熱力學(xué)三個定律的形成史,熱力學(xué)論文

熱力學(xué)三個定律的形成史,熱力學(xué)論文熱力學(xué)是熱學(xué)理論的一個方面。熱力學(xué)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。熱力學(xué)是總結(jié)物質(zhì)的宏觀現(xiàn)象而得到的熱學(xué)理論，不牽涉物質(zhì)的微觀構(gòu)造和微觀粒子的互相作用。因而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(xué)三定律是熱力學(xué)的基本理論。1熱力學(xué)第一定律1.1熱力學(xué)第一定律概述能量守恒與轉(zhuǎn)換定律是自然界最普遍、最基本的規(guī)律之一。自然界中的一切物質(zhì)都具有能力，能量有各種不同的形式，這種不同形式的能量都能夠轉(zhuǎn)移〔從一個物體傳遞到另一個物體〕，可以以互相轉(zhuǎn)換〔從一種能量形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N能量形式〕，但在轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)換經(jīng)過中，它們的總量保持不變。這一規(guī)律成為能量守恒與轉(zhuǎn)換定律。能量守恒與轉(zhuǎn)換定律應(yīng)用在熱力學(xué)中，或者講應(yīng)用在伴有熱效應(yīng)的各種經(jīng)過中，便是熱力學(xué)第一定律。熱力學(xué)第一定律是人類在實踐中積累的經(jīng)歷體驗總結(jié)，它的發(fā)現(xiàn)和建立，打破了人們企圖制造一種能夠不消耗能量而能連續(xù)做功的永動機。因而，熱力學(xué)第一定律可以以表述為：第一類永動機是造不出來的[1].其基本公式能夠表述為公式〔1〕，它表示清楚向系統(tǒng)輸入的熱量Q,等于質(zhì)量為m的流體流經(jīng)系統(tǒng)前后焓H的增量、動能v的增量以及系統(tǒng)向外界輸出的機械功W之和。1.2熱力學(xué)第一定律構(gòu)成史1.2.1羅伯特邁爾熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律有著極其密切的關(guān)系。德國物理學(xué)家、醫(yī)生邁爾發(fā)現(xiàn)體力和體熱來源于食物中所含的化學(xué)能，提出假如動物體能的輸入同支出是平衡的，所有這些形式的能在量上就必定守恒。他由此遭到啟發(fā)，去探尋求索熱和機械功的關(guān)系。1842年他發(fā)表了(論無機性質(zhì)的力〕的論文，表述了物理、化學(xué)經(jīng)過中各種力〔能〕的轉(zhuǎn)化和守恒的思想。邁爾是歷史上第一個提出能量守恒定律并計算出熱功當(dāng)量的人。1.2.2焦耳英國科學(xué)家焦耳〔J.P.Joule,1818-1889〕關(guān)于熱功當(dāng)量的測定，為最終確立熱力學(xué)第一定律奠定了堅實的實驗基礎(chǔ)。1850年，焦耳在他的(論熱功當(dāng)量〕的論文中，已經(jīng)將熱功當(dāng)量值總結(jié)為：以水做實驗為773石4磅/卡〔424千克米/千卡〕，以水銀作實驗為776.30磅/卡〔425.77千克米/千卡〕，后來又經(jīng)過一系列極為精到準(zhǔn)確的實驗，焦耳又將J值確定為423.85千克米/千卡〔4.153焦耳/卡〕，這已和當(dāng)代精到準(zhǔn)確實驗極為接近了。他和邁爾分別從不同的方面和不同的途徑到達了對能量轉(zhuǎn)化與守恒的證明。1.2.3亥姆霍茲德國物理學(xué)家亥姆霍茲從多方面論證了能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，華而不實最主要的是從否認永動機的存在這一途徑來完成的。1842年，他在關(guān)于(力的守恒〕的論文中，就闡述了他的能量轉(zhuǎn)化與守恒的基本思想，論證了活力與張力之和是一個常數(shù)，稱之為力的守恒原理,并把這種力的保守性同永動機之不可能聯(lián)絡(luò)起來。他的這一工作從理論上對能量守恒原理作出了重要概括。2熱力學(xué)第二定律2.1熱力學(xué)第二定律概述熱力學(xué)第二定律有兩種表述，第一種是不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化,另一種為不可能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓?，即第二類永動機是造不出來的[2].其基本公式能夠表述為公式〔2〕，式中，對不可逆經(jīng)過應(yīng)取用不等號，Q指系統(tǒng)實際經(jīng)過熱，T指環(huán)境溫度，對可逆經(jīng)過應(yīng)取用等號，Q指可逆經(jīng)過熱，T為系統(tǒng)溫度。2.2熱力學(xué)第二定律構(gòu)成史十八、十九世紀(jì)，由于科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，蒸氣機在英國煤礦業(yè)得到了普遍的使用，這同時給物理學(xué)家提出了很多急待解決的理論問題，比方：熱現(xiàn)象的產(chǎn)生原理、提高熱機效率的方式方法、熱機效率上限的存在與否、永動機的存在與否等等。正式提出熱力學(xué)第二定律的是英國物理學(xué)家湯姆遜開爾文〔WilliamThomson,1524-1907〕和德國物理學(xué)家克勞修斯在研究熱現(xiàn)象的經(jīng)過中，發(fā)現(xiàn)按能量守恒與轉(zhuǎn)化定律，于是開爾文提出了不可能從單一熱源汲取熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓?，而不產(chǎn)生其它影響.而克勞修斯在提出熱力學(xué)第二定律的表述后，于1854年發(fā)表了題為論熱的機械理論的第二定律的變化了的形式論文，文中對熱力學(xué)第二定律又作了補充。至此，經(jīng)過諸多物理學(xué)家的努力，熱力學(xué)第二定律才完好地建立起來。3熱力學(xué)第三定律3.1熱力學(xué)第三定律概述20世紀(jì)初，人們通過對低溫下熱力學(xué)現(xiàn)象的研究，確定了物質(zhì)熵值的零點，逐步建立起了熱力學(xué)第三定律，進而提出了規(guī)定熵的概念，為解決一系列的熱力學(xué)問題提供了極大的方便。熱力學(xué)第三定律能夠準(zhǔn)確簡潔地表述為：0K時，任何完美晶體的熵值為0.可以以表示出為，絕對零度不能到達[3].其公式能夠根據(jù)公式〔3〕來表示，講明G和H隨著T變化，而當(dāng)T趨向于0時，G和H近似相等。3.2熱力學(xué)第三定律構(gòu)成史3.2.1TWRichards1902年，TWRichards研究了低溫下電池反響的△G、△H與溫度的關(guān)系，得出這樣一個結(jié)論：當(dāng)溫度降低時，△G、△H逐步趨于相等。Richards的研究為熱力學(xué)第三定律的提出提供了必要的理論和實驗基礎(chǔ)。3.2.2普朗克1912年，德國人普朗克在能斯特的熱定理基礎(chǔ)上，進一步假設(shè)：0K時，純凝聚體系的熵值為零[4].3.2.3路易斯和蘭德爾1920年，Lewis和Gibson發(fā)現(xiàn)指出普朗克的假設(shè)S〔0k〕=0只適用于完美晶體。由于0K時一些物質(zhì)可能有多種晶體形態(tài)，但華而不實只要完美晶體熵可能為零。普朗克、路易斯和蘭德爾對普朗克假設(shè)作了修正，得出如下講法：假如溫度為0k的每一種元素處于結(jié)晶狀態(tài)的熵值都為零，則一切物質(zhì)的熵值都具有一定的正值，但溫度為0k時其熵值可變?yōu)榱?，對于完美晶體來講確實如此。至此，人們就建立起了比擬完好、準(zhǔn)確的熱力學(xué)第三定律。4結(jié)束語熱力學(xué)三個定律是無數(shù)經(jīng)歷體驗的總結(jié)，至今尚未發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)理論與事實不符合的情形，因而它們具有高度的可靠性。熱力學(xué)理論對一切物質(zhì)系統(tǒng)都適用，具有普遍性的優(yōu)點。這些理論是根據(jù)宏觀現(xiàn)象得出的，因而稱為宏觀理論，也叫唯象理論。熱力學(xué)是熱學(xué)理論的一個方面。熱力學(xué)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。熱力學(xué)基本定律是人類在長期生產(chǎn)經(jīng)歷體驗和科學(xué)實驗的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的，他們雖不能用其他理論方式方法加以證明，但由它們出發(fā)得出的熱力學(xué)關(guān)系及結(jié)論都與事實或經(jīng)歷體驗相符，這有力地講明了熱力學(xué)定律的正確性?？v觀熱力學(xué)定律的發(fā)展史，科學(xué)是一個集觀察、考慮、實驗、總結(jié)、學(xué)習(xí)、于一體的事物，只要以慎重的態(tài)度對待它，才會迎來科學(xué)事業(yè)的飛躍。以下為參考文獻：〔1〕魏蔚，吳建琴，馬曉棟。關(guān)于熱力學(xué)第一定律的講述[J].新疆師范大學(xué)學(xué)報〔自然科學(xué)版〕，2018〔04〕：59-62.〔2〕李復(fù)，高炳坤。熱力學(xué)第二定律理論體系的討論[J].大學(xué)物理，2000〔04〕：19-22.〔3〕祁學(xué)永，畢言鋒。淺談熱力學(xué)第三定律的建