，就必然得到物體下落速度與物體重量成正比的結(jié)論。下面就讓我們對(duì)其思想做一全方位的回顧。對(duì)于運(yùn)動(dòng)和力，因?yàn)椤榜R拉車，馬行則車動(dòng)，馬停則車止”。亞里士多德說(shuō)：“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”，他認(rèn)為物體只有在外力推動(dòng)下才運(yùn)動(dòng)，外力停止，運(yùn)動(dòng)也就停止。這種說(shuō)法從公元前四世紀(jì)誕生一直到公元后十六世紀(jì)近兩千年的時(shí)間都沒(méi)有人質(zhì)疑。另外，亞里士多德認(rèn)為較重物體的下落速度會(huì)比較輕物體的快，因?yàn)椤皩⒁粔K石頭跟一根羽毛同時(shí)從高處拋下，石頭總是比羽毛先落地”。亞里士多德認(rèn)為，四因有其自然位置：火向上運(yùn)動(dòng)，地向下運(yùn)動(dòng)，它們?cè)诘竭_(dá)其自然位置后歸于靜止。它們的本性要求它們這樣運(yùn)動(dòng)。亞里士多德對(duì)空間也做了很多的思考與論證,最后他得出了自己的核心思想,位置所處（空間）不在事物之外存在,事物之外的位置所處（空間）只是有運(yùn)動(dòng)的事物的幾何和測(cè)量的維度。所以，在亞里士多德看來(lái)，談?wù)撚钪娴奈恢锰幩臻g）是毫無(wú)意義的。亞里士多德的空間概念絕不是牛頓的空間概念，它不是一個(gè)物體可在其中運(yùn)動(dòng)的空匣子。在亞里士多德看來(lái)，事物和它的外圍界限是合為一體的。物體本身的屬性決定著周圍世界的幾何屬性。所以幾何是不可能同物體實(shí)際分開(kāi)的。物理上的位置處所是由思想確定的。是包圍著該事物的，對(duì)該事物進(jìn)行測(cè)量的場(chǎng)所中的一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)場(chǎng)所本身什么都不是，不可能獨(dú)立存在。所以《希臘人的物理世界》一書的作者說(shuō)：“亞里士多德在構(gòu)造他的空間概念時(shí)把幾何同事物結(jié)合在一起的做法與廣義相對(duì)論不無(wú)相似之處。亞里士多德對(duì)速度的一個(gè)觀點(diǎn)是，運(yùn)動(dòng)的速度一定是運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)力和它通過(guò)介質(zhì)時(shí)的阻力的比例關(guān)系?！斑\(yùn)動(dòng)的速度受到所通過(guò)介質(zhì)的差異和影響。”他認(rèn)為，這由于“介質(zhì)”對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的妨礙作用，如果物體同介質(zhì)作相反的運(yùn)動(dòng)，妨礙作用最大。靜止時(shí)，妨礙作用次之。另外，不易被分開(kāi)的介質(zhì)，即比較致密的事物妨礙作用也比較大，為此，他還推出一個(gè)公式。他的另一個(gè)觀點(diǎn)是，在其他條件相同的情況下，運(yùn)動(dòng)物體的重量與物體的運(yùn)動(dòng)速度成正比：“較大的動(dòng)勢(shì)——重的向下，輕的向上——的物體（假設(shè)結(jié)構(gòu)上的其他方面相同）通過(guò)同一距離的速度也比較大，并且它們的速度的比等于這些物體的重量之比，這里涉及落體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。亞里士多德認(rèn)為，落體越重，通過(guò)同一介質(zhì)內(nèi)的同一距離所用的時(shí)間越少。因此，這是物體的重量等于下降的力。他對(duì)運(yùn)動(dòng)的基本主張是：沒(méi)有無(wú)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。在時(shí)間上，運(yùn)動(dòng)是永存的。就事物的運(yùn)動(dòng)來(lái)看，不存在自動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。任何運(yùn)動(dòng)都必有動(dòng)力來(lái)源，有推動(dòng)者。所以運(yùn)動(dòng)是一個(gè)推一個(gè)的運(yùn)動(dòng)鏈。既然運(yùn)動(dòng)是鏈，無(wú)窮倒退又是荒謬的，所以必有一個(gè)推動(dòng)者。它自身不動(dòng)，它是一切運(yùn)動(dòng)的來(lái)源。在空間圓周運(yùn)動(dòng)中，只有天體的圓周運(yùn)動(dòng)是永恒的，自然同一的，它是一切運(yùn)動(dòng)之源?？v觀亞里士多德的運(yùn)動(dòng)觀，我們發(fā)現(xiàn)其大多都是錯(cuò)誤的，但科學(xué)就是這樣，科學(xué)的發(fā)展就是一個(gè)不斷糾錯(cuò)的過(guò)程，且當(dāng)時(shí)的技術(shù)與思想的落后，根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)提出觀點(diǎn)也應(yīng)當(dāng)是無(wú)可厚非的。亞里士多德是偉大的，他的許多成就都為世人所傳唱，同時(shí)大家也牢牢的記住了他所犯的錯(cuò)誤。對(duì)他在物理學(xué)和自然科學(xué)發(fā)展中的作用和影響以及其局限性，應(yīng)進(jìn)行歷史的分析。對(duì)物理學(xué)的發(fā)展來(lái)說(shuō)，亞里士多德初步提出以物質(zhì)獨(dú)立的自然學(xué)科，重視對(duì)近身事物的具體觀察，強(qiáng)調(diào)思維邏輯的作用，首先引用運(yùn)動(dòng)及其與時(shí)間、空間、與周圍物體的關(guān)系及物質(zhì)本原為研究對(duì)象以形成一門用數(shù)學(xué)方法考察具體物理定律，從而引起眾多的討論與研究等等；這些都在一定程度上為歐洲文藝復(fù)興以后物理科學(xué)在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的奠定起了某些先導(dǎo)的作用。這一成就不應(yīng)被抹殺。1.2伽利略對(duì)經(jīng)典力學(xué)的貢獻(xiàn)伽利略（GailileoGalilei）對(duì)經(jīng)典力學(xué)的貢獻(xiàn)的精髓，幾乎都是建立在對(duì)亞里士多德錯(cuò)誤觀點(diǎn)批判的基礎(chǔ)之上的。他把物理學(xué)牢固地建立在觀察與實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，恢復(fù)與發(fā)展了亞里士多德重視邏輯推理和運(yùn)用數(shù)學(xué)工具的傳統(tǒng)以后，物理學(xué)在西歐的社會(huì)生產(chǎn)力蓬勃發(fā)展的條件下得到了迅速的發(fā)展。伽利略拋棄了亞里士多把運(yùn)動(dòng)分為自然運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)，采用數(shù)學(xué)方法來(lái)定量地分析運(yùn)動(dòng)，對(duì)位移、距離和時(shí)間的概念給予確切的數(shù)學(xué)表達(dá)形式，運(yùn)用笛卡兒創(chuàng)立的坐標(biāo)系來(lái)定量的描述運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為應(yīng)該依據(jù)運(yùn)動(dòng)的基本特征量速度對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分類，由此，把運(yùn)動(dòng)分為勻速運(yùn)動(dòng)和變速運(yùn)動(dòng)兩種，并引入加速度的概念。伽利略首先運(yùn)用從一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)得出的佯繆入手，對(duì)亞里士多德落體學(xué)說(shuō)提出了反駁。根據(jù)亞里士多德的論斷，一塊大石頭的下落速度要比一塊小石頭的下落速度大。假定大石頭的下落速度為8，小石頭的下落速度為4，當(dāng)我們把兩塊石頭拴在一起時(shí)，下落快的會(huì)被下落慢的拖著而減慢，下落慢的會(huì)被下落快的拖著而加快，結(jié)果整個(gè)系統(tǒng)的下落速度應(yīng)該小于8。但是兩塊石頭拴在一起，加起來(lái)比大石頭還要重，因此重物體的下落速度比輕物體都小。這樣，就從重物體比輕物體下落得快的假設(shè)，推出了重物體比輕物體下落得慢的結(jié)論，從而在邏輯上證明了亞里士多德的學(xué)說(shuō)是錯(cuò)誤的。伽利略著名的斜面實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)自由落體運(yùn)動(dòng)符合他所提出的勻加速運(yùn)動(dòng)的定義。自由落體下落的時(shí)間太短，當(dāng)時(shí)用實(shí)驗(yàn)直接驗(yàn)證自由落體是勻加速運(yùn)動(dòng)仍有困難，伽利略采用了間接驗(yàn)證的方法，他讓一個(gè)銅球從阻力很小的斜面上滾下，做了上百次的實(shí)驗(yàn)，小球在斜面上運(yùn)動(dòng)的加速度要比它豎直下落時(shí)的加速度小得多，所以時(shí)間容易測(cè)量些。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光滑斜面的傾角保持不變，從不同位置讓小球滾下，小球通過(guò)的位移跟所用時(shí)間的平方之比是不變的即位移與時(shí)間的平方呈正比。由此證明了小球沿光滑斜面向下的運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)，換用不同質(zhì)量的小球重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，位移跟所用時(shí)間的平方的比值仍不變，這說(shuō)明不同質(zhì)量的小球沿同一傾角的斜面所做的勻變速直線運(yùn)動(dòng)的情況是相同的，即加速度與物體的重量無(wú)關(guān)。伽利略從單擺實(shí)驗(yàn)和對(duì)接斜面的理想實(shí)驗(yàn)中，提出了慣性的概念。根據(jù)亞里士多德的物理學(xué)，保持物體勻速運(yùn)動(dòng)的力是持久的。但是，伽利略從小球在水平面上運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)推測(cè)，如果沒(méi)有摩擦力等阻力的作用，小球?qū)⒈３謩蛩龠\(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)了初步的慣性定律。伽利略把觀察和實(shí)驗(yàn)作為科學(xué)研究的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。他在研究工作中，采取了下面一個(gè)對(duì)近代科學(xué)發(fā)展很有效的研究方法：對(duì)現(xiàn)象的一般觀察→提出工作假想→運(yùn)用數(shù)學(xué)和邏輯的手段得出特殊結(jié)論→通過(guò)物理的或理想的實(shí)驗(yàn)對(duì)推論進(jìn)行驗(yàn)證→對(duì)假設(shè)進(jìn)行修正和推廣。伽利略所創(chuàng)設(shè)的實(shí)驗(yàn)方法、嚴(yán)格的邏輯與數(shù)學(xué)推理方法，對(duì)后世新科學(xué)思想的發(fā)展有著深刻的影響。1.3牛頓的經(jīng)典力學(xué)體系——經(jīng)典力學(xué)大廈的構(gòu)成牛頓作為經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)設(shè)者，他自稱“自己是站在了巨人的肩上”，牛頓三大力學(xué)定律以及萬(wàn)有引力定律的問(wèn)世，標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)的大廈已經(jīng)完全構(gòu)成。牛頓第一定律（慣性定律），“物體在不受外力或所受外力之和為零時(shí)總保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”，看似簡(jiǎn)單的一段話，其產(chǎn)生卻經(jīng)歷了一個(gè)曲折的過(guò)程。亞里士多德“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”是最早關(guān)于力和運(yùn)動(dòng)的描述，之后伽利略通過(guò)磨擦力的提出糾正了這一錯(cuò)誤觀點(diǎn)，指出“力不是維持物體運(yùn)動(dòng)之原因，而是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之原因”，牛頓在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步地總結(jié)概括，得出了牛頓第一定律，不能否認(rèn)是科學(xué)史上的一大進(jìn)步和成就。從牛頓第一定律我們可以看到，力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的根源，物體本來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是和諧的，要么靜止，要么保持勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是力改變了物體本來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，致使我們現(xiàn)在物質(zhì)世界的運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜多變。不得不說(shuō)，牛頓第一定律是對(duì)力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系最為科學(xué)的揭示。牛頓第二定律進(jìn)一步將動(dòng)力學(xué)理論做了推進(jìn)，“物體的加速度跟所受合力成正比，跟其質(zhì)量成反比，即：（1）在揭示動(dòng)力學(xué)規(guī)律這一方面，或許我們可以將牛頓第二定律表述為“物體所受合外力等于其動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率，即：（2）（2）式在表現(xiàn)動(dòng)力學(xué)規(guī)律方面或許更為直觀，因?yàn)閯?dòng)量（P）是描述運(yùn)動(dòng)學(xué)的物理量，而合外力（F）是力學(xué)的一個(gè)基本量，將力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)聯(lián)系起來(lái)，此公式達(dá)到了近乎完美的境地。牛頓第三定律所揭示的，是自然界最為平常的“相互作用力”，力既是物體間的一種相互作用，那么勢(shì)必就有“作用力”與“反作用力”，在揭示力“是物體間的一種相互作用”這一規(guī)律上，其既簡(jiǎn)單又具體。在中學(xué)階段，我們簡(jiǎn)單地說(shuō)“力是物體間的一種相互作用”或許對(duì)于剛要入門的中學(xué)生來(lái)說(shuō)要理解其要義并非易事，但只要說(shuō)出作用力與反作用力，學(xué)生的腦子里一下子就有了具體而實(shí)在的東西，因此，牛頓第三定律無(wú)疑是整個(gè)力學(xué)的基礎(chǔ)。說(shuō)起牛頓，我們自然不能忘了其“萬(wàn)有引力定律”，從蘋果落地到萬(wàn)有引力定律的提出，牛頓的一生不可謂不是傳奇。萬(wàn)有引力定律揭示了自然界一種最為基本的相互作用，即其指出：自然界的一切物體之間都存在著相互吸引之作用，引力大小遵從平方反比律。即:（3）我們說(shuō)萬(wàn)有引力定律的提出本身是一種偉大，是因?yàn)樗屛覀冋J(rèn)識(shí)到，我們生活在這個(gè)宇宙之中，并不是獨(dú)立的，而是互相發(fā)生著作用，而我們之所以意識(shí)不到這種作用，是因?yàn)橐χ笮”旧硎怯少|(zhì)量之大小決定的，這就是：地月系之中，月球雖大但其仍圍繞著地球運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)系之中，諸行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)而不會(huì)逃逸，而我們卻怎么也無(wú)法將一個(gè)輕小物體吸引住的根源。經(jīng)典力學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展，無(wú)疑推動(dòng)了人類文明的進(jìn)程。從亞里士多德到伽利略，從伽利略到牛頓，每一位科學(xué)家的誕生與隕落，都是自然科學(xué)史上的一次“風(fēng)暴”，其對(duì)科學(xué)的貢獻(xiàn)，我們應(yīng)銘記之。2.經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的發(fā)展與主要理論2.1早期的靜電學(xué)與靜磁學(xué)理論由于電磁現(xiàn)象本身比較抽象，早期人類對(duì)電磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，總是將其區(qū)別開(kāi)來(lái)，即最初人類認(rèn)為電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象是互無(wú)關(guān)系的。人類最先對(duì)電現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，莫過(guò)于發(fā)現(xiàn)了靜電荷的“同性相斥，異性相吸”的基本規(guī)律。從摩擦起電到此規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，全然是對(duì)實(shí)踐的總結(jié)。直到庫(kù)侖定律的提出，對(duì)電現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)才介入到了理論的階段。庫(kù)侖定律本身具有與牛頓的萬(wàn)有引力定律相同的數(shù)學(xué)形式，兩定律所不同的，是萬(wàn)有引力定律中的“力”是引力，而庫(kù)侖定律中的“力”既有引力又有斥力。兩定律均具有平方反比的形式，正說(shuō)明了物理規(guī)律的數(shù)學(xué)美。（4）對(duì)靜電學(xué)具有全面認(rèn)識(shí)的，或者說(shuō)打開(kāi)靜電學(xué)理論大門的，是靜電場(chǎng)的高斯（Gauss）定理。下面我們就來(lái)具體認(rèn)識(shí)一下高斯定理。（5）或（6）上式便是高斯定理的數(shù)學(xué)形式。用物理語(yǔ)言來(lái)描述，便是“空間閉合區(qū)域里的電通量是該區(qū)域內(nèi)包含電荷的代數(shù)和”，高斯定理揭示了“電荷是電場(chǎng)的源，即電場(chǎng)由電荷激發(fā)產(chǎn)生”。高斯定理在揭示電場(chǎng)的有源性這一方面，無(wú)疑是一個(gè)偉大的成就。在靜電學(xué)理論中，其重要性不亞于高斯定理的一個(gè)理論，應(yīng)是靜電勢(shì)的拉普拉斯（Laplace）方程。（7）式中為靜電勢(shì)，它是一個(gè)標(biāo)量函數(shù)，拉普拉斯方程揭示了靜電場(chǎng)的無(wú)旋性，至此，靜電場(chǎng)的基本規(guī)律已全部把握，即人們得出：靜電場(chǎng)是一個(gè)有源無(wú)旋場(chǎng)。由于靜磁場(chǎng)與靜電場(chǎng)規(guī)律的相似性，人們同樣得出了靜磁場(chǎng)的相關(guān)方程，這里不再贅述。值得注意的是，靜磁場(chǎng)是一個(gè)“有旋無(wú)源場(chǎng)”。2.2從奧斯特到法拉第——人類將電磁現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)了最初的人們，認(rèn)為電磁現(xiàn)象是毫無(wú)關(guān)系的，是彼此孤立的的兩類現(xiàn)象。直到奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，人們才初步認(rèn)識(shí)到電、磁原來(lái)是可以相互感生的。奧斯特為證實(shí)自己的發(fā)現(xiàn)，做了大量的實(shí)驗(yàn)。他將一個(gè)小磁針置于通電導(dǎo)線附近，發(fā)現(xiàn)了小磁針的偏轉(zhuǎn)，由此他斷定，電磁現(xiàn)象之間是有聯(lián)系的。后來(lái)人們進(jìn)一步證實(shí)了他的觀點(diǎn)。進(jìn)一步揭示電磁現(xiàn)象之間聯(lián)系規(guī)律的，是法拉第（Faraday），法拉第是一位偉大的科學(xué)家，他發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)定律是電動(dòng)力學(xué)史上料不起的成就。下面我們來(lái)共同看看其發(fā)現(xiàn)過(guò)程。在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象之前，他也有著許多的錯(cuò)誤的指導(dǎo)思想。法拉第就曾經(jīng)這樣認(rèn)為：既然磁鐵可以使鄰居的鐵礦感應(yīng)上磁，靜電荷也可以使臨近的導(dǎo)體中感應(yīng)出電荷，那么電流也可以使臨近的線圈中感應(yīng)出電流。雖然這種指導(dǎo)思想的錯(cuò)誤，但是他本著磁能生電的信念，在他發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的六年前的日記中就寫下了他偉大光輝的思想：“磁能轉(zhuǎn)化電”。并且開(kāi)始使用了“感應(yīng)”這個(gè)詞?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)總是這樣，只有經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次的失敗才能換來(lái)最后的成功。法拉第在經(jīng)歷了多次失敗之后，不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)思想跟實(shí)驗(yàn)設(shè)施，終于得出了驚世駭俗的電磁感應(yīng)定律，用數(shù)學(xué)公式可表示為：（8）或（9）即：“感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小等于磁通量對(duì)時(shí)間的變化率?！彪姶鸥袘?yīng)定律的發(fā)現(xiàn)，徹底開(kāi)啟了將電磁現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)的的大門。也為后來(lái)經(jīng)典麥克斯韋（Maxwell）理論的創(chuàng)設(shè)奠定了基礎(chǔ)。2.3麥克斯韋方程組——經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的骨架麥克斯韋（Maxwell）經(jīng)典的電磁理論，基本涵蓋了整個(gè)電動(dòng)力學(xué)的全部?jī)?nèi)容，他將所有的電磁學(xué)規(guī)律用簡(jiǎn)單的幾個(gè)數(shù)學(xué)方程來(lái)表示，既對(duì)稱又美觀，那么，我們就來(lái)具體了解一下麥克斯韋方程建立的過(guò)程。2.3.1位移電流的提出——變化的電場(chǎng)激發(fā)磁場(chǎng)由法拉第電磁感應(yīng)定律我們知道，變化的磁場(chǎng)可以激發(fā)電場(chǎng)，那么變化的電場(chǎng)能否激發(fā)磁場(chǎng)呢？答案是肯定的，這便是麥克斯韋的位移電流假說(shuō)。在恒定電流中我們知道，電位移矢量的散度是等于零的，即電流恒定分布于閉合回路之中，只要電路一斷開(kāi)，電流分布馬上消失，這是我們熟知的事實(shí)。（10）但對(duì)于交變電流，我們據(jù)電荷守恒定律，很容易得到：

（11）（11）式試電荷守恒定律的微分形式，是一般普遍的規(guī)律，對(duì)于恒定電流情況，也同樣適用。根據(jù)磁場(chǎng)相關(guān)理論，我們又知道：（12）兩邊取散度，得到：（13）（13）式與電荷守恒定律發(fā)生矛盾，即其只有在恒定電流之情況下才成立，那么，誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)？當(dāng)然是電荷守恒定律正確了，那么，我們就需要對(duì)（12）式進(jìn)行改進(jìn)。麥克斯韋假定，兩帶電機(jī)極板間存在著“位移電流”,它和電流一起構(gòu)成閉合回路，既滿足：（14）并假設(shè)和一樣產(chǎn)生磁效應(yīng)，則（12）式可修正為：

（15）此式兩邊再取散度，都等于零，理論上不再有矛盾。再根據(jù)相關(guān)理論，我們就可以得到位移電流的表達(dá)式為：

（16）（16）式的正確性已由無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)所證實(shí)，已成為經(jīng)典電磁場(chǎng)的基本理論。2.3.2麥克斯韋方程組至此，我們已基本構(gòu)建了經(jīng)典電磁理論的基本框架，麥克斯韋總結(jié)概括了相關(guān)理論，得出了麥克斯韋方程組。微分形式： （17）積分形式：（18）上式便是麥克斯韋（Maxwell）方程組的微分與積分形式，乃經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論的核心部分。麥克斯韋方程組的建立，也就標(biāo)志著經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論的完成。3.經(jīng)典熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理的產(chǎn)生與發(fā)展經(jīng)典熱力學(xué)的發(fā)展歷是人類對(duì)熱的本質(zhì)及能量轉(zhuǎn)換規(guī)律的認(rèn)識(shí)、掌握和運(yùn)用的歷史。經(jīng)典熱力學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的唯象的宏觀理論，具有高度的可靠性和普遍性。它研究的內(nèi)容決定物理、化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向和限度，對(duì)于化工生產(chǎn)的發(fā)展意義重大。經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理理論則是人類研究微觀粒子的一般理論，從玻爾茲曼（Boltsman）統(tǒng)計(jì)到玻色（Bose）費(fèi)米（Fermi）統(tǒng)計(jì)，是人類對(duì)微觀世界認(rèn)識(shí)不斷深入的體現(xiàn)。自從學(xué)習(xí)了統(tǒng)計(jì)物理的相關(guān)理論后，我們知道：定域系統(tǒng)和滿足經(jīng)典極限條件的玻色費(fèi)米系統(tǒng)，均服從玻爾茲曼的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，因此說(shuō)，玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)是整個(gè)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的基礎(chǔ)。在這部分，我將分別就熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的相關(guān)知識(shí)加以簡(jiǎn)要介紹。3.1熱力學(xué)的萌芽與發(fā)展熱現(xiàn)象是人類最早接觸到的自然現(xiàn)象之一。人類在遠(yuǎn)古時(shí)代就有冷熱差別的概念，并且知道如何利用摩擦、燃燒、爆炸等熱現(xiàn)象，來(lái)達(dá)到生產(chǎn)和生活的目的。例如，中國(guó)古代燧人氏的鉆，煉金術(shù)和煉丹術(shù)，火藥的發(fā)明，以及早期的爆竹、火銃等。大約在公元前300年，戰(zhàn)國(guó)時(shí)代的騶衍提出五行說(shuō)，認(rèn)為天地之間都是由水、火、土、金和木組成。其中火與熱有緊密的聯(lián)系。這個(gè)學(xué)說(shuō)與古希臘的四元素說(shuō)很相似。四元素說(shuō)是紀(jì)元前500年赫喇利突（Heraclitus）提出的。他認(rèn)為火是一種元素，它和水、土、氣一起是自然界的4種獨(dú)立的元素。整個(gè)自然界由這四種元素組成。18世紀(jì)以前，這類“熱質(zhì)說(shuō)”，即認(rèn)為熱也是一種物質(zhì)組成元素的說(shuō)法，是占據(jù)主導(dǎo)地位的。當(dāng)時(shí)古希臘的另一種學(xué)說(shuō)熱的運(yùn)動(dòng)說(shuō)或能量說(shuō)，是根據(jù)摩擦生熱的現(xiàn)象提出來(lái)的，它與“熱質(zhì)說(shuō)”相對(duì)立。它認(rèn)為火是一種運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)形式，見(jiàn)于柏拉圖的“對(duì)話”。這個(gè)學(xué)說(shuō)埋沒(méi)了約二千年之久，到十七世紀(jì)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)科學(xué)開(kāi)始發(fā)展時(shí)期，得到了一些哲學(xué)家和科學(xué)家的支持，其中表達(dá)的特別明確的是培根，他根據(jù)摩擦生熱現(xiàn)象認(rèn)為熱是物體微小粒子的運(yùn)動(dòng)。因當(dāng)時(shí)科學(xué)發(fā)展落后，這兩個(gè)學(xué)說(shuō)到底哪一個(gè)是正確的，暫時(shí)還不能作出論斷。這一時(shí)期人們對(duì)熱現(xiàn)象還沒(méi)有任何實(shí)質(zhì)性的解釋。人們對(duì)熱現(xiàn)象及熱的本質(zhì)認(rèn)識(shí)，經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)而曲折的探索過(guò)程。3.1.1人類早期對(duì)熱的認(rèn)識(shí)——熱質(zhì)說(shuō)與熱的運(yùn)動(dòng)說(shuō)溫度的定量測(cè)定，對(duì)于熱現(xiàn)象的研究是至關(guān)重要的。在17世紀(jì)，雖然有些科學(xué)家對(duì)溫度的測(cè)定及溫標(biāo)的建立，做出了不同程度的貢獻(xiàn)，提供了有益的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。但是，由于沒(méi)有共同的測(cè)溫基準(zhǔn)，沒(méi)有一致的分度規(guī)則，缺乏測(cè)溫物質(zhì)的測(cè)溫特性資料，以及沒(méi)有正確的理論指導(dǎo)，因此，在整個(gè)17世紀(jì)中，并沒(méi)有制作出復(fù)現(xiàn)性好、可供正確測(cè)量的溫度計(jì)及溫標(biāo)。在18世紀(jì)，“測(cè)溫學(xué)”有較大的突破。其中最有價(jià)值的是，1714年法倫海脫所建立的華氏溫標(biāo)，以及1742年攝爾修斯所建立的攝氏溫標(biāo)（即百分溫標(biāo)）。18世紀(jì)，勃拉克借助于溫度計(jì)的使用，把熱量和溫度這兩個(gè)基本概念做出明確的區(qū)分。但是上述工作并沒(méi)有解決熱的本質(zhì)是什么的疑問(wèn)。隨著熱學(xué)的發(fā)展，人們開(kāi)始提出熱的本質(zhì)是什么。關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，歷來(lái)有兩種不同的觀點(diǎn)。一種是熱的物質(zhì)說(shuō)，另一種是熱的運(yùn)動(dòng)說(shuō)。主張熱的運(yùn)動(dòng)說(shuō)的人認(rèn)為，熱是物質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng);主張熱質(zhì)說(shuō)的人認(rèn)為，熱是一種特殊形態(tài)的沒(méi)有重量的“物質(zhì)”，當(dāng)熱質(zhì)進(jìn)入物質(zhì)后物體會(huì)變熱。當(dāng)時(shí)人們對(duì)自然的認(rèn)識(shí)還是“實(shí)物粒子”的圖景，因此熱質(zhì)說(shuō)很容易被人們接受。18世紀(jì)，熱質(zhì)說(shuō)在法國(guó)很流行，得到了當(dāng)時(shí)眾多名人的支持。例如，拉瓦錫、傅里葉、拉普拉斯等。但是在同時(shí)代的歐洲，英國(guó)的波義耳、牛頓及洛克等著名學(xué)者則支持熱的運(yùn)動(dòng)說(shuō)。俄國(guó)的羅蒙諾索夫討論冷熱原因的論文中，比較詳細(xì)地闡述了熱的運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)，認(rèn)為熱是分子運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)。1798年，倫福特的著名的炮筒鏜孔摩擦生熱的實(shí)驗(yàn)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接駁斥了“熱質(zhì)說(shuō)”，同年他發(fā)表了一篇論文，說(shuō)明制造槍炮時(shí)能不斷地產(chǎn)生溫度很高的切削碎片，表明熱能夠不斷地產(chǎn)生出來(lái)，或者說(shuō)熱可以從機(jī)械能轉(zhuǎn)化得到。他還把金屬浸在水中鉆孔，機(jī)械摩擦產(chǎn)生的熱可以使水沸騰。倫福特甚至估計(jì)出產(chǎn)生1cal熱時(shí)需要5.5J的機(jī)械能。因此他認(rèn)為熱不可能是一種物質(zhì)而只能是一種運(yùn)動(dòng)。1799年，戴維進(jìn)一步用實(shí)驗(yàn)支持熱的運(yùn)動(dòng)說(shuō)。他的冰塊摩擦融化實(shí)驗(yàn)無(wú)法用熱質(zhì)說(shuō)解釋，從而有力地批駁了“熱質(zhì)說(shuō)”。熱運(yùn)動(dòng)說(shuō)和熱質(zhì)說(shuō)這兩種觀點(diǎn)經(jīng)歷了相互更替的曲折的歷史演變，熱究竟是在各個(gè)物體之間流動(dòng)的一種不可摧毀的物質(zhì)，還是微觀運(yùn)動(dòng)的一種表現(xiàn)形式。直到19世紀(jì)中葉，焦耳計(jì)算出熱功當(dāng)量的數(shù)值并公布了他的研究結(jié)果，此時(shí)能量守恒定律才得以真正確立。相應(yīng)地，熱質(zhì)說(shuō)也就完全退出了科學(xué)的歷史舞臺(tái)。這時(shí)關(guān)于熱的本質(zhì)才得出了明確的具體的結(jié)論:熱是微觀運(yùn)動(dòng)和能量的一種表現(xiàn)形式，并且和能量的其他形式之間可以相互轉(zhuǎn)化。3.1.2熱力學(xué)第一定律建立與內(nèi)容早在1842年初格羅夫就已經(jīng)從基本的自然現(xiàn)象及其相互作用中，清楚地認(rèn)識(shí)到他們之間轉(zhuǎn)化和守恒的關(guān)系，并獨(dú)立提出存在“當(dāng)量”關(guān)系。只是他預(yù)見(jiàn)到建立當(dāng)量關(guān)系在實(shí)驗(yàn)上存在的巨大困難，因此他并未找出其定量的數(shù)值。丹麥工程師科爾丁受到莫斯特的電轉(zhuǎn)化為磁實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，對(duì)機(jī)械功與熱的相互轉(zhuǎn)化問(wèn)題進(jìn)行測(cè)量與計(jì)算。1843年他向哥本哈根科學(xué)院提交了一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告，闡述了他的能量轉(zhuǎn)化守恒思想，并演示他的測(cè)定熱功當(dāng)量的實(shí)驗(yàn)。他的能量守恒思想比起同時(shí)代的其他研究者來(lái)說(shuō)，帶有幻想色彩。上面提到的這些能量守恒定律的早期探索者大多是由于主客觀條件的限制，從各種基本自然現(xiàn)象及其相互關(guān)系的定性觀察和思考中，發(fā)展了能量守恒思想。他們之中，也曾有人做過(guò)個(gè)別的單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，有的則是運(yùn)用已有的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行推理和計(jì)算，但都沒(méi)有得出比較明確的具體的結(jié)果，只能說(shuō)是各自孤立地做過(guò)一些有益的嘗試與探索。因此，他們的工作可以說(shuō)是對(duì)于能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)鋪墊道路。對(duì)與能量守恒定律做出關(guān)鍵性貢獻(xiàn)的人是邁爾與焦耳。邁爾首次發(fā)表論文闡述了能量守恒定律的內(nèi)容，他的論文的主導(dǎo)思想是:果必有因，因必有果，因與果是等當(dāng)?shù)?。但是他的論文?dāng)時(shí)并沒(méi)有引起物理學(xué)界的重視。能量守恒定律得到物理學(xué)界公認(rèn)是在焦耳的實(shí)驗(yàn)工作發(fā)表以后。焦耳在證明熱功當(dāng)量的工作過(guò)程中，做過(guò)多種實(shí)驗(yàn)。他的各種精確實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性，給予能量轉(zhuǎn)化和守恒定律以無(wú)可辯駁的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，這個(gè)時(shí)候可以認(rèn)為熱力學(xué)第一定律已經(jīng)完全建立了。熱力學(xué)第一定律也稱為能量守恒定律，即：能量既不能創(chuàng)生，也不能消滅，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在這些過(guò)程中，其總量保持不變。用數(shù)學(xué)公式可表示為：（19）即物體內(nèi)能的增量等于從外界吸收的熱量與對(duì)外做功的代數(shù)和。3.1.3熱力學(xué)第二定律的建立與內(nèi)容18世紀(jì)下半葉，瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)。蒸汽機(jī)在工業(yè)上的廣泛使用，促進(jìn)了工業(yè)的發(fā)展，同時(shí)推動(dòng)了整個(gè)歐洲的工業(yè)革命。工業(yè)界對(duì)熱機(jī)效率改進(jìn)的追求也浮出水面。在這種大背景下，研究熱機(jī)最大效率的工作已經(jīng)顯得十分必要了。1824年，卡諾發(fā)表了他一生中唯一的一篇不朽的著作《關(guān)于熱動(dòng)力以及熱動(dòng)力機(jī)的考察》，系統(tǒng)地探討了熱機(jī)工作的本質(zhì)，在理論上闡明了提高熱機(jī)效率的根本途徑。他用錯(cuò)誤的“熱質(zhì)說(shuō)”論據(jù)得出了正確的卡諾定理。指出了熱功轉(zhuǎn)換的條件及熱效率的最高理論限度，為熱力學(xué)第二定律的建立奠定了基礎(chǔ)。卡諾去世后第二年，克拉珀瓏發(fā)現(xiàn)并閱讀了卡諾的著作，認(rèn)識(shí)到這一工作的重要性。1834年克拉珀瓏發(fā)表了《關(guān)于熱動(dòng)力備忘錄》，轉(zhuǎn)述并總結(jié)了卡諾的主要工作，并對(duì)卡諾循環(huán)進(jìn)行了描述?？死戥嚨恼撐暮髞?lái)被開(kāi)爾文看到。1850年克勞修斯在克拉珀瓏和開(kāi)爾文的基礎(chǔ)上把卡諾循環(huán)推廣到任意循環(huán)過(guò)程?？藙谛匏购烷_(kāi)爾文分別在1850年和1851年發(fā)表了各自對(duì)熱力學(xué)第二定律的表述，至此，熱力學(xué)第二定律已經(jīng)基本建立了。熱力學(xué)第二定律指出了自然界一切自發(fā)熱運(yùn)動(dòng)過(guò)程的方向性，即，一切自發(fā)的熱運(yùn)動(dòng)過(guò)程，總是朝著熵增加的方向進(jìn)行的，若將宇宙視為一個(gè)孤立系統(tǒng)，則其熵總是在不斷增加，宇宙最終的狀態(tài)，應(yīng)是一個(gè)平衡態(tài)，屆時(shí)，其熵達(dá)到了極大值。熱力學(xué)第二定律有兩種經(jīng)典的表述，一種是開(kāi)爾文表述：不可能從單一熱源吸熱使之全部變成有用的功而不引起其他變化。另一種是克勞修斯表述：不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。兩種表述完全等價(jià)，統(tǒng)一于熵增加原理。3.1.4熱力學(xué)第三定律的建立熱力學(xué)第一、二定律產(chǎn)生于物理學(xué)，也只能產(chǎn)生于物理學(xué)。但是，在當(dāng)時(shí)的背景下熱力學(xué)第三定律卻產(chǎn)生于化學(xué)，確切地說(shuō)產(chǎn)生于物理化學(xué)中的熱化學(xué)，但這并不是偶然的。因?yàn)橹挥性跓峄瘜W(xué)的實(shí)驗(yàn)和理論發(fā)展到認(rèn)識(shí)了化學(xué)反應(yīng)中自由能和總能并不相等，并且它們隨溫度的變化趨向在接近絕對(duì)零度時(shí)趨于相等并能確定積分常數(shù)時(shí)，才可能作為一個(gè)假設(shè)提出來(lái)。熱力學(xué)第三定律是闡述在絕對(duì)零度及其附近時(shí)物質(zhì)的熱力學(xué)及與之有關(guān)的性質(zhì)和基本規(guī)律。德國(guó)化學(xué)家霍爾斯特曼開(kāi)創(chuàng)了用熱力學(xué)第二定律處理化學(xué)反應(yīng)的先河，他在1869—1873年間明確地用計(jì)算成功證明了熱力學(xué)在化學(xué)反應(yīng)中的作用。1848年6月5日，開(kāi)耳芬勛爵在劍橋大學(xué)哲學(xué)學(xué)會(huì)的議事錄上發(fā)表了《在卡諾熱動(dòng)力理論基