熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的建立

熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的建立第1頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第四章熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的建立熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)都是研究熱現(xiàn)象的理論。在十八世紀(jì)，熱學(xué)就成為物理學(xué)中一個(gè)新發(fā)展起來的領(lǐng)域，它們在生產(chǎn)技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。第2頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)熱機(jī)的發(fā)明和熱現(xiàn)象的

一、蒸汽機(jī)的發(fā)明大約公元一、二世紀(jì)之間，埃及人希龍?jiān)谒鞯摹霸夹u輪”的玩具中就是用蒸汽作為動力的，直到1690年，法國人巴本（公元1647一1712）發(fā)明了第一臺活塞式蒸汽機(jī)。1698年，英國皇家工程隊(duì)的軍事工程師塞維利（公元1650一1715）制造了一個(gè)蒸汽抽水機(jī)。第3頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月一、蒸汽機(jī)的發(fā)明1705年英國鉗工和鐵匠紐可門（公元1663－1729）綜合了塞維利和巴本機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)明了空氣蒸汽機(jī)。英國工程師斯米頓（公元1724－1792）對紐可門機(jī)進(jìn)行了全面研究和改進(jìn)，他改進(jìn)了鍋爐和點(diǎn)火燃燒的方法，使紐可門機(jī)的效率幾乎提高了一倍。

第4頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月一、蒸汽機(jī)的發(fā)明

英國格拉斯哥大學(xué)的儀器修理工瓦特（公元1736－1819），對紐可門機(jī)進(jìn)行了根本性變革。在布萊克的幫助下，瓦特終于在1765年研制成了分離冷凝器，制成了一臺“單動式蒸汽機(jī)”。1782年瓦特又將發(fā)動機(jī)從單動變?yōu)殡p動，可將汽缸的功率提高一倍。1787年，瓦特又安裝了離心式調(diào)速器，以保證發(fā)動機(jī)速度相對穩(wěn)定。這樣瓦特的雙動旋轉(zhuǎn)式蒸汽機(jī)已達(dá)到了近代水平。第5頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、測溫學(xué)的發(fā)展熱現(xiàn)象的定量研究，首先遇到的問題就是確定物體的冷熱程度，即測量物體的溫度。伽利略于1593年制造了第一個(gè)驗(yàn)溫器，試圖把不確定的冷熱感覺轉(zhuǎn)變?yōu)閷ξ矬w熱狀態(tài)的客觀表述。溫度計(jì)的制作和改進(jìn)主要從兩個(gè)方面進(jìn)行，從而也促進(jìn)了對熱現(xiàn)象的研究。第一、為了定出溫標(biāo)，需要確定一些“定點(diǎn)”。第二、找出合適的測溫物質(zhì)，從而促進(jìn)了對物體熱膨脹的研究。第6頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、測溫學(xué)的發(fā)展第一支實(shí)用的溫度計(jì)是荷蘭的吹玻璃工匠華倫海特（公元1686—1736）制成的。從1709年他開始制作一個(gè)酒精溫度計(jì)。在了解到阿蒙頓（公元1663－1705）利用水銀改造了早期的溫度計(jì)后，他也開始制造水銀溫度計(jì)。他把冰水、氨水和鹽的混合物平衡溫度定為00F，冰的熔點(diǎn)定為320F，而人體的溫度定為960F。1724年后，他又把水的沸點(diǎn)劃在2120F上。第7頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、測溫學(xué)的發(fā)展法國博物學(xué)家勒奧默（公元1683一1757）認(rèn)為水銀膨脹系數(shù)小，所以致力于制造酒精溫度計(jì)。為了消除刻度不一致的困難．他只取一個(gè)定點(diǎn)，即雪的熔點(diǎn)為00R，。而把酒精體積改變?yōu)?／1000的溫度變化作為10R。這樣水的沸點(diǎn)就為800R。這種刻度法被稱為勤氏溫標(biāo)。第8頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月攝氏溫標(biāo)瑞典天文學(xué)家攝爾修斯（公元1701—1744）引入的。他用水銀作測質(zhì)，水的沸點(diǎn)定為0℃，冰的熔點(diǎn)定為100℃。八年后，攝爾修斯接受了他的同事施特默爾的建議，把兩個(gè)定點(diǎn)的標(biāo)值對調(diào)過來，最后確立了現(xiàn)在使用的攝氏溫標(biāo)。在英國、美國華氏溫標(biāo)占優(yōu)勢，勒氏溫標(biāo)在德國被普遍使用，在法國攝氏溫標(biāo)占優(yōu)勢。而科學(xué)界普遍采用攝氏溫標(biāo)。第9頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月三、量熱學(xué)的發(fā)展彼得堡科學(xué)院院土里赫曼（公元1711—1753）是量熱學(xué)的奠基人。他認(rèn)為熱量是按體積均勻分配的（后來有人提出熱量按質(zhì)量均勻分配），并取質(zhì)量和溫度的乘積作為熱量的定義，在1744年里赫曼提出里赫曼量熱學(xué)方程。為了測定物體的熱容量，拉瓦錫（公元1743—1794）和拉普拉斯曾設(shè)計(jì)了一個(gè)冰量熱器。約在1783年，他們測定了一些物質(zhì)的比熱，同時(shí)給出了求比熱的公式。他們還發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)的比熱在不同溫度下略有差別。第10頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月四、熱傳導(dǎo)的研究關(guān)于熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的第一規(guī)律，是牛頓發(fā)現(xiàn)的冷卻定律。后經(jīng)杜?。ü?785一1838）和珀替（公元1791－1820）檢驗(yàn)，指出這個(gè)定律只在溫度差較小時(shí)才適用。1822年，法國數(shù)學(xué)家傅立葉（公元1768—1830）出版了著名的《熱的分析理論》一書，詳細(xì)研究了在介質(zhì)中熱流的傳播問題。后來傅立葉進(jìn)一步把這一公式用于導(dǎo)熱物質(zhì)的無限小的體元，得出了更普遍的傳導(dǎo)方程。第11頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月五、關(guān)于熱之本性的研究對熱的本質(zhì)，自古以來有兩種看法。第一，以為熱是一種物質(zhì)，即熱質(zhì)論。波爾哈夫認(rèn)為熱的本源是鉆在物體細(xì)孔中的、具有高度可逆性和貫穿性的物質(zhì)粒子，它們沒有重量，彼此間有排斥性，而且彌漫全宇宙。在熱質(zhì)說觀點(diǎn)的指導(dǎo)下，熱學(xué)研究也取得了很大進(jìn)展。第12頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月五、關(guān)于熱之本性的研究第二，認(rèn)為熱是物體粒子的內(nèi)部運(yùn)動。熱質(zhì)說的成功，使人們相信了熱質(zhì)說是正確的學(xué)說，但是到了十八世紀(jì)末，熱質(zhì)說受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。1798年，英國物理學(xué)家湯普森（即倫福德伯爵，公元1753－1814）在德國進(jìn)行炮膛鉆孔時(shí)，提出了大量的熱是從哪里來的這個(gè)問題。第13頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月五、關(guān)于熱之本性的研究倫福德和戴維的實(shí)驗(yàn)都支持了熱是運(yùn)動的看法，但并沒結(jié)束熱質(zhì)說的歷史。盡管實(shí)驗(yàn)事實(shí)已經(jīng)說明熱是運(yùn)動這一觀點(diǎn)，但是十八世紀(jì)熱質(zhì)說仍然占了上風(fēng)。

第14頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

第二節(jié)能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的確立

一、運(yùn)動不滅思想的發(fā)展與永動機(jī)的失敗對能量守恒原理的具體認(rèn)識，是力學(xué)的研究中開始提出來的，一直被稱為“活力守恒定律”。伽利略、惠更斯、萊布尼茨和D．伯努利等人對這一定律的建立都做出過自己的貢獻(xiàn)。到了十八世紀(jì)后半葉，歐勒已經(jīng)認(rèn)識到，在有心力作用下從一個(gè)定點(diǎn)開始運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)，在它通過任意途徑到達(dá)離輳力中心有同樣距離的任何位置時(shí)，其活力都是相等的。第15頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月一、運(yùn)動不滅思想的發(fā)展與永動機(jī)的失敗人們逐漸形成了“功”和“能”的概念。伽利略將力和路程的乘積稱為“矩”；萊布尼茨根據(jù)落體定律，在機(jī)械運(yùn)動范圍內(nèi)引進(jìn)了“活力”概念?？ㄖZ在他的論文中確立了活力和機(jī)械功之間的關(guān)系，并用重物和升高的高度的乘積來評價(jià)機(jī)器的作用，卡諾把這個(gè)乘積稱為“作用矩”。蒙日（公元1746－1818）把功稱為“動力效應(yīng)”。第16頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月一、運(yùn)動不滅思想的發(fā)展與永動機(jī)的失敗1807年，托馬斯·楊在其《自然哲學(xué)講義》一書中寫道：“在應(yīng)用力學(xué)碰到的幾乎所有情況中，對于運(yùn)動產(chǎn)生所必要的功，并不是與力矩成正比，而是與這個(gè)功所引起的能量成正比”?！皯?yīng)該用能量這一詞來表示物體的質(zhì)量或重量與表示速度的數(shù)的平方的積”。第17頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月一、運(yùn)動不滅思想的發(fā)展與永動機(jī)的失敗在動力學(xué)引進(jìn)的另外的一個(gè)重要概念是“力函數(shù)”或“勢函數(shù)”概念。1738年，D．伯努利首先引進(jìn)了“位勢”概念。1755年，歐勒在流體力學(xué)的研究中，最先引進(jìn)一個(gè)函數(shù)，并得到了位勢理論的“歐勒一拉普拉斯方程”。后來經(jīng)過拉格朗日、拉普拉斯、泊松、格林等人的工作，明確形成了這一概念。1824年，哈密頓也引進(jìn)了“力函數(shù)”以表示只與相互作用著的粒子位置有關(guān)的力，并把后來所說的“勢能”稱為“張力之和”把動能稱為“活力之和”。到了十九世紀(jì)四十年代，“勢”的概念得到了普遍的應(yīng)用。這樣，建立能量原理所需的基本概念大體已具備了。第18頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月一、運(yùn)動不滅思想的發(fā)展與永動機(jī)的失敗“永動機(jī)不能實(shí)現(xiàn)，是導(dǎo)致能量守恒原理的重要因素之一。在十七、十八世紀(jì)，人們曾提出過永動機(jī)的各種各樣的設(shè)計(jì)方案，但是每一種方案都以失敗而告終。于1775年法國科學(xué)院不得不作出決議，聲明不再審理任何關(guān)于永動機(jī)設(shè)計(jì)的方案。

第19頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、各種自然現(xiàn)象之間相互轉(zhuǎn)化的普遍發(fā)現(xiàn)

十八世紀(jì)末，十九世紀(jì)初以來，各種自然現(xiàn)象之間的普遍聯(lián)系相繼被發(fā)現(xiàn)。德國物理學(xué)家塞貝克（公元1780－1831）于1821年實(shí)驗(yàn)的。他發(fā)現(xiàn)在兩種不同的金屬接點(diǎn)處加熱，就會產(chǎn)生電動勢。這就是溫差電現(xiàn)象。1820年，奧斯特關(guān)于電流的磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和1831年法拉第關(guān)于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，使電與磁之間的相互轉(zhuǎn)化完成了循環(huán)。

第20頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、各種自然現(xiàn)象之間相互轉(zhuǎn)化的普遍發(fā)現(xiàn)1834年，法國的珀耳帖（公元1785－1845）發(fā)現(xiàn)了它的逆效應(yīng)。1840年和1842年，焦耳和楞茨分別發(fā)現(xiàn)了電流轉(zhuǎn)化為熱的著名定律，1821年，法拉第制成的“電磁旋轉(zhuǎn)器”則是電流產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動的過程。這就是電與機(jī)械運(yùn)動之間的相互轉(zhuǎn)化。第21頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、各種自然現(xiàn)象之間相互轉(zhuǎn)化的普遍發(fā)現(xiàn)1800年，伏打制成了“伏打電堆”，這是化學(xué)運(yùn)動向電的轉(zhuǎn)化。人們很快就利用伏打電流進(jìn)行電解，又實(shí)現(xiàn)了電運(yùn)動向化學(xué)運(yùn)動的轉(zhuǎn)化。德國化學(xué)家李比希（公元1803－1873）發(fā)現(xiàn)發(fā)酵和腐爛過程中的熱是來源于化學(xué)變化。1840年，彼得堡科學(xué)院的黑斯（公元1802—1850）提出了關(guān)于化學(xué)反應(yīng)中釋放熱量的定律，已經(jīng)接觸到化學(xué)反應(yīng)中的能量守恒原理。第22頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月三、邁爾的工作

1845年，《論有機(jī)運(yùn)動與新陳代謝》，他提出了五種形式的“力”，即“運(yùn)動的力”、“下落力”、“熱”，“電”和“化學(xué)力”，描述了運(yùn)動轉(zhuǎn)化的二十五種情況，否定了熱質(zhì)和其它無重流質(zhì)的結(jié)論。1848年，邁爾又發(fā)表《通俗天體學(xué)》一書，討論了宇宙中的能量循環(huán)，解釋了隕石的發(fā)光是由于它們在大氣中損失了動能，并用能量守恒規(guī)律解釋了潮汐的漲落。1851年，邁爾出版了《論熱的機(jī)械當(dāng)量》一文中，詳細(xì)地闡述了熱功當(dāng)量的計(jì)算。第23頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月四、亥姆霍茲的工作1847年，德國青年科學(xué)家亥姆霍茲（公元1821—1894）提出了《論力的守恒》一文，總結(jié)出以下三點(diǎn)結(jié)論：

l．當(dāng)自然界中的物體在既與時(shí)間無關(guān)、又與速度無關(guān)的吸力和斥力的相互作用下，系統(tǒng)中活力和張力的總和始終不變；所得到的功的最大值就是一個(gè)確定的和有限的。

2．如果物體間作用著與速度和時(shí)間有關(guān)的力，或者作用力的方向與連結(jié)這兩個(gè)物體間的直線不吻合，例如轉(zhuǎn)動力，在這種情況下，力或者會消失，或者會變成無窮大。

3．假如除中心力外還有另外的力，那么自然界的物體就不需要由于另外的原因，而能自動地運(yùn)動起來。

第24頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月五、焦耳對熱功當(dāng)量的測定焦耳（公元1818－1889）是英國物理學(xué)家。1818年12月24日生于英國曼徹斯特附近的索爾福德的一個(gè)啤酒廠廠主家庭，從小喜歡釀酒，努力學(xué)習(xí)化學(xué)和物理。曾跟英國化學(xué)家J．道爾頓學(xué)習(xí)。1840年12月，他在英國皇家學(xué)會上宣讀了關(guān)于電流生熱的論文，提出了電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生熱量的定律；被稱為焦耳—楞茨定律。焦耳的主要貢獻(xiàn)是他鉆研并測定了熱和機(jī)械功之間的當(dāng)量關(guān)系。第25頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月五、焦耳對熱功當(dāng)量的測定1849年6月21日，他通過法拉第把論文《論熱的機(jī)械當(dāng)量》送交皇家學(xué)會。在這篇論文中，焦耳全面地整理了他用摩擦水、水銀和鑄鐵的方法測量熱功當(dāng)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出兩個(gè)重要結(jié)論：第一，由物體的摩擦所產(chǎn)生的熱量總是與消耗的力之量成正比；第二，要使一磅水（在真空中55F一60F時(shí)稱量）的溫度升高1F，需要消耗相當(dāng)于使772磅的重物下落1英尺的機(jī)械力。第26頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月五、焦耳對熱功當(dāng)量的測定1853年，W·湯姆遜重新恢復(fù)了“能量”概念，格拉斯哥的力學(xué)教授蘭金就首先把“力的守恒原理”改稱為“能量守恒原理”。1885年恩格斯首先指出了這種表述的不完善性，他把這個(gè)原理改述為“能量轉(zhuǎn)化與守恒定律”，準(zhǔn)確地反映了這一定律的本質(zhì)內(nèi)容，這一定律很快成為物理學(xué)和全部自然科學(xué)的重要基石。

第27頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)熱力學(xué)第二定律的建立

一、卡諾的熱機(jī)理論

法國年青的工程師薩迪·卡諾（公元1796－1832）首先以普遍理論的形式，研究了“由熱得到運(yùn)動的原理”。1824年，卡諾發(fā)表了《談?wù)劵鸬膭恿湍馨l(fā)動這種動力的機(jī)器》這一論文，總結(jié)了他的研究成果。第28頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月一、卡諾的熱機(jī)理論當(dāng)時(shí)卡諾還信奉熱質(zhì)說，他認(rèn)為蒸汽機(jī)的工作過程總要伴隨熱質(zhì)的流動和重新分布。他把蒸汽機(jī)和原動機(jī)水車相比，得出了一個(gè)正確結(jié)論：“蒸汽機(jī)至少必須工作于一個(gè)高溫?zé)嵩春鸵粋€(gè)低溫?zé)嵩粗g。熱機(jī)的效率僅僅取決于溫度差，而與采用什么工作物質(zhì)無關(guān)”?？ㄖZ根據(jù)熱質(zhì)守恒的思想和永動機(jī)不可能制成的原理，進(jìn)一步證明了這樣一個(gè)結(jié)論：在相同溫度的高溫?zé)嵩春拖嗤瑴囟鹊牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切實(shí)際熱機(jī)其效率不會大于在同樣熱源之間工作的可逆卡諾熱機(jī)的效率。第29頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月一、卡諾的熱機(jī)理論卡諾所構(gòu)思的理想熱機(jī)，雖然不可能造出來，但它卻揭示了熱機(jī)中熱向機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)化的本質(zhì)過程。他的熱機(jī)理論已經(jīng)包含了熱力學(xué)第二定律的基本思想，只是由于受熱質(zhì)說的影響，使他未能徹底認(rèn)清這一工作的意義。直到1834年，法國工程師克拉貝龍（公元1799—1864）的重新研究，才使卡諾的熱機(jī)理論被人們所重視。第30頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、熱力學(xué)溫標(biāo)的建立英國著名物理學(xué)家湯姆遜（公元1824一1907，即開爾文勛爵）提出了一種熱力學(xué)溫標(biāo)。1848年，在《建立在卡諾熱之動力論基礎(chǔ)上和由雷諾的觀察結(jié)果計(jì)算出來的一種絕對溫標(biāo)》的論文中指出，“按照卡諾所確定的動力與熱之間的關(guān)系，在由熱的作用得到的機(jī)械功的數(shù)量關(guān)系中，只包括熱量和溫度間隔的因素；又因?yàn)槲覀冇歇?dú)立的測量熱量的方法，所以就為我們提供了溫度間隔的一個(gè)量度，根據(jù)它可以確定絕對的溫度差。”熱力學(xué)溫標(biāo)每一度都有同樣的數(shù)值，它完全不依賴于任何特殊物質(zhì)的物理性質(zhì)，這種溫標(biāo)稱為絕對溫標(biāo)。第31頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月三、熱力學(xué)第二定律的表述1850年，德國物理學(xué)家克勞修斯（公元1822—1888）在《論熱的動力和由此得出的熱力學(xué)理論的普遍規(guī)律》論文中指出了，為證明在同樣高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g工作的一切熱機(jī)都不可能高于可逆卡諾熱機(jī)的效率，只需依靠熱的一個(gè)一般特性就可以了，這個(gè)特性是：“熱總是表現(xiàn)出這樣的趨勢：它總要從較熱的物體轉(zhuǎn)移到較冷的物體，使存在的溫度差消失而趨于平衡?！苯裉彀阉f成熱不能自動地由低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體上去。這就是熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述。第32頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月三、熱力學(xué)第二定律的表述湯姆遜對熱力學(xué)第二定律的研究幾乎與克勞修斯是同時(shí)進(jìn)行的。1851年，他以《論熱的動力理論》為總題目發(fā)表了三篇論文。命題1（焦耳）：當(dāng)不論借助于什么方法從純粹的熱源得到等量的機(jī)械效應(yīng)，或有等量的機(jī)械效應(yīng)變成純粹的熱效應(yīng)而消失，則有等量的熱消失或產(chǎn)生出來。命題2（卡諾與克勞修斯）：如果有這樣一部機(jī)器，當(dāng)它反過來運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，它的每一部分的物理的和力學(xué)的動作全部逆轉(zhuǎn)過來，那么，它將象具有相同溫度的熱源和冷凝器的任何熱機(jī)一樣，由一定量的熱產(chǎn)生同樣多的機(jī)械效應(yīng)。”第33頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月三、熱力學(xué)第二定律的表述湯姆遜接著說：“第二個(gè)命題建立在下面公理之上，利用無生命物質(zhì)的作用，把物體的任何部分冷卻到比它周圍最冷的客體溫度以下，以產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)，這是不可能的。”這就是熱力學(xué)第二定律的湯姆遜的原始表述。后來表述為：“從單一熱源吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響是不可能的?！币部杀硎鰹椋旱诙愑绖訖C(jī)不可能制成。第34頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月四、熵的增加原理克勞修斯證明了，任何孤立系統(tǒng)，它的熵的總和永遠(yuǎn)不會減少，或者說自然界里的一切自發(fā)過程，總是沿著熵不減小的方向進(jìn)行的，這就是“熵增加原理”，它是利用熵的概念來表示熱力學(xué)第二定律的。第35頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月五、“熱寂說”的錯(cuò)誤湯姆遜和克勞修斯把熵的增加原理外推到整個(gè)宇宙，得出了宇宙熱寂的結(jié)論。1852年，湯姆遜從他所提出的原理得出結(jié)論說：在自然界中占統(tǒng)治地位的趨向是其他能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊岵⑹固幪帨囟融呌谄胶?，最終導(dǎo)致所有物體的工作能力減小到零，達(dá)到熱死的狀態(tài)。克勞修斯也提出：“如果在宇宙發(fā)生的全部狀態(tài)變化中，沿一個(gè)方向在量上總是超過沿反方向變化，因而宇宙必定不斷地趨于一個(gè)終態(tài)?！彼褵崃W(xué)的兩個(gè)基本定律概括為：“宇宙的能量恒定不變，宇宙的熵趨于一個(gè)極大值”。第36頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月五、“熱寂說”的錯(cuò)誤熵的增加原理的絕對普適性引起了異議。格林、蘭金、普列斯頓等人列舉了一些似乎與克勞修斯原理相矛盾的例子。指出，第二定律的絕對適用性意味著從實(shí)質(zhì)上消滅了第一定律，因?yàn)椴荒苻D(zhuǎn)化的能量就不是能量。恩格斯也指出，“熱寂說”違反運(yùn)動原理，違反能量形式在質(zhì)上和在量上守恒的規(guī)律。宇宙熱寂說的錯(cuò)誤在于，把有限的時(shí)空問題。不合理地外推到無限的宇宙中去，犯了形而上學(xué)的錯(cuò)誤。第37頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)熱力學(xué)第三定律的建立與低溫物理的發(fā)展

一、氣體的液化與低溫的獲得。十九世紀(jì)二十和三十年代，通過法拉第等人的工作，當(dāng)時(shí)已知的氣體中除了氫，氧，氮等六種氣體以外，全部能夠液化。而液化這六種氣體的一切試驗(yàn)的失敗，使得它們獲得了“永久氣體”的名稱。1869年，英國化學(xué)家和物理學(xué)家安德魯斯（公元1813—1885）發(fā)現(xiàn)，二氧化碳?xì)怏w存在著一個(gè)臨界溫度（T＝31.1C），在臨界溫度以上，無論加多大壓力也不能使它液化。第38頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月一、氣體的液化與低溫的獲得各種低溫技術(shù)，基本上都是采用下述方法實(shí)現(xiàn)的：1．使氣體對外做功從而降低溫度；2．已被液化的氣體的液相，在迅速蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生冷卻作用；3．“焦耳—湯姆遜效應(yīng)”：充分預(yù)冷的高壓實(shí)際氣體，通過多孔塞后在低壓空間熱膨脹后，一般要發(fā)生溫度變化。利用焦耳—湯姆遜的正效應(yīng)，即溫度降低，可以產(chǎn)生冷卻作用，這是焦耳和湯姆遜于1852年發(fā)現(xiàn)的。第39頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、熱力學(xué)第三定律的提出向愈來愈低的溫度逼近，雖然越來越困難，但總是可能的。那么是否存在降低溫度的極限呢？1848年，湯姆遜在利用卡諾循環(huán)確立絕對熱力學(xué)溫標(biāo)時(shí)，就提出絕對零度是溫度下限的觀點(diǎn)。1906年，德國的物理學(xué)家能斯特（公元1864—1941）把熱力學(xué)的原理應(yīng)用到低溫現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)過程中，發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的規(guī)律，表述為：“當(dāng)絕對溫度趨于零時(shí)，凝聚前的熵在等溫過程中的改變趨于零?！?912年，他又把這一規(guī)律表述為絕對零度不能達(dá)到的原理：“不可能使一個(gè)物體冷卻到絕對溫度的零度?！边@就是熱力學(xué)第三定律。第40頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月三、向超低溫領(lǐng)域躍進(jìn)1951年，倫敦（公元1907—1970）根據(jù)He和He這兩種液氦同位素不能以任何比例均勻混合的現(xiàn)象提出，如果用一真空系統(tǒng)使He不停地循環(huán)，就能在低溫下吸收熱量而導(dǎo)致進(jìn)一步降溫。1975年，利用這種方法巳達(dá)到了0.003K的低溫。1973年，利用波默朗丘克冷卻已獲得低于0.001K的溫度。目前最低的溫度是利用核磁矩絕熱去磁的方法得到的。1956年，牛津大學(xué)的庫爾提（1908一）和西蒙等人把銅核自旋溫度降到0．0000IK。近年來已達(dá)到了近年來已達(dá)到了3．3X10K的低溫。

3．3X10K的低溫。

第41頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)分子運(yùn)動論的建立分子運(yùn)動論是熱學(xué)的一種微觀理論。它的根據(jù)是以下兩個(gè)基本概念：物質(zhì)是由大量分子、原子組成的；熱現(xiàn)象是這些分子作無規(guī)則運(yùn)動的一種表現(xiàn)。十八世紀(jì)后半期，由于徹底否定了“熱質(zhì)說”，分子運(yùn)動論迅速發(fā)展起來。幾乎在半個(gè)世紀(jì)內(nèi)，經(jīng)典分子運(yùn)動論就完整地建成了。第42頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)分子運(yùn)動論的建立分子運(yùn)動論的建立是許多科學(xué)家辛苦研究的結(jié)果，如赫拉派斯（公元1790－1868）；瓦特斯頓（公元1811－1883）；焦耳和克倫尼希（公元1822—1879）都在氣體運(yùn)動論方面做了不少工作。后來又有麥克斯韋、開爾文、玻耳茲曼（公元1844－1906）、邁爾、金斯（公元1877一1946），洛侖茲（公元1853－1928）等人進(jìn)行了一系列的工作，為分子運(yùn)動論的建立做出重要貢獻(xiàn)。第43頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月一、赫拉派斯、克倫尼希、克勞修斯等人

1.關(guān)于理想氣體壓強(qiáng)公式的推導(dǎo)1820年赫拉派斯在遞交給皇家學(xué)會的論文中，得到壓強(qiáng)公式。實(shí)際這個(gè)公式，約在100年以前伯努利就已經(jīng)得到，不過赫拉派斯更進(jìn)一步的是，他明確提出絕對溫度取決于分子速度的思想，但他使用的分子模型是硬球碰撞模型。第44頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月一、赫拉派斯、克倫尼希、克勞修斯等人1843年瓦特斯頓匿名出版了自己的著作《ThoughtontheMentalFunction》。他首先提出全體分子的彈性球模型。還考慮了平均自由程的問題。克倫尼希對氣體分子運(yùn)動論科學(xué)的發(fā)展是有功勞的，由于他是當(dāng)時(shí)著名科學(xué)家，作為大學(xué)教授和物理學(xué)雜志的主編，在當(dāng)時(shí)有很大影響，所以他的工作很快為大家接受，對分子運(yùn)動論的推廣起了重要作用。第45頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月一、赫拉派斯、克倫尼希、克勞修斯等人克勞修斯的主要功績是第一個(gè)精確表述熱力學(xué)第一、二定律的人，在分子運(yùn)動論方面他也作了一些有價(jià)值的工作。如首先提出“統(tǒng)計(jì)”這一物理學(xué)的新概念。他用“幾率”的概念走出了前輩們都已推導(dǎo)出來的有名的壓強(qiáng)公式?？藙谛匏惯€揭示了理想氣體分子運(yùn)動論的模型：（l）實(shí)際上氣體分子所占空間，比被氣體占據(jù)的總空間，應(yīng)是微不足道的。（2）一次碰撞時(shí)間，與兩次碰撞之間所經(jīng)時(shí)間相比，應(yīng)是微不足道的。（3）分子力的作用應(yīng)是微不足道的。第46頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.引入平均自由程的概念克勞修斯的另一個(gè)重要貢獻(xiàn)，是引進(jìn)了氣體分子的平均自由程概念。他根據(jù)公式計(jì)算出，在0C時(shí)，氧分子的均方根速率為461米／秒，氮為402米／秒，氫為1844米／秒。1858年有人指出：如果氣體分子真有如此大的速度的話，那么氣體的擴(kuò)散為什么很慢呢？迅速運(yùn)動的分子球由于同其他分子頻頻碰撞，所以不斷改變自己的運(yùn)動方向，使其運(yùn)動的路徑是一復(fù)雜的折線，由于這個(gè)原因，分子在某一定方向上的運(yùn)動速度就不可能很大了。第47頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、麥克斯韋的工作早期的理論工作者，在處理問題時(shí)，常常假定一切分子都以同樣的速率運(yùn)動。英國物理學(xué)家麥克斯韋（公元1831—1879）則突出了分子運(yùn)動的無規(guī)則性，第一個(gè)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)的方法來計(jì)算分子的速率。1859年，麥克斯韋在題為《氣體分子運(yùn)動論的例證》的論文中闡述了他的氣體模型：由數(shù)量不定的、很小的、完全彈性的、只接觸時(shí)才發(fā)生相互作用的固體小球組成的系統(tǒng)。他第一次借助于幾率的概念推導(dǎo)出分子速率分布律：第48頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月二、麥克斯韋的工作運(yùn)用他所得出的速率分布率，對氣體分子平均自由程進(jìn)行了再次的計(jì)算，修正了克勞修斯的推導(dǎo)結(jié)果，得到了現(xiàn)在被人們所公認(rèn)的結(jié)果。麥克斯韋對輸運(yùn)過程、擴(kuò)散、內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，以分子運(yùn)動論的觀點(diǎn)出發(fā)，建立了一套初級的數(shù)學(xué)理論。應(yīng)用平均自由程的概念，推導(dǎo)出內(nèi)摩擦系數(shù)。第49頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月三、玻耳茲曼的工作奧地利杰出的物理學(xué)家玻耳茲曼（公元1844—1906），是統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的奠基人之一，是維護(hù)原子論反對唯能論的積極斗士。發(fā)展了麥克斯韋的分子運(yùn)動學(xué)說，證明了在有勢的力場中處于熱平衡態(tài)的分子速度分布定律，即現(xiàn)在所說的麥克斯韋一玻耳茲曼分布定律。他和麥克斯韋一樣都企圖通過分子的碰撞力學(xué)規(guī)律來解釋氣體的平衡態(tài)。第50頁，課件共55頁，創(chuàng)作于202