熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的發(fā)展概述

（一）1603年，伽利略制成最早的驗(yàn)溫計(jì)：一只頸部極細(xì)的玻璃長(zhǎng)頸瓶，倒置于1631年，法國(guó)化學(xué)家詹?雷伊（JeanRey,1582-1630)把伽利略的細(xì)長(zhǎng)頸瓶倒※)1659年法國(guó)天文學(xué)家伊斯梅爾?博里奧（IsmaelBuolliau)制造了第一支用水（二）16651703年，牛頓把雪的熔點(diǎn)定為自己制作的亞麻子油溫度計(jì)的零度，把人體12度等等。華倫海特（GabrielDanileFahrenheit，1686-1736，德國(guó)玻璃工人，遷居荷00F320F960F，1724年，他又把水的沸點(diǎn)定為列奧米爾（Reaumur,1683-1757,法國(guó)）1/5的水的混合物作為測(cè)溫80等分，稱為列氏溫標(biāo)。00C1000C100個(gè)等分。8年后接受了同事施特默爾（M.Stromer）1779年19種。據(jù)此，1854年，開(kāi)爾文提出開(kāi)氏溫標(biāo)，T=272.3+t。又稱熱力學(xué)溫標(biāo)，它學(xué)溫度的單位—開(kāi)爾文（K）1/273.1617世紀(jì)，意大利的科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在同一溫度下具有相同重量的不“潛熱”1757年英國(guó)化學(xué)家布萊克（JosephBlack,1728-1799)320F1720F同等17601500C500C的水相混合，它們達(dá)到平衡時(shí)的溫度為550C，同重量而不同溫度的兩種物質(zhì)混正式引進(jìn)“熱容量”的概念。1780年，麥哲倫（Megellen)首先使用了“比熱”名詞。熱的單位“卡”10C時(shí)所吸收或放出的熱作為熱的單位，稱作“卡”。1777年制“熱質(zhì)說(shuō)”1798年倫福德（CountRumford,英國(guó)）由鉆頭加工炮筒時(shí)產(chǎn)生熱的現(xiàn)象，得出熱是物質(zhì)的一種運(yùn)動(dòng)形式；1799年，戴維（HumphreyDavy，1778-1829，英§2熱力學(xué)第一定律的建立一定律產(chǎn)生的背景德國(guó)物理學(xué)家塞貝克（ThomasJohannSeebeck)1821年實(shí)現(xiàn)了熱向電的轉(zhuǎn)1834年，法國(guó)的帕爾帖（Peltier)發(fā)現(xiàn)了它的逆效應(yīng)，即當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，結(jié)點(diǎn)處發(fā)生溫度變化。18401842年，焦耳和楞次分別發(fā)現(xiàn)了電流轉(zhuǎn)化為熱的著18201831年法拉第關(guān)于電磁感應(yīng)現(xiàn)1800年伏打制成“伏打電堆”以及利用伏打電流進(jìn)行電解，從而完成了化學(xué)1840年彼得堡科學(xué)院的黑斯（G.H.Hess)提出關(guān)于化學(xué)反應(yīng)中釋放熱量的重池的電動(dòng)勢(shì)的發(fā)現(xiàn)；1845年光的偏振面的磁致偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)等等，都從不同1830年，法國(guó)薩迪·卡諾：“準(zhǔn)確地說(shuō)，它既不會(huì)創(chuàng)生也不會(huì)消滅，實(shí)際上， 于1832年去世，享年36歲?？ㄖZ的這一思想，在1878年才由其弟弟整理發(fā)表，但熱力學(xué)第一定律已建立27年。1940二.羅伯特?邁爾（RobertMayer,1814-1878)曾是一位隨船醫(yī)生，在一次駛往學(xué)和物理方面的缺陷，未能發(fā)表；1842“無(wú)不能生有，有不能變無(wú)”1845更明確寫(xiě)道：“力的轉(zhuǎn)化與守恒定律是支配宇宙的普遍規(guī)律?！?25種形式。邁爾，1814出生于德國(guó)海爾布隆一個(gè)藥劑師家庭，1832年進(jìn)入蒂賓根大學(xué)醫(yī)學(xué)系學(xué)習(xí)，1837年因參加一個(gè)秘密學(xué)生團(tuán)體而被捕并被學(xué)校開(kāi)除，1838年完印度的荷蘭輪船的隨船醫(yī)生。18411848年后發(fā)生了“能量守恒定律”發(fā)現(xiàn)優(yōu)先權(quán)的爭(zhēng)期間他的兩個(gè)孩子夭折，1848年德國(guó)革命時(shí)由于他觀點(diǎn)保守而被起義者逮捕，1862年才恢復(fù)科學(xué)活動(dòng)。亥姆霍茲（HermannHelmholtz,1821-德國(guó)科學(xué)家，他認(rèn)為，大自然是統(tǒng)一的，自然力是守恒的。1847年，海爾曼?亥姆霍茲簡(jiǎn)介：1821831日生于德國(guó)波茨坦，1838年考入柏進(jìn)行物理學(xué)研究。1847年，在不了解邁爾等人工作的情況下，提出了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。1855年最早測(cè)量了神經(jīng)脈動(dòng)速率，把物理方法應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng)的爾貝格大學(xué)等校的生理學(xué)教授，1871年起，在柏林大學(xué)任物理學(xué)教授，1888年焦耳(1818-1889)是英國(guó)著名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，家境富裕。16歲在名家1840年發(fā)現(xiàn):“產(chǎn)生的熱量與導(dǎo)體電阻和電流平方成正比”并發(fā)表于《論伏打1843的重量和下落的距離計(jì)算出所做的功。測(cè)得熱功當(dāng)量為428.9千克力米/1844424.9千克力米/443.8千克力米/1849焦耳測(cè)定熱功當(dāng)量的工作一直進(jìn)行到1878年，先后采用不同的方法做了1878423.85千克·米/4數(shù)學(xué)表達(dá)式為 19世紀(jì)的三大發(fā)現(xiàn)。理論——實(shí)驗(yàn)——§31917“絕薩迪?卡諾（SadiCarnot,1796-1832)法國(guó)工程師，從小從他父親那里學(xué)習(xí)了學(xué)校學(xué)習(xí)，后來(lái)專心研究熱機(jī)理論。1832824日因霍亂病逝。傳遞和消耗是同時(shí)發(fā)生的。1850年，克勞修斯在邁爾、焦耳和卡諾等人工作的19世紀(jì)中葉，開(kāi)爾文（即威廉?湯姆遜）注意到：焦耳的工作表明機(jī)械能定低溫?zé)嵩础?851年，開(kāi)爾文在總結(jié)這些及其它一些實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了熱Q2Q1≠Q(mào)2。因此他根據(jù)熱傳導(dǎo)總是從高溫?zé)?850年提出了熱力學(xué)第二1854Q1≠Q(mào)21877年，一生致力于用統(tǒng)計(jì)力學(xué)研究熱運(yùn)動(dòng)的玻爾茲曼指出：熵是分子無(wú)之間的關(guān)系式為：S=klnW。S上式稱為玻爾茲曼關(guān)系式，k=1.38×10-23J/K稱為玻熵（entropy）※20元人民幣在市場(chǎng)公平輕易購(gòu)得一袋大米，而這袋大米卻不能在市場(chǎng)20元。即：終態(tài)

S2

初態(tài)（反之

S1※熵增原理：在閉合體系中SS2S1微

態(tài)右

宏 觀右40 小5166最大值”1867年的演講中，又進(jìn)一步指出：“宇宙越接近這一最大值的極限級(jí)---※※1944“一個(gè)生命有機(jī)體在不斷地增加它的熵，…并趨于接近最大熵值的危險(xiǎn)狀態(tài)---…這就是生命的熱力學(xué)基礎(chǔ)。1967年，普里高金(I.Prigogine)為首的布魯塞爾學(xué)派建立了耗散結(jié)構(gòu)理dSdeSdi diS

deS質(zhì)

dS

§4低溫物理學(xué)18231835年，蒂洛勒爾(Thilorier)CO2，并將其和1845年，出了氫、氧、氮等幾種氣體外，當(dāng)時(shí)所有已知的氣體都被液化(2790個(gè)大氣壓)都無(wú)法使1863年，英國(guó)物理學(xué)家和化學(xué)家安德魯斯(T.Andrews,1813-1885)做了一個(gè)300400大氣壓，在1877年12月24(L.Cailetet,1832-1905)和皮克泰特(R.Pictet,1846-1904)宣布他們各自獨(dú)立地液化300和大氣壓和-29※下的氧氣突然膨脹，使其溫度降低200※采用使溫度逐級(jí)下降的級(jí)聯(lián)冷卻法，獲得了液態(tài)的氧。從而消滅了“永久氣體”。1875-1880年間，德國(guó)工程師林德(K.Linde,1842-1934)利用焦耳-湯姆遜1908年，荷蘭物理學(xué)家昂乃斯(H.K.Onnes,1853-1926)成功實(shí)現(xiàn)了氦的液化，從而消滅了最后一種“永久氣體”4.3K-1.15K之間。10K以下電阻的變化，發(fā)現(xiàn)金、銀、銅等金屬的電阻會(huì)減小到一個(gè)極限值。超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)：1911年，昂內(nèi)斯等發(fā)現(xiàn)，汞、鉛、錫等金屬，當(dāng)溫度降超流性的發(fā)現(xiàn)：1938蘇聯(lián)的卡皮查和英國(guó)的阿倫(J.F.Allen,1908-?)和邁申納(A.D.Misener1911-?)2.2K以下，可以無(wú)摩擦地經(jīng)窄管流出，1926-1933年加拿大青年物理學(xué)家吉奧克(W.F.Giauque,1895-?)等幾位物理0.25K0.13K。1950195610-6K197910-81702年，法國(guó)物理學(xué)家阿蒙頓最早提到“絕對(duì)零度”。他由空氣受熱時(shí)體積t※的溫度。一原子論的復(fù)興1638年，法國(guó)學(xué)者伽桑狄（PierreGassendi,1592-1655)1678年則提出，空氣是由大量快速運(yùn)動(dòng)的粒子組成的，他們對(duì)四壁的?1738年，丹尼爾?伯努利（DanielBernoulli,1700-1782,瑞士物理學(xué)家)在他出d小于小于粒D時(shí)，PS/P=V/VS(即壓強(qiáng)與體積成反比)，并指出“適用于比正d/D值，以便對(duì)定律進(jìn)行修正。他還指出，氣體的壓1803年，英國(guó)化學(xué)家道爾頓（JohnDalton,1766-1844)認(rèn)為一切化學(xué)元素都1811（AmedeoAvogadro,1776-1856)“分子”1845（J.J.Waterston,1811-1883)“彈性球分子模壁碰撞；…nv21856年德國(guó)物理學(xué)家克侖尼希（AugustKarlKr?nig,1822-1879)發(fā)表了《氣vxyz三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。每次碰撞時(shí)作用于器壁的沖量為mv，由此得出了氣體壓強(qiáng)公式：p1Nmv2 V，V為容器的體積，N四.1857年發(fā)表《論熱運(yùn)動(dòng)的類(lèi)型》的文章，以十分明晰和信服的推理，建立nv的關(guān)系當(dāng)氣泡內(nèi)外壓力平衡時(shí)，則發(fā)生沸騰。1mv2N分子的平均動(dòng)能與溫度之間存在下述關(guān)系： 1844米/秒，但這與氣體的實(shí)際擴(kuò)散速度不符?！鶈?wèn)題的解決和平均自由程：1858年在?關(guān)于氣體分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程?中回答了這一問(wèn)題。他認(rèn)識(shí)到單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)速度和大量分子組成的氣體的l

4n2 1873年，范德瓦爾斯（J.D.vanderWaals,1822-1892,荷蘭物理學(xué)家）在(p

a)(Vb)RTV21910§6統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的建立1860D.伯努利到克勞修斯，人們?cè)谔幚矸肿舆\(yùn)動(dòng)問(wèn)題時(shí)，都是假設(shè)一切分子都以相同的速度運(yùn)動(dòng)。19世紀(jì)中期，麥克斯韋發(fā)現(xiàn)了氣體分子速度分布律，開(kāi)

)2v2e2kT2nl2nI1 K1

D1二.H定理，建立了dN

kT

爾茲曼積分-tv的分布規(guī)律。玻爾茲f(v,t)※H定義H(tf(vtlnf(vtdH則：H

dH在沒(méi)有達(dá)到平衡時(shí)，H

dH H定理。HWSHSH函數(shù)自發(fā)增三.1902年美國(guó)第一位理論物理學(xué)家吉布斯（Gibbs,1839-1903)出版了《統(tǒng)計(jì)1900年，普朗克提出了