物理学史2.6 热力学第三定律的建立和低温物理学的发展
物理学史大纲
《物理学史探索》课程纲要一、课程设置目的1.物理学史课程中,通过对物理学中重要的基本概念、定律、原理和理论的酝酿、形成和发展的过程，物理学基本概念的变革，物理学研究方法的演化等内容的教学，使学生获得关于物理学的发展过程的基本历史知识,掌握物理学发展的基本规律和总趋势。
2.过对物理学发展过程的具体了解,加深学生对物理学知识和理论的实质、物理学思想、物理学方法、物理学发展动力和矛盾运动的理解和掌握；感受科学创造精神和激励提高学生自身的科学素质和创造素质。
3.通过对物理学发展过程及物理学科学创造过程的阐述，使学生了解科学理论的发展与社会历史条件、哲学思想、生产实践和科学实验的关系，了解科学真理的相对性和科学认识的动态性，了解科学家献身科学、追求真理的崇高精神，从而加强辩正确唯物主义与历史唯物主义的教育，继承和发扬优良的科学传统，提高学生的思想道德素质。
二、教学内容选取和教学实施1.本课程是选修课。
2.本课程在教学中着重阐述物理基本概念、定律和理论的发展，物理学世界图景和物理学研究方法的演变，物理学历次重大突破的实现过程、历史动因和重大意义；介绍重要物理学家的科学思想、研究方法和科学精神，给学生以科学创造的启迪。
3.本课程的教学必须以丰富、准确的史料和文献为基础，注意概括规律性的东西，并从理论的高度上进行分析阐述，力求做到“史一论统一”。
4.要注意调动学生的学习积极性的主动性，结合重点内容，向学推荐一些阅读材料，鼓励他们进行独立钻研的思考。
5.教学方式要多样化，除教师的讲述外，要加强学生的阅读和自学，组织一些参观和专题讨论，举办专题报告；教学过程中注意配合一些历史图片、模型、幻灯、录象等直观教具，注意发挥现代教学手段在提高教学质量中的作用。
6.结合重点内容，适用布置一些思考题和课外作业；课程结束后，要在全面复习的基础上以适当的方式进行考试。
7.本课程的教学时数为28-30学时。
各部分内容的学时分配如下：古代物理部分经典物理部分现代物理部分复习考试8.教材及参考书目：教材：自编教材主要参考书目[1]潘永祥，王锦光，金尚年.物理学简史. 武汉：湖北教育出版社，1990.[2]李艳平,申先甲. 物理学史教程. 北京:科学出版社,2003.其他参考书目：[1] 蔡宾牟等.物理学中讲义—中国古代部分.高等教育出版社,1985.[2]戴念祖. 中国科学技术史——物理学卷. 北京:科学出版社,2001.三、基本教学内容第一编古代物理学第一章中国古代的物理学的主要成就§1.中国古代的物理思想元气论阴阳说五行说中国古代的时空观中国古代对宇宙的认识§2.中国古代的物理计算中国古代的时间计量度量衡的起源的发展§3.中国古代的力学成就对力的认识关于物的重心与平衡关于物体的运动和惯性关于浮力和液体与气体的认识力学知识和简单机械的应用§4.中国古代的声学知识中国古代的律学其它声学知识§5.中国古代的热学知识火的使用热胀冷缩的认识和利用热本质和热传递现象的认识和利用热动力的应用§6.中国古代的电磁学知识关于磁现象的描述指南针的发明静电现象的描述古建筑避雷措施§7.中国古代的光学知识对光的直线传播的认识和利用镜面成像原理透光镜关于光的折射与色散的描述第二章西方古代物理学成就§1.古希腊关于物质本原和时空的观念朴素的元素论原子论亚里士多德的时空学说§2.古希腊时期对宇宙的认识亚里士多德运动理论阿基米德的静力学成就声、热、电、磁、光的具体知识§3.中世纪的物理学成就［说明］1.注意揭示古希腊物理学思想和成就对后世物理学发展的影响。
高中物理学史最全归纳总结
高中物理学史最全归纳总结
高中物理学史的归纳总结如下：
1. 古代物理学（公元前6世纪-17世纪）：
- 古希腊时期的自然哲学家：毕达哥拉斯、阿尔克曼、希波克拉底斯、亚里士多德等人，提出了一些基础的物理理论和观点。
- 宇宙观的进展：托勒密的地心说和哥白尼的日心说。
- 科学方法的发展：伽利略的实验和观察方法。
2. 经典物理学时期（17世纪-19世纪）：
- 牛顿力学：牛顿的三大力学定律和万有引力定律的提出，奠定了经典力学的基础。
- 光学的发展：牛顿的光的粒子理论和哈雷的波动理论。
- 热力学的兴起：卡诺的热机理论和卢瑟福德的热力学定律。
3. 电磁学时期（19世纪末-20世纪）：
- 麦克斯韦方程组：麦克斯韦的电磁理论，统一了电磁现象的理论描述。
- 电子的发现：汤姆孙的阴极射线实验证明了电子的存在。
- 直流电学理论的建立：欧姆定律、基尔霍夫电路定律等。
4. 现代物理学时期（20世纪）：
- 相对论理论：爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论，颠覆了牛顿力学的观念。
- 量子力学的建立：普朗克的量子假设、波尔的原子理论、薛定谔的波动力学等。
- 核物理学的发展：居里夫妇的放射现象研究、爱因斯坦的质能方程、量子力学的核模型等。
总结：高中物理学史经历了古代物理学、经典物理学、电磁学和现代物理学四个阶段，涵盖了力学、热学、光学、电磁学和量子力学等多个领域的重要理论。
这些理论的发
展不仅推动了科学的进步，也深刻影响了社会和技术的发展。
《物理学史》内容概要
《物理学史》是一本介绍物理学发展史的书籍，内容涵盖了从古希腊时期到20世纪末期物理学的重要事件、发现和理论。
以下是《物理学史》的内容概要：
1. 古希腊时期的物理学：介绍了古希腊时期的自然哲学家，如泰勒士、阿那克西曼德、赫拉克利特等，以及他们的思想和成就。
2. 古典物理学：讲述了古典物理学的发展，包括牛顿力学的建立、万有引力定律的发现、经典电磁学的创立等。
3. 现代物理学：介绍了现代物理学的主要分支，如量子力学、相对论、热力学和统计物理学等，以及这些分支的创立者和重要理论。
4. 20世纪物理学：讲述了20世纪物理学的发展，包括原子物理学、核物理学、凝聚态物理学、天体物理学和宇宙学等领域的重大发现和理论。
5. 物理学在现代科技中的应用：介绍了物理学在现代科技中的应用，如电子、通信、能源、材料科学、医学等领域的发展。
《物理学史》通过讲述物理学的发展历程，让读者了解物理学的重要事件、发现和理论，以及这些成果对人类文明的贡献。
同时，该书也展示了物理学家的科学精神和探索精神，对激发读者对物理学的兴趣和热情有一定的作用。
热力学第三定律
理论解释局限性
微观解释不足
虽然热力学第三定律在宏观层面上得到 了广泛应用，但在微观层面上，其理论 解释仍显不足。如何进一步从微观角度 解释和理解热力学第三定律，是理论面 临的局限性之一。
VS
与其他定律的关联
热力学第三定律与其他热力学定律之间存 在紧密的联系。如何在理论上更深入地揭 示这些定律之间的内在联系，是一个尚未 完全解决的问题。
未来研究方向与挑战
01
拓展应用领域
目前热力学第三定律主要在物理学、化学等领域得到了应用。未来可以
进一步拓展其在材料科学、生物医学等领域的应用，为这些领域的发展
提供新的理论支持。
02
寻求更精确的理论解释
随着科学技术的不断发展，对热力学第三定律的理论解释精度要求也越
来越高。未来可以通过引入新的数学工具、物理模型等方法，寻求术
为了提高实验验证的准确性和效率，未来可以探索新的低温实验技术，
提高测量设备的精度和稳定性，为热力学第三定律的实验研究提供有力
支持。
THANK YOU
后续发展
随着研究的深入，热力学第三定律 得到了进一步的验证和完善，成为 热力学领域的基本定律之一。
热力学第三定律的重要性
完善热力学理论体系
热力学第三定律的提出和完善，使得热力学理论体系更加完整和 严密。
指导低温工程实践
在低温工程领域，热力学第三定律提供了对熵和温度之间关系明确 规定，为低温工程实践提供了理论指导。
第三定律与熵的基准
热力学第三定律为熵的基准提供了依据，即在绝对零度时， 完美晶体的熵为零。这为其他物质熵的计算提供了参考。
热力学第三定律的数学表述
能斯特热定理：热力学第三定律可通过能斯特热定理进行数学表述，即 $\lim_{{T \to 0}} S(T) = S_0$，其中 $S_0$ 是绝对零度时的熵值。
热力学发展简史
热力学发展简史热力学是一门研究能量转化和传递规律的科学，它的发展经历了漫长的历史进程。
本文将为您详细介绍热力学的发展历程，从早期的热学到现代热力学的发展，为您呈现一个热力学发展的简史。
一、热学的起源热学的起源可以追溯到古希腊时期，当时人们对于热现象有着一些基本的认识。
例如，希腊哲学家柏拉图和亚里士多德认为热是一种物质，称之为“火”的元素。
然而，直到17世纪，热学才真正开始发展为一门科学。
二、卡尔文和热学定律17世纪初，德国物理学家卡尔文提出了热学定律，奠定了热学的基础。
他发现了热传递的三种方式：传导、对流和辐射，并提出了热量守恒定律和热力学第一定律，即能量守恒定律。
三、卡诺和热力学第二定律19世纪初，法国工程师卡诺提出了热力学第二定律，揭示了热能转化的不可逆性。
他发现了热机的效率上限，即卡诺循环效率。
这一发现对于后来热力学的发展有着重要的影响。
四、克劳修斯和热力学第三定律19世纪末，德国物理学家克劳修斯提出了热力学第三定律，解决了低温下热力学性质的难题。
他发现在绝对零度下，物质的熵将趋于零，这一定律为后来的低温物理学和凝聚态物理学的发展提供了理论基础。
五、玻尔兹曼和统计热力学19世纪末，奥地利物理学家玻尔兹曼提出了统计热力学，将热力学现象与微观粒子的运动联系起来。
他提出了熵的统计定义，并发展了玻尔兹曼方程，解释了气体的热力学性质。
六、现代热力学的发展20世纪初，热力学得到了广泛的应用和发展。
热力学的基本概念和定律被应用于工程、化学、生物等领域。
随着科学技术的进步，热力学的研究范围不断扩大，涉及到更加复杂的系统和现象。
七、热力学的应用热力学的应用广泛存在于我们的日常生活和各个领域。
例如，汽车发动机、空调、冰箱等都是基于热力学原理工作的。
在工业生产中，热力学的应用也非常重要，例如化工过程、能源转换等。
八、热力学的未来发展随着科学技术的不断进步，热力学在未来的发展中将面临新的挑战和机遇。
热力学的研究将更加注重对复杂系统和非平衡态的理解，以及对能量转化和传递过程的优化和控制。
热力学第三定律及其应用
热力学第三定律及其应用热力学是研究热现象及其转换规律的学科，是自然科学的基本学科之一。
热力学基本定律有三条，分别是热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律，本文将从热力学第三定律入手，介绍其基本概念、发展历程、应用实例等。
热力学第三定律，也称为Nernst定理，是关于温度与物质内部结构之间的关系的定律，它的核心内容是：当温度趋近于绝对零度时，任何物质的熵值趋近于零。
这一定律的发展历程可以追溯至1884年，在德国科学家莱纳斯·纳恩斯特（Walther Nernst）的研究中首次提出。
其背景是，科学家们在研究物质在低温下的性质时发现，当温度趋近于绝对零度时，物质的热容与熵值迅速降低。
莱纳斯·纳恩斯特借鉴了基本定律的思想，提出了第三定律，认为在绝对零度下物质的熵值为零，且不可能到达绝对零度以下的温度，因此物质也不可能具有完美的热导性和磁导性。
热力学第三定律在物理、化学等领域中有着广泛的应用。
首先，它解决了一些低温理论中的许多逻辑矛盾，如磁体能否永久运转等问题；其次，热力学第三定律的研究表明，当物质的温度逐渐降低时，其热容、熵值等性质将会出现从正无限大到一定值的特殊变化，这些变化可以作为探测物质结构变化的指标；最后，热力学第三定律还有着许多实际应用，如电池、液晶电视、人工合成纤维等领域都有着广泛的应用。
在实际应用中，热力学第三定律的一个主要任务是确定物质的热容。
举个例子，对于一些金属材料，其最低温度贡献与温度相关的热容（γT）是由内部非晶结构确定的。
通过测量所研究材料的温度和热容，可以得到它们在不同温度下的内部结构和性质，进而得出有关这些材料的重要信息。
此外，在纳米材料研究中，热力学第三定律也非常重要。
因为在纳米材料中，随着体积的降低，表面能对普通大块材料来说变得更为重要。
而热力学第三定律表明，绝对零度下熵值为零，材料变得更有序，这样纳米材料的熵趋近于零的物理特性，将发挥对生命科学的重要贡献。
物理学中的热力学第三定律
物理学中的热力学第三定律物理学中的热力学第三定律是热力学的基本定律之一，它描述了物质在绝对零度（0K）时的行为。
本文将介绍热力学第三定律的定义、背景、重要性及应用等方面。
一、热力学第三定律的定义热力学第三定律，又称为能量定律或冷却定律，是由德国物理学家瓦尔特·纳尔恩斯物于1906年提出的。
它阐述了：当一个物体冷却至绝对零度时，它的熵将趋于一个常数，并且等于0。
熵这个概念是由热力学第二定律引入的，它描述了物质的混乱程度或无序程度。
根据热力学第三定律，当系统温度趋近于绝对零度时，物质的熵将减小到最小值，即无序程度为零。
二、热力学第三定律的背景在19世纪末20世纪初，热力学的研究取得了重大突破。
科学家们发现，在绝对零度附近，物质的性质发生了很大的变化。
例如，金属的电阻变为零，某些物质表现出超导和超流的奇特现象。
然而，研究人员无法通过实验直接冷却物体至绝对零度，因此需要一个定律来描述物体在此情况下的行为。
热力学第三定律的提出填补了这一空白，它为科学家们提供了一个理论框架，用于理解和解释物质在低温下的行为。
热力学第三定律的确立奠定了低温物理学的基础，对于开发低温技术和研究凝聚态物理学有着重要的意义。
三、热力学第三定律的重要性热力学第三定律在研究物质在极端条件下的性质时起着重要的作用。
它为科学家们提供了一个统一的理论框架，用于解释和预测物质性质的变化，尤其是在低温下的现象。
此外，热力学第三定律还为低温技术的发展提供了基础。
例如，超导、超流和低温物理研究等领域都依赖于对物质在极端条件下行为的认识。
热力学第三定律为科学家们提供了分析和设计新材料的依据，推动了低温技术的发展，并在电子学、医学、能源等领域产生了广泛的应用。
四、热力学第三定律的应用热力学第三定律在实际应用中有着广泛的应用。
以下列举几个例子：1. 低温物理学：热力学第三定律是研究低温物理学的基础。
科学家们利用热力学第三定律研究物质在绝对零度附近的性质，探索材料的超导、超流和磁性等行为。
热力学发展简史
热力学发展简史热力学是一门研究能量转化和传递的科学，它探索了物质的热现象和能量转化的规律。
本文将为您介绍热力学的发展历程，从早期的观察和实验开始，到现代热力学的基本原理和应用。
1. 早期观察和实验热力学的起源可以追溯到古希腊时期，人们开始观察和研究热现象。
例如，亚历山大大帝的工程师赫罗恩在一些实验中使用了蒸汽来产生动力。
然而，直到18世纪末，热力学的基本原理才得以确立。
2. 热力学第一定律的提出热力学第一定律是热力学的基本原理之一，它表明能量是守恒的。
这一定律最早由德国物理学家朱尔斯·冯·迈耶在1842年提出，他发现热量和机械能之间存在着一种等价关系。
这一定律的提出奠定了热力学的基础，并为后来的研究提供了重要的理论支持。
3. 热力学第二定律的发展热力学第二定律是热力学的另一个重要原理，它描述了能量转化的方向性。
早期的科学家们注意到，热量不会自发地从低温物体转移到高温物体，而是相反的。
这一观察引发了对能量转化方向性的研究，最终导致了热力学第二定律的发展。
在19世纪，许多科学家提出了不同的热力学第二定律表述方式，其中最著名的是卡诺定理和克劳修斯不等式。
卡诺定理由法国工程师尼古拉·卡诺于1824年提出，它描述了理想的热机的效率上限。
克劳修斯不等式由德国数学家鲁道夫·克劳修斯于1850年提出，它表明任何自然过程都不能以100%的效率转化热量为有用的功。
4. 热力学第三定律的建立热力学第三定律是热力学的最后一个基本原理，它描述了在绝对零度时的热力学性质。
这一定律最早由德国化学家瓦尔特·尼尔斯·冯·普朗克在1912年提出。
根据热力学第三定律，当温度趋近于绝对零度时，物质的熵将趋近于零。
这一定律的建立对于研究极低温物质的性质和行为具有重要意义。
5. 现代热力学的应用热力学的发展为许多实际应用提供了理论基础。
例如，在工程领域，热力学被广泛应用于热能转换和能源利用的优化。
热力学发展简史
热力学发展简史热力学是研究能量转化和传递的物理学分支，它的发展可以追溯到18世纪末。
本文将为您详细介绍热力学的起源、发展历程以及其在科学和工程领域中的重要应用。
1. 起源与基础概念热力学的起源可以追溯到热的研究，早期科学家对于热是一种物质或流体的观点。
然而，18世纪末，热力学的基本概念开始形成。
其中，卡诺（Carnot）提出了热机的理论，揭示了热能转化的基本原理，为热力学奠定了基础。
2. 热力学第一定律热力学第一定律是能量守恒定律在热学中的应用。
它表明能量既不能被创造也不能被毁灭，只能从一种形式转化为另一种形式。
热力学第一定律的数学表达式为ΔU = Q - W，其中ΔU代表系统内能的变化，Q代表系统吸收的热量，W代表系统对外做功。
3. 热力学第二定律热力学第二定律描述了能量转化的方向性。
它指出，热量不会自发地从低温物体传递到高温物体，而是相反的。
热力学第二定律还提出了熵的概念，熵是描述系统无序程度的物理量。
热力学第二定律的数学表达式为ΔS ≥ 0，其中ΔS代表系统熵的变化。
4. 热力学第三定律热力学第三定律是关于温度和熵的极限行为的定律。
它指出，在绝对零度时，系统的熵趋于零。
这个定律对于研究低温物理和固体物质的性质具有重要意义。
5. 应用领域热力学在科学和工程领域中有广泛的应用。
在物理学中，热力学帮助我们理解物质的性质、相变和热传导等现象。
在化学中，热力学可以用于计算反应的热力学参数，如焓变和熵变。
在工程领域，热力学应用于能源转换、热力学循环和热传递等问题的研究与设计。
6. 热力学的发展与进展热力学的发展经历了多个阶段。
19世纪末，玻尔兹曼（Boltzmann）提出了统计热力学的理论，将热力学与分子运动相结合，解释了热力学定律的微观基础。
20世纪初，量子力学的发展进一步深化了热力学的理论基础。
近年来，随着计算机技术的进步，热力学的计算方法和模拟技术得到了显著提高，为热力学在更广泛领域的应用提供了支持。
物理学发展简史
物理学发展简史物理学是自然科学的一个分支，研究物质、能量和它们之间相互作用的规律。
它起源于古代，经历了漫长的发展过程，形成了今天我们所熟知的物理学体系。
本文将为您详细介绍物理学的发展历程和里程碑事件。
1. 古代物理学的起源物理学的起源可以追溯到古代文明时期。
古希腊哲学家们对自然现象进行了观察和思考，提出了一些基本概念和理论。
其中最著名的是亚里士多德的自然哲学，他提出了四种元素（地、水、火、气）和天体运动的观点，对后世的物理学发展产生了重要影响。
2. 文艺复兴时期的突破在文艺复兴时期，欧洲出现了一系列对古代观点的质疑和批判。
尤其是哥白尼的日心说和伽利略的地心说的争论，引发了对宇宙结构和运动的重新思考。
这些思想家们通过观察和实验，对物理学的发展做出了重要贡献。
3. 牛顿力学的建立17世纪末，英国科学家牛顿提出了经典力学的基本原理，奠定了物理学的基础。
他的三大定律和万有引力定律成为了后世物理学研究的基石。
牛顿的力学理论不仅解释了天体运动，还对地球上的运动和力的作用提供了重要的解释。
4. 热力学和电磁学的发展19世纪，热力学和电磁学成为物理学的两个重要分支。
卡诺和克劳修斯等科学家对热力学的基本原理进行了研究，提出了热力学第一、第二定律等重要概念。
同时，法拉第和麦克斯韦等科学家对电磁现象进行了深入研究，建立了电磁学的基本理论和方程。
5. 相对论和量子力学的革命20世纪初，爱因斯坦提出了相对论，彻底改变了人们对时空和物质的认识。
相对论的出现引发了对物理学基本原理的重新思考，并在后续的科学研究中发挥了重要作用。
与此同时，量子力学的发展也引起了物理学界的轰动。
普朗克和波尔等科学家的研究揭示了微观粒子行为的奇异性，为量子力学的建立奠定了基础。
6. 现代物理学的发展随着科技的进步和实验技术的提高，物理学的研究领域不断扩展。
现代物理学涵盖了粒子物理学、原子物理学、核物理学、凝聚态物理学等多个分支。
人们对宇宙起源和结构、基本粒子的性质、物质的特性等问题进行了深入研究，取得了许多重要的发现和突破。
物态变化中的物理学史
温度标准点的确定
惠更斯推荐水的冰点和沸点作为标准 玻意耳认为冰点会随纬度改变，建议用大茴香油
的凝固点作为标准 牛顿选用融雪温度和人体温度作为温标，并将这
热力学温标是1848年开尔文首先提出的，由热力学温标 定义的热力学温度具有最严格的科学意义。
华氏温标是德国人华伦海特(D．G．Fahrenheit）大约 在1710年提出的，规定水的冰点为32度，水的沸点为212 度。
列氏温标由列奥缪尔(R.A.F.Reaumur)于l 730年提出， 规定水的冰点为零度，水的沸点为80度。
1960年又增加了一条重要修订，即把水的三 相点作为唯一的定义点，规定其绝对温度值为 273.16(精确)；以代替原来水冰点温度为 0.00℃(精确)之规定。而水的冰点根据实测， 应为273.1500±0.0001K。
1968年对国际实用温标又作了一次修订，代 号为IPTS-68。其特点是采用了有关热力学的 最新成就，使国际实用温标更接近热力学温标。 这一次还规定以符号K表示绝对温度，取消原 来的符号(0K)．并规定摄氏温度与热力学温标 的绝对温度单位精确相等，摄氏温度t=绝对温 度T-273.15(精确)。
经过近二十年的努力，用磁冷却法最低达到了0.003K左右。 1956年，英国人西荣和克尔梯用核去磁冷却法获得10-5K。 1979年芬兰人恩荷姆等人，用级联核冷却法达到5×10-8K。
探索极低温条件下物质的属性的意义
在极低温度情况下，物质中原子或分子的无规 则热 运动将趋于静止，一些常温下被掩盖的现 象显示出来了，这就可以为了解物质世界的规 律提供重要线索。
物理降温低温物理学的起源与发展
物理降温低温物理学的起源与发展物理降温低温物理学的起源与发展物理降温低温物理学的起源与发展低温是现代科学技术的一个重要的实验条件，也是日常生活中常见需求。
物质的一些神奇物性只有在低温才能显现出来，比如低温下的超导现象，液氦的超流体现象，低温下的整数和分数量子霍尔效应现象等等。
日常生活中所使用的冰箱空调都是用来制造低温条件的，以方便人们实现降温避暑、冷藏食品等目的。
低温的范围是根据具体情况而定义的。
在日常生活中零下负20摄氏度到零度就算是低温了，而在物理学科的研究中，往往把"绝对零度"以上几十度的范围称作是低温，而"绝对零度"的温度值是-273.15摄氏度。
绝对零度的概念是由阿蒙顿首提出的，他在研究体积不变时空气的压力随温度的变化关系时发现，压力随温度的降低而成比例地降低。
这样当空气的压力降为零时所对应的温度就应该是最低的温度，即"绝对零度"，因为空气的压力不可能为负数，温度不可能再降低了。
因为降低1摄氏度的温度相应空气的压力降低的量为冰的熔点温度(即0摄氏度)下空气压力的1/273.15，所以绝对零度为-273.15摄氏度。
历史上对于低温的探索可以追溯到法国化学家拉瓦锡所作的预言:在很高的温度下，比如在接近太阳的地方，地球上的所有液体和金属都会变成气体，而在很低的温度下，比如在远离太阳的冥王星所处的地方，地球上的空气或其中的一部分气体都会变成新的还未了解的液体。
怎样在地球上就实现低温条件以便得到新的液体就成为科学家们所面临的一个巨大挑站。
然而，在打开通往低温的大门之前，就已经发现可以通过高压压缩气体来得到其液体状态。
然而这并非易事，不仅仅因为获得高压的不易，更在于有些气体在已有的最高的气压下仍然没有被液化，似乎是永远不会液化的"永久气体"。
事实证明，这种"永久气体"的观念是错误的。
的确，所有的气体都能液化，只不过对压强和温度都有要求。
浅谈热力学第三定律的发展
浅谈热力学第三定律的发展摘要：热力学第三定律的建立已近一百年，是热力学统计物理学的基本理论基础之一.l906年德国物理化学家能斯特从化学平衡常数的确定出发，建立了热力学第三定律.接着，许多其他科学家在此基础上进一步对该定律作了大量的研究，并提出了他们相应的说法.本文简要地介绍该定律的创立与发展过程，并说明它的重要意义.关键词：热力学第三定律；绝对零度；能斯特定理；发展过程在热力学第三定律建立以前，对熵函数的计算只能确定到具有一个任意附加常量的准确度.热力学第三定律可用一表达式表述为，其中指在等温过程中熵的改变.热力学第三定律的正确性早已经被实验所论证.而第三定律又是怎么被发现的呢？早在l699年法国科学家阿蒙顿就发明了一种温度计，他是从水的沸点开始他的测量工作的，他注意到温度与压强成正比.他得出结论：当进一步冷却空气，温度为某一确定的值时，空气的压力应改变为零.他估计这个温度为一240℃.此后，大约经过100年，法国物理学家盖吕萨克在查里的基础上，精确地测出气体定压膨胀系数为100/28866，l837年马格努斯和勒尼奥更精确地测出气体的膨胀系数为0．0036—0.0037之间，即l/273.以此他推出最低温度为一273℃.这就是绝对零度的概念.在统计力学中，吉布斯一赫姆霍兹方程为：上式应用于化学反应，标准自由熵为：标准反应:有以上可得T与的关系为：勒夏忒列首先指出：“I可能是物质的某种物理属性的函数，这个函数将导致化学平衡规律的完善了解，使我们能预测化学反应的平衡条件，若某化学反应为另两反应之和，则I为两反应的I之和；相同类型的反应有相同的I”.路易斯也研究了上式，发现I近似等于零的少数情况除外，所得数据不足以精确表示成式子.l902年查理兹进一步作了这方面的研究，他测定了丹尼尔电池的电动势与温度的关系，结果发现，随着温度的降低，电池反应的与越来越接近，当时，两者相等.l906年能斯特按上述结果，在凝聚系统发生变化时，随着温度的降低，发现和不断接近，在OK时两者相等，即.因为，所以，分析此式，能斯特认为当时，即：.于是能斯特总结出：“凝结系统中的恒温物理和化学变化的熵变随热力学温度同趋于零.”这就是能斯特热定理.能斯特提出了热定理以及后来的OK不能达到原理后，其他许多物理学家和化学家又作了进一步的研究，并提出了相应的关于热力学第三定律的几种说法.1，普朗克说法1911年普朗克在能斯特假定的基础上进一步假设，即当温度趋近于0K时不仅熵变为零．而且“在绝对零度时纯物质凝聚态的熵值等于零”．指出能斯特热定理确定了熵的绝对值．即：limS=0.这就是普朗克说法.该说法有两个显著的特点：一是它不同于能斯特说法而认为并非所有凝聚物质而只能是纯固体与纯液体的熵值才趋于零，对于那些不纯物质，即使，由于混合熵的残存而使S≠0，二是该说法给出了“绝对熵”的概念.尽管如此，人们发现除合金与溶液之外，尚有其他一些纯固体在时S值为正值.而普朗克说法却没有体现这一点.2，路易斯和吉布森说法1920年路易斯和吉布森在普朗克说法的基础上，考虑了某些物质在时S>0的事实而提出：“如果取OK下处于某种晶体状态的某种元素的S=0，则各种物质的S就具有有限的正值，但是OK时它们的值可以变成0，完全晶体就是如此.显然他们把普朗克说法结合在自己的说法中并进一步作了推广.而且还引入了完全晶体的概念.这种说法后来被人们认为是热力学第三定律的第一次满意的表述.然而它却没有对哪些物质在OK时为什么会残留有熵这一本质问题给予说明.3，西蒙说法西蒙修正了能斯特热定理的说法：“当温度趋近于OK时，对于恒温过程来说，处于内部平衡的液体或固体，其熵变为零”.他的这种说法，是从物质内部结构出发，把握事物内在原因之后而提出.4，福勒和古根亥姆说法1939年他俩从系统经历一个恒温的内部达到平衡的相变分析而提出“在任何恒温过程中，如果这个过程涉及的仅仅是内部平衡的稳定物相，或者是不受这个过程扰动的冻结物相，则熵变一定会随热力学温度同趋于零；但若过程涉及的是冻结物相，而且这个过程会扰动冻结物相中没有达到平衡的那个方面，那么，熵变将不随热力学温度同趋于零，而是给出负值.这个说法与西蒙说法一样，在于它揭示了热力学第三定律的本质.纵观热力学第三定律的创立与发展历程，它与所有的客观规律一样，都经历了一个由浅到深、由初级到高级、由不完善到完善的发展过程；也像所有的科学规律一样，以科学技术发展为动力，应科学技术的发展需要而创立.整个创立过程概括为：理论预言—实验研究—归纳总结—推广完善4个过程.热力学第三定律是独立于第一、第二定律的客观规律，而并不像能斯特所认为的那样：“第三定律只不过是第二定律的一个推论，即所谓定理.”它在科研中具有指导作用．否定了任何企图使温度达到绝对零度的实验，使人们少走弯路.注释：[1]阉康年著，《热力学史》，济南，山东科技出版社，1989[2]沙摄舜，张麓昌译．《热力学》，北京，高教出舨社．1988[3]傅献彩，陈瑞华编，《物理化学(上)》,北京，人民教育出版社，1979[4]王竹溪，《热力学》,北京,人民教育出版杜，1957，357[5]郭奕玲，《物理学史[M]》，北京，清华大学出版社，1993[6]K.门德尔松，《绝对零度的探索》，北京，科学普及出版社，1987[7]朱湘柱，胡晓岚，《热力学第三定律创立的过程及其发展》，现代物理知识-2001年13卷4期[8]宋丽艳，《热力学第三定律的一种表述》，大连理工大学学报-1995年1期[9]张龙，《绝对零度的思考》，大学化学-2008年3期。
创建了热力学第三定律
创建了热力学第三定律热力学第三定律，也称为绝对零度定律，是热力学中的一条基本定律。
它指出，在绝对零度（0K，即-273.15℃）时，任何物质的熵都趋于一个确定的极限值。
这个定律的提出和发展对于热力学的研究具有重要的意义。
热力学第三定律的提出可以追溯到20世纪初。
在这之前，人们已经研究了热力学的第一定律和第二定律，但对于绝对零度下物质的性质还知之甚少。
直到尼尔斯·鲁特维克（Nils Theodor David Bohr）和约翰·马克斯韦尔·普兰克（Max Planck）等科学家的工作，才为热力学第三定律的建立奠定了基础。
热力学第三定律的核心思想是通过热容的测量来研究物质在低温下的行为。
在绝对零度下，物质的熵将达到最小值，这意味着它的热容将趋于零。
根据熵和热容的关系，我们可以得到物质在绝对零度下的热容为零。
这个结论被称为热力学第三定律。
热力学第三定律的建立对于研究低温物理学和凝聚态物理学具有重要的影响。
在低温下，物质的性质将发生巨大的变化，例如超导现象的发现和研究。
热力学第三定律的应用可以帮助科学家们更好地理解和解释这些现象。
热力学第三定律的意义不仅仅局限于低温物理学领域。
它还为热力学提供了一个基本的框架，使得我们能够更好地理解物质的性质和行为。
通过研究物质在不同温度下的热容和熵的变化，我们可以揭示物质的内在规律和相互作用。
热力学第三定律的应用还包括热力学计算和工程设计。
在工程领域，我们经常需要预测和计算物质在不同温度下的热力学性质，以便设计和优化工艺过程。
热力学第三定律为这些计算和设计提供了理论基础和指导。
热力学第三定律是热力学中的一条基本定律，它描述了物质在绝对零度下的行为。
通过研究热容和熵的变化，我们可以揭示物质的性质和行为规律。
热力学第三定律的应用对于低温物理学、凝聚态物理学以及工程设计等领域具有重要的意义。
热力学第三定律的建立为热力学研究提供了一个基本框架，推动了科学的进步和技术的发展。
热力学三大定律的发展过程
热力学第一定律热力学第一定律，也就是能量守恒定律，是一切自然科学最重要的守恒律之一。
应该说，它的建立，是经典自然科学历史中最重要的发现。
我在这里介绍的，是1909年喀喇氏指出的热力学第一定律的一种更加符合逻辑的建立方式。
首先引入准静态过程，这是热物理学中极为重要的概念，它将系统的持续连续变化描述为间隔状态的连续，这应该是微分思想的一种应用吧。
准静态过程的一个重要性质是：当不考虑摩擦力作用时，系统所经历的过程可以用状态参量描述。
我们大学所进行的一切热力学计算几乎都是建立在这一性质基础之上的。
现在要思考能量传递的三种方式：1.功 2.热辐射 3.热传递。
这里，我们尚不知道热量为何物，在逻辑上，热量的概念暂时是不可能提出的，可以提到的是功。
至于热辐射，超出简单系统的范围，且对热力学第一定律的建立没有影响，不做考虑。
功，既是热物理的概念，也是力学的概念，其意义在于将几何参量的变化与力学参量的变化结合起来。
数学表达式为变化功=压强×变化体积将其推广得到广义力和广义体积，不再解释。
让我们看看Joule(焦耳)的两个实验，他试图找出功与系统的一个微妙关系：A.在一密闭隔热水箱的水中置一水轮，连线到水箱外的砝码，砝码自由下落带动水轮转动，测量砝码下落距离与水的温度变化；B.在一密闭隔热水箱的水中置一金属棒，两端接水箱外一电源，测量水温变化与电池作用时间及其功率。
从Joule的实验，我们注意到实验中系统的性质——绝热。
喀喇氏指出，绝热过程的定义不应使用热量这一概念，这正是喀喇氏理论的核心。
绝热过程定义为：系统状态的变化完全是由外界的机械功或电磁作用引起，这种过程叫绝热过程。
Joule的两个实验都是绝热过程。
实验的结论是：绝热过程中，外界对系统作功只与系统的初态和末态的状态有关，也就是说，一个系统的状态量在系统初与末时的差异等于从外界获得的功。
我们称这个状态量为内能。
其数学表达为系统末态内能—系统初态内能=外界对系统作功值或系统内能改变量=外界对系统作功值这就是内能的引入，似乎比我们想象的药简单，但要知道，Joule做了20年类似上面的两个实验，谈何容易。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2.6热力学第三定律的建立和低温物理学的发展热力学第三定律是物理学中又一条基本定律，它不能由任何其它物理学定律推导得出，只能看成是从实验事实作出的经验总结。
这些实验事实跟低温的获得有密切的关系。
2.6.1气体的液化与低温的获得低温的获得是与气体的液化密切相关的。
早在十八世纪末荷兰人马伦（Martin van Marum，1750—1837）第一次靠高压压缩方法将氨液化。
1823年法拉第在研究氯化物的性质时，发现玻璃管的冷端出现液滴，经过研究证明这是液态氯。
1826年他把玻璃管的冷端浸入冷却剂中，从而陆续液化了H2S，HCl，SO2，及C2N2等气体。
但氧、氮、氢等气体却毫无液化的迹象，许多科学家认为，这就是真正的“永久气体”。
接着许多人设法改进高压技术提高压力，甚至有的将压力加大到3000大气压，空气仍不能被液化。
气液转变的关键问题是临界点的发现。
法国人托尔（C.C.Tour，1777—1859）在1822年把酒精密封在装有一个石英球的枪管中，靠听觉通过辨别石英球发出的噪音发现，当加热到某一温度时，酒精将突然全部转变为气体，这时压强达到119大气压。
这使托尔成了临界点的发现者，然而当时他并不能解释。
直到1869年安德纽斯（Thomas Andrews，1813—1885）全面地研究了这一现象之后，才搞清楚气液转变的全过程。
安德纽斯是爱尔兰的化学家，贝伐斯特（Belfast）大学化学教授。
1861年他用了比前人优越得多的设备从事气液转变的实验，他选用CO2作为工作物质，作了完整的p-V图，如图2－6。
由图可以看出CO2气液转变的条件和压强、温度的依赖关系。
当温度足够高时，气体服从波意耳定律，当温度高于临界温度时，不论加多大的压力也无法使气体液化。
安德纽斯的细致测量为认识分子力开辟了道路。
“永久气体”中首先被液化的是氧。
1877年，几乎同时由两位物理学家分别用不同方法实现了氧的液化。
法国人盖勒德（Louis Paul Cailletet，1832—1913）将纯净的氧压缩到300大气压，再把盛有压缩氧气的玻璃管置于二氧化硫蒸气（-29℃）中，然后令压强突降，这时在管壁上观察到了薄雾状的液氧。
正当盖勒德向法国科学院报告氧的液化时，会议秘书宣布，不久前接到瑞士人毕克特（Paous－Pierre Pictet，1846—1929）从日内瓦打来的电报说：“今天在320大气压和140的冷度（即-140℃）下联合使用硫酸和碳酸液化氧取得成功。
”他是用真空泵抽去液体表面的蒸气，液体失去了速度最快的分子而降温，然后用降温后的液体包围第二种液体，再用真空泵抽去第二种液体表面的蒸气，它的温度必然低于第一种液体，如此一级一级联下去，终于达到了氧的临界温度。
6年后的1883年，波兰物理学家乌罗布列夫斯基（S.Wrob－lewski，1845—1888）和化学家奥耳舍夫斯基（K.Olszewski，1846—1915）合作，将以上两种方法综合运用，并作了两点改进：一是将液化的氧用一小玻璃管收集，二是将小玻璃管置于盛有液态乙烯的低温槽中（温度保持在-130℃），这样他们就第一次收集到了液氧。
后来奥耳舍夫斯基在低温领域里续有成就，除了氢和氦，对所有的气体他都实现了液化和固化，此外还研究了液态空气的种种性质。
1895年德国人林德（Carl von Linde， 1842—1934）和英国人汉普孙（William Hampson， 1854—1926）同时而分别地利用焦耳和W.汤姆生发现的多孔塞效应实现液化气体，并分别在德国和英国获得了专利。
1893年1月20日杜瓦宣布发明了一种特殊的低温恒温器（cryostat）——后来称为杜瓦瓶。
1898年他用杜瓦瓶实现了氢的液化，达到了20.4K。
翌年又实现了氢的固化，靠抽出固体氢表面的蒸气，达到了12K。
荷兰莱登大学的低温实验室在昂纳斯（Kamerlingh Onnes，1853—1926）的领导下于 1908年首开记录，获得了 60cc的液氦，达到4.3K，第二年达到1.38—1.04K。
2.6.2热力学第三定律的建立绝对零度的概念似乎早在17世纪末阿蒙顿（G.Amontons）的著作中就已有萌芽。
他观测到空气的温度每下降一等量份额，气压也下降等量份额。
继续降低温度，总会得到气压为零的时候，所以温度降低必有一限度。
他认为任何物体都不能冷却到这一温度以下。
阿蒙顿还预言，达到这个温度时，所有运动都将趋于静止。
一个世纪以后，查理（Charles）和盖—吕萨克（Gay－Lussac）建立了严格的气体定律，从气体的压缩系数α=1/273，得到温度的极限值应为-273℃。
1848年，W.汤姆生确定绝对温标时，对绝对零度作了如下说明：“当我们仔细考虑无限冷相当于空气温度计零度以下的某一确定的温度时，如果把分度的严格原理推延足够地远，我们就可以达到这样一个点，在这个点上空气的体积将缩减到无，在刻度上可以标以-273°，所以空气温度计的（-273°）是这样一个点，不管温度降到多低都无法达到这点。
”绝对零度不可能达到，在物理学家的观念中似乎早已隐约预见到了。
但是这样一条物理学的基本原理，却是又过了半个多世纪，到1912年才正式提出来的。
1906年，德国物理化学家能斯特（W.Nernst，1864—1941）在为化学平衡和化学的自发性（Chemical spontancity）寻求数学判据时，作出了一个基本假设，并提出了相应的理论——他称之为“热学新理论”，人称能斯特定理。
这个理论的核心内容是：设A表示化学亲合势（Chemical affinity）， U表示反应热，T表示绝对温度，则有这个关系也叫赫姆霍兹方程。
能斯特根据实验事实，作了一个假设，即当T →0时，A=U，于是得以曲线表示如图2－7。
接着他推论说：①：“在低温下，任何物质的比热都要趋向某一很小的确定值，这个值与凝聚态的性质无关。
”后来，能斯特通过实验证明，这个“很小的确定值”就是零，与爱因斯坦的量子比热理论一致。
当时，能斯特并没有利用熵的概念，他认为这个概念不明确。
但普朗克则相反，把熵当作热力学最基本的概念之一，所以当普朗克了解到能斯特的工作后，立即尝试用熵来表述“热学新理论”。
他的表述是：“在接近绝对零度时，所有过程都没有熵的变化”。
或：1912年能斯特在他的著作《热力学与比热》中，将“热学新理论”表述成：“不可能通过有限的循环过程，使物体冷到绝对零度。
”这就是绝对零度不可能达到定律，也是热力学第三定律通常采用的表述方法。
西蒙（F.Simon，1893—1956）在1927—1937年对热力学第三定律作了改进和推广，修正后称为热力学第三定律的能斯特-西蒙表述：当温度趋近绝对零度时，凝聚系统（固体和液体）的任何可逆等温过程，熵的变化趋近于零。
以上对热力学第三定律的不同表述，实际上都是相当的。
2.6.3低温物理学的发展自从1908年莱顿实验室实现了氦的液化以来，低温物理学得到了迅速发展。
昂纳斯的规模宏大的低温实验室成了国际上研究低温的基地。
他和他的合作者不断创造新的成绩，对极低温下的各种物理现象进行了广泛研究，测量了10K以下的电阻变化，发现金、银、铜等金属的电阻会减小到一个极限值。
1911年，他们发现汞、铅和锡等一些金属，在极低温下电阻会突然下降。
1913年昂纳斯用“超导电性”来代表这一事实，这年他获得了诺贝尔物理奖。
1911—1926年间，昂纳斯继续对液氦进行了广泛研究，并发现了其他许多超导物质，不过他一直未能实现液氦的固化。
这件工作是在1926年由他的同事凯森（W.Keesom）在液氦上加压25大气压才得以完成，这时的温度为0.71K。
1928年凯森发现2.2K下液氦中有特殊的相变。
十年后，苏联的卡皮查（Капица）和英国的阿伦（Allen）和密申纳（Misener）分别却是同时地发现液氦在2.2K以下可以无摩擦地经窄管流出，一点粘滞性也没有，这种属性叫超流动性。
正当人们在用各种方法探索低温的进程中，一种崭新的致冷方法——磁冷却法应运而生，这种方法也叫顺磁盐绝热去磁冷却法。
加拿大青年物理学家盖奥克（William Francis Giauque）和德国著名物理学家德拜（Pieter Debye）于 1926年分别发表了这方面的论文。
但是由于技术上的困难，直到1933年才由盖奥克和麦克道盖尔（Mac Dongall）在美国加州的伯克利以及德哈斯（W.J.de Haas）、韦尔斯玛（E.C.Wiersma）和克拉麦斯（H.A.Kramers）在莱顿，同时但又独立地实现，他们分别达到0.25K和0.13K。
后来经过近二十年的努力，用磁冷却法最低达到了0.003K左右。
1956年，英国人西蒙和克尔梯（Kurti）用核去磁冷却法获得10-5K。
1979年芬兰人恩荷姆（Ehnholm）等人，用级联核冷却法达到5×10-8K。
探索极低温条件下物质的属性，有极为重要的实际意义和理论价值。
因为在这样一个极限情况下，物质中原子或分子的无规热运动将趋于静止，一些常温下被掩盖的现象显示出来了，这就可以为了解物质世界的规律提供重要线索。
例如，1956年吴健雄等人为检验宇称不守恒原理进行的Co－60实验，就是在0.01K的极低温条件下进行的；1980年，联邦德国的克利青（Klitzing）在极低温和强磁场条件下发现了量子霍尔效应，因而获1985年诺贝尔物理奖。