第四章 热力学和统计物理学的发展
热力学和统计物理学
热力学和统计物理学
热力学和统计物理学是研究物质在宏观和微观层面上的性质和行为
的两个重要领域。
热力学主要关注宏观系统的热力性质，如温度、压力、热容等，而统计物理学则致力于从微观粒子的运动状态和相互作
用出发，揭示宏观系统的特性。
热力学是一个古老而又富有活力的学科，其发展与工业革命密不可分。
早在18世纪，人们就开始研究气体的性质和行为，提出了热力学
的基本概念和定律。
热力学通过研究能量转化的规律、热机效率等内容，为工程技术的发展提供了重要理论基础。
在19世纪末，热力学经
历了一次重大的革新，从宏观层面向微观层面延伸，建立了统计物理
学的基础。
统计物理学则是在热力学的基础上发展而来的，它更加深入地探讨
了物质的微观结构和性质。
统计物理学通过统计方法研究大量微观粒
子的运动规律和相互作用，揭示了物质在不同条件下的相变行为、热
容等性质。
统计物理学的研究领域涉及到固体、液体、气体等各种物
质状态，对于理解物质的性质和行为具有重要意义。
热力学和统计物理学的发展一直都是相辅相成的。
热力学提供了宏
观系统的描述和规律，为理解热力学系统的微观机制奠定了基础；而
统计物理学则通过微观粒子的模型和统计方法，揭示了宏观系统的行
为规律，为热力学的应用提供了更深刻的理论支持。
总的来说，热力学和统计物理学是研究物质性质和行为的两大支柱，二者相辅相成，相互促进。
通过深入研究热力学和统计物理学，人们
能够更好地理解自然界和人造系统的运行规律，为未来的科学研究和工程技术的发展提供有力支持。
热力学与统计物理学的形成
热力学与统计物理学的形成人们最初接触热的概念是和火分不开的。
自亚里士多德以后，在西方火被看作构成宇宙万物的四大元素之一。
直到16、17世纪这种观点才被三要素学说取代。
这三要素指可溶性、挥发性、可燃性的相应实体。
可燃性要素从物体中逃逸出来，这就是燃烧。
我国古代有五行说，有隧人氏"钻木取火"的传说。
"钻木取火"说明我国人民在那时已经知道了摩擦生热的现象。
但是，在古代社会生产力水平很低，人们在生产和生活中对热的利用，只限于煮熟食物、照明和取暖，最多也不过利用热来冶炼和加工一些简单的金属工具。
由于生产和生活没有对热提出进一步的要求，所以也就没有人对热现象进行深入的研究。
18世纪初，正是资本主义发展的初期，社会生产已有很大的发展。
生产需要大量的动力，许多人开始尝试利用热获得机械功，这样一来，就开始了对热现象所进行的广泛的研究。
对热现象的定量研究，首先必须解决如何客观地表示物体的冷热程度，温度计就应运而生。
虽然伽利略早在16世纪就利用气体热胀冷缩规律做成气体温度计，但这种温度计使用起来不方便，而且随外界气压变化所测得的值也不同，误差较大。
1709年华伦海特制造成了第一支用酒精做测温质的实用温度计，后来这种温度计又改用水银作测温质。
经改进，把水的冰点定为32度，水的沸点定为212度，就成了如今的华氏温度计。
华氏温标由单位用℉表示。
1742年摄尔萨斯把一标准大气压下，冰水混合物的温度定为100度，水沸点定为0度，制成另一种温标的温度计。
后来根据同事施勒默尔的建议，摄尔萨斯把这个标度倒了过来，就成了现代的摄氏温标。
实用温度计诞生之后，热学的研究走上了实验科学的道路。
随着研究的深入，人们开始考虑热的本质问题。
关于热的本质，在古希腊时代就有两种学说。
一种认为热是一种元素，另一种学说认为热是物质运动的一种表现。
热科学的实验发展以后，不少学者倾向于热是一种元素的说法，后来热的元素学说，发展成热质说。
热学热力学与统计物理
热学热力学与统计物理热学热力学与统计物理在物理学领域中，热学和热力学是研究热能和温度如何影响物体性质变化的学科。
而统计物理则是运用统计学方法，研究物质内部微观粒子的运动规律，从而推导出宏观物理规律的一门学科。
1. 热学和热力学热学和热力学是两个密切相关的学科。
热学通常是指对热量的研究，而热力学则更加注重于物质在温度变化下的特性。
热能是指分子之间的运动能量，而温度是热能的一项测量指标。
热学和热力学的概念贴近我们日常的生活，如理解我们所处的环境温度和热量传播等。
2. 统计物理统计物理则是研究物质内部微观粒子的运动规律，从而推导出宏观物理规律的一门学科。
统计物理的发展来源于固体、液体、气体等物质的性质，由此得出物质之间的概率关系。
它运用概率、统计学等方法，探讨宏观世界的物理规律。
统计物理涉及到许多理论，如热力学第二定律、玻尔兹曼分布律等重要理论。
3. 热学热力学和统计物理的关系热学热力学和统计物理都是研究物质的性质，但是角度不同。
从宏观上看，物体的温度、热容和饱和蒸汽压等的测量和计算，都是热学和热力学的范畴。
而统计物理则是从微观角度出发，研究分子的运动，以及统计规律。
比如从分子的角度看，热力学第二定律实际上是分子随机运动时候，不可能所有分子都自发向热量较小处流动，这就是宏观上温度从高到低的流动，所以热力学第二定律其实是由大量微观的统计规律所决定的。
综上所述，热学热力学和统计物理虽然不同，但在探讨物质性质的不同时期和角度下，对于我们对自然规律的认识有很大的贡献。
物理学中的热力学与统计物理理论
物理学中的热力学与统计物理理论热力学和统计物理学是物理学两个重要分支领域。
热力学主要研究热、功以及它们之间的关系，而统计物理学则是将微观粒子的运动方式和定量的统计方法结合起来，将宏观现象与微观世界联系起来，从而解释了许多宏观现象。
热力学和统计物理学分别从不同角度解释了物质与能量之间的关系，并在工业、材料等领域得到广泛应用。
首先，我们来了解一下热力学。
热力学研究的是热量和功以及它们之间的关系。
热量是能量的一种形式，它是由于温度差使得能量在物体之间传递的结果。
热力学第一定律告诉我们，它们之间是可以相互转换的，能量不会被消灭。
而功则是一种对物体施加的能量，会使物体发生运动或变形。
热力学第二定律则说明了热量的流动方向只能从高温物体向低温物体，热力学第三定律则是在温度趋向于绝对零度时，物体的熵趋近于零。
接下来，我们来谈一谈统计物理学。
统计物理学是将微观粒子的运动方式和定量的统计方法结合起来，将宏观现象与微观世界联系起来。
一个系统的热力学性质，比如温度、熵、压力等，很多时候可以通过大量的微观粒子的统计来得到。
比如系统的温度可以通过测量大量分子的平均动能获得，系统的熵可以通过分子在不同状态下的组合数来计算。
统计物理学在对系统物理性质进行预测方面发挥了很大作用。
总的来说，热力学是研究宏观物理现象的科学，而统计物理学是研究微观粒子特性的科学。
尽管两者研究的角度不同，但是在物理理论和应用方面都发挥了非常重要的作用。
在应用方面，热力学和统计物理学在工业、材料等领域都有广泛的应用。
在生产过程中，控制物体的温度、压力、湿度等参数，可以增加生产效率，提高产品质量。
在能源领域，利用热力学的原理可以生产出大量的电力，而统计物理学则可以解释材料的物理特性和性质变化规律。
总之，热力学和统计物理学是物理学两个重要分支的基础理论。
虽然从不同的角度出发，但是都在理解物质与能量之间的关系以及解决实际问题中发挥着重要的作用。
热力学和统计物理学的发展
热力学和统计物理学的发展引言热力学和统计物理学是理论物理学的两个重要分支。
它们研究的是物质的宏观行为和微观结构之间的关系。
热力学研究的是宏观系统的热力学性质，而统计物理学则研究的是微观粒子的统计规律。
本文将重点介绍热力学和统计物理学的发展历程，以及这两个领域的主要研究内容和应用。
热力学的发展热力学的起源可以追溯到18世纪末。
当时，人们开始对蒸汽机和其他热机进行研究，试图理解它们的工作原理。
热力学最初的发展是基于实验观察和经验定律。
其中最著名的是热力学的三大定律，分别是能量守恒定律、热量传递定律和熵增加定律。
19世纪，热力学得到了更加系统和深入的研究。
玻尔兹曼在统计热力学的研究中提出了熵的微观解释，为热力学的理论奠定了基础。
此后，热力学的发展逐渐变得理论化和数学化。
另外，卡诺循环和热效率的研究也为热力学的进一步发展提供了重要的概念和方法。
20世纪初，随着量子力学的发展，热力学逐渐与量子理论相结合，形成了量子统计热力学的研究领域。
热力学的第二定律也得到了更深入的解释和理解，并与信息论的发展相结合，形成了热力学中的信息理论。
统计物理学的发展统计物理学是研究物质的微观粒子的统计规律和宏观行为之间的关系。
它的发展可以追溯到19世纪。
早期的统计物理学主要集中在气体分子运动的研究上。
玻尔兹曼提出了著名的玻尔兹曼分布定律，描述了气体分子的分布情况。
熵的微观解释也为统计物理学的发展提供了重要的理论基础。
20世纪初，量子统计的理论为统计物理学提供了新的发展方向。
费米-狄拉克统计和玻色-爱因斯坦统计的提出，为粒子的统计规律提供了量子解释。
统计物理学的研究领域也逐渐扩大，包括固体物理、液体物理和凝聚态物理等。
在统计物理学的发展过程中，也涌现出了一些重要的理论和方法。
例如，近似方法、平均场理论、封闭包理论等。
这些方法和理论的应用，为研究复杂系统和非平衡态物理提供了重要的工具。
热力学和统计物理学的应用热力学和统计物理学的研究不仅在理论物理学领域具有重要意义，也在许多实际应用中发挥着重要作用。
热力学和统计物理
热力学和统计物理热力学和统计物理是物理学的两个重要分支。
这两者虽然研究目标相同，即研究自然现象中的热现象和粒子统计规律，但它们的出发点和研究方法具有显著的差异。
热力学是从宏观角度剖析物质的热现象，而统计物理则依据微观的粒子行为来研究这些现象。
二者间密切相关，互相补充，共同揭示了物质世界的奇妙本质。
一、热力学：宏观理论的力量热力学一词源自希腊语的"therme"（热）和"dynamis"（力）。
常见的热力学问题涵盖汽车发动机的效率、液体沸腾时的热传播，甚至生物体内的能量转化过程。
它使用一组精简的基本定理——热力学定律，并且不关注引发变化的具体机制。
实际上，热力学具有非常强大的预测能力，仅有有限的信息即可推测出系统的可能行为。
热力学定律，尤其是第二定律，告诉我们，在多数情况下，物质系统会自然趋向于一种更为混乱、低能的状态，这被称为熵增原理，是我们理解自然界的关键原则。
二、统计物理：微观视角的洞见与热力学不同，统计物理试图将热现象与微观粒子的行为联系起来。
统计物理学家们使用概率论来解释和计算系统中的粒子行为，例如分子在气体中的运动。
它将微观粒子的平均行为推广到整个系统，创造了一种全新的理解和预测复杂现象的方法。
商品最核心的理念是Boltzmann假设，它认为所有的微观状态（也就是所有可能的粒子配置）都是等可能的。
这个基本认识，配合粒子数和能量的守恒条件，可以推导出大部分的物质性质，比如压强、温度和熵等概念。
三、热力学与统计物理：相互补充的对话综合来看，热力学和统计物理相辅相成，互为照应。
热力学定律为统计物理提供了宏观约束，而统计物理则使得我们可以从微观角度理解热力学定律。
比如熵增准则的揭露，不仅来源于热力学的推理，还借助于统计物理的洞见。
将熵视为可能状态的度量，我们可以发现自然现象中普遍存在的无序性并非必然，而是因为无序状态远多于有序状态。
这就为我们理解和操作复杂系统提供了新的视角和工具。
物理学发展简史
物理学发展简史物理学是一门研究自然界最基本规律和物质运动的科学，它涵盖了从微观领域的粒子物理学到宏观领域的天体物理学的广泛范围。
以下是物理学发展的简史。
1. 古代物理学古代物理学起源于古希腊，早期的物理学家主要是哲学家。
他们提出了一些关于自然界的基本观点和理论，如亚里士多德的四元素理论和地心说。
然而，这些理论主要是基于推理和观察，缺乏实验验证。
2. 实验物理学的兴起随着科学方法的发展，实验物理学开始兴起。
伽利略·伽利莱是实验物理学的奠基人之一，他进行了一系列著名的实验，如斜面实验和自由落体实验，为物理学的发展奠定了基础。
3. 牛顿力学的建立17世纪末，艾萨克·牛顿提出了经典力学的三大定律，即牛顿定律。
这些定律描述了物体的运动和力的作用关系，成为物理学的重要里程碑。
此外，牛顿还提出了万有引力定律，解释了行星运动和物体受力的原理。
4. 热力学和统计物理学的发展18世纪末和19世纪初，热力学和统计物理学开始崭露头角。
詹姆斯·瓦特和萨迪·卡诺提出了热力学的基本原理，揭示了热量和能量的转化关系。
而鲁道夫·克劳修斯和路德维希·玻尔兹曼则发展了统计物理学，通过统计分析粒子的运动和行为，解释了宏观物质的性质。
5. 电磁学的建立19世纪中叶，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出了电磁场理论，将电学和磁学统一在一起。
他的方程组描述了电磁波的传播和电磁感应现象，为电磁学的发展奠定了基础。
这一理论的重要性在于揭示了光是电磁波的一种形式。
6. 相对论和量子力学的革命20世纪初，爱因斯坦提出了狭义相对论和广义相对论，彻底改变了人们对时空的认识。
狭义相对论描述了高速运动物体的行为，广义相对论则描述了引力的本质。
与此同时，量子力学的发展也引起了物理学的革命。
马克斯·普朗克、阿尔伯特·爱因斯坦、尼尔斯·玻尔等物理学家提出了量子力学的基本原理，解释了微观领域的粒子行为。
物理学中的热力学与统计物理
物理学中的热力学与统计物理热力学与统计物理的介绍热力学与统计物理是物理学中的重要分支，它研究的是宏观系统的热力学性质以及微观粒子的统计行为。
本教案将深入探讨热力学与统计物理的基本概念、定律和应用，帮助学生全面理解这一领域的知识。
一、热力学基础1. 热力学的历史发展- 介绍热力学的起源和发展过程，包括卡诺循环、热机效率等概念的提出。
2. 热力学系统与状态函数- 解释热力学系统的概念，包括封闭系统、开放系统和孤立系统。
- 介绍状态函数的定义和性质，如内能、焓、熵等。
3. 热力学定律- 讲解热力学第一定律和第二定律的原理和应用。
- 探讨热力学第三定律对低温系统的影响。
二、统计物理基础1. 统计物理的基本概念- 解释统计物理的研究对象和目标，包括微观粒子的统计行为和宏观系统的热力学性质之间的关系。
2. 统计物理中的概率与统计- 介绍概率和统计在统计物理中的应用，包括玻尔兹曼分布、麦克斯韦速度分布等。
3. 统计物理中的热力学量- 讲解微观粒子的能量分布和热力学量之间的关系，如内能、熵等。
三、热力学与统计物理的应用1. 热力学与工程- 探讨热力学在工程领域的应用，如热机、制冷与空调系统等。
2. 热力学与材料科学- 介绍热力学在材料科学中的应用，包括相变、热膨胀等。
3. 统计物理与量子力学- 讲解统计物理与量子力学的关系，包括费米子和玻色子的统计行为等。
四、热力学与统计物理的前沿研究1. 多体相互作用与相变- 探讨多体相互作用对相变行为的影响，如铁磁相变、超导相变等。
2. 非平衡态统计物理- 介绍非平衡态统计物理的研究内容和方法，包括涉及到的理论和实验技术。
3. 复杂系统与网络科学- 讲解复杂系统和网络科学在热力学与统计物理中的应用，包括网络模型、群体行为等。
总结热力学与统计物理作为物理学的重要分支，对于我们理解自然界的宏观和微观行为具有重要意义。
通过本教案的学习，学生将能够掌握热力学和统计物理的基本概念、定律和应用，了解其在工程、材料科学、量子力学等领域的重要性，并对热力学与统计物理的前沿研究有所了解。
热力学和统计物理学的发展
二计温学的发展一温度计的设计与制造1603年,伽利略制成最早的验温计：一只颈部极细的玻璃长颈瓶,倒置于盛水容器中,瓶中装有一半带颜色的水.随温度变化,瓶中空气膨胀或收缩.1631年,法国化学家詹雷伊Jean Rey,1582-1630把伽利略的细长颈瓶倒了过来,直接用水的体积的变化来表示冷热程度,但管口未密封,水不断蒸发,误差也较大.1650年,意大利费迪男二世Ⅱ用蜡封住管口,在瓶内装上红色的酒精,并在玻璃瓶细长颈上刻上刻度,制成现代形式的第一支温度计.1659年法国天文学家伊斯梅尔博里奥Ismael Buolliau制造了第一支用水银作为测温物质的温度计.二测温物质的选择和标准点的确定德国的格里凯Guericke曾提出以马德堡地区的初冬和盛夏的温度为定点温度；佛罗伦萨的院士们选择了雪或冰的温度为一个定点,牛或鹿的体温为另一个定点；1665年,惠更斯建议把水的凝固温度和沸腾温度作为两个固定点；1703年,牛顿把雪的熔点定为自己制作的亚麻子油温度计的零度,把人体温度作为12度等等.华伦海特Gabriel Danile Fahrenheit,1686-1736,德国玻璃工人,迁居荷兰制造了第一支实用温度计：他把冰、水、氨水和盐的混合物平衡温度定为00F,冰的熔点定为320F,人体的温度为960F,1724年,他又把水的沸点定为2120F.后来称其为华氏温标.列奥米尔Reaumur,1683-1757,法国以酒精和1/5的水的混合物作为测温物质,1730年制作的酒精温度计,取水的冰点为00R,水的沸点为800R,在两个固定点中间分成80等分,称为列氏温标.摄尔修斯Anders Celsius,1701-1744,瑞典天文学家,用水银作为测温物质,以水的沸点为00C冰的熔点为1000C,中间100个等分.8年后接受了同事施特默尔的建议,把两个定点值对调过来.称为摄氏温标.至1779年全世界共有温标19种.热力学温标：开尔文注意到：既然卡诺热机与工作物质无关,那么我们就可以确定一种温标,使它不依赖于任何物质,这种温标比根据气体定律建立的温标更具有优越性.据此,1854年,开尔文提出开氏温标,T= + t.又称热力学温标,它与测温物质的性质无关,即任何测温物质按这种温标定出的温度数值都是一样的.1954年国际计量大会决定将水的三相点的热力学温度定为,即热力学温度的单位—开尔文K就是水三相点热力学温度的1/三量热学的建立1.不同物质放热能力不同的发现：17世纪,意大利的科学家在实验中发现,在同一温度下具有相同重量的不同液体分别与冰混合时,冰被融化的数量是不同的,这表明不同物质的放热能力是不同的.有人认为这种能力可能与物质密度有关,密度越大,吸热和放热的能力越大.华伦海特通过实验发现：水银的的吸热能力仅仅是水的2/3,但密度却是水的十几倍,因而否定了和密度有关的说法.2.“潜热”的发现：1757年英国化学家布莱克Joseph Black,1728-1799用320F冰与1720F 同等重量的的水混合,得到平衡温度仍为320F,而不是1020F.这说明“在冰溶解中,需要一些为温度计所不能觉察的热量.”他把这种不表现为温度升高的热叫做“潜热”.同时还慎重提出热和温度是两个不同的概念.3.“热容量”及“比热”概念的提出：大约在1760年,布莱克作了如下实验把温度为1500C的金和同重量的500C的水相混合,它们达到平衡时的温度为550C,同重量而不同温度的两种物质混合在一起时,它们温度的变化是不相同.他把物质在改变相同温度时的热量变化叫做这些物质对热的“亲和性”或“接受热的能力”.后来他的学生伊尔文Irvine正式引进“热容量”的概念.1780年,麦哲伦Megellen首先使用了“比热”名词.4.热的单位“卡”的建立：法国的拉瓦锡Lavoisier和拉普拉斯Laplace发展了布莱克的工作,把一磅水升高或降低10C时所吸收或放出的热作为热的单位,称作“卡”.1777年制作了“冰量热器”.四热本质的认识1.认为热是运动的表现佛兰西斯培根从摩擦生热得出热是一种膨胀的、被约束的在其斗争中作用于物体的微小粒子的运动.波义耳认为钉子敲打之后变热,是运动受阻而变热的证明.笛卡尔认为热是物质粒子的一种旋转运动；胡克用显微镜观察火花,认为热是物体各个部分非常活跃和极其猛烈的运动；罗蒙诺索夫提出热的根源在于运动等.2.热质说认为热是一种看不见无重量的物质.热质的多少和在物体之间的流动就会改变物体热的程度.代表人物：伊壁鸠鲁、卡诺等.热质说对热现象的解释：物质温度的变化是吸收或放出热质引起的；热传导是热质的流动；摩擦生热是潜热被挤出来的,特别是瓦特在热质说的指导下改进蒸汽机的成功,都使人们相信热质说是正确的.3.“热质说”的否定1798年伦福德Count Rumford,英国由钻头加工炮筒时产生热的现象,得出热是物质的一种运动形式；1799年,戴维Humphrey Davy,1778-1829,英国化学家作了在真空容器中两块冰摩擦而融化的实验.按热质说观点,热量来自摩擦挤出的潜热而使系统的比热变小,但实际上水的比热比冰的还要大.伦福德和戴维的实验给热质说以致命打击,为热的唯动说提出了重要的实验证据.§2 .热力学第一定律的建立一定律产生的背景18世纪末到19世纪前半叶,自然科学上的一系列重大发现,广泛的揭示出各种自然现象之间的普遍联系和转化.许多科学家对这一定律的建立作出了一定贡献.1．热能和机械能：伦福德和戴维的实验证明机械能向热能的转化；蒸汽机的发明和改进—热能向机械能的转化.2．热和电德国物理学家塞贝克Thomas Johann Seebeck于1821年实现了热向电的转化-温差电：他将铜导线和铋导线连成一闭合回路,用手握住一个结点使两结点间产生温差,发现导线上出现电流,冷却一个结点亦可出现电流.电转化为热：1834年,法国的帕尔帖Peltier发现了它的逆效应,即当有电流通过时,结点处发生温度变化.1840年和1842年,焦耳和楞次分别发现了电流转化为热的着名定律.3．电和磁1820年奥斯特关于电流的磁效应的发现和1831年法拉第关于电磁感应现象的发现完成了电和磁间的相互转化.4．电和化学1800年伏打制成“伏打电堆”以及利用伏打电流进行电解,从而完成了化学运动和电运动的相互转化运动.5．化学反应和热1840年彼得堡科学院的黑斯提出关于化学反应中释放热量的重要定律：在一组物质转变为另一组物质的过程中,不管反应是通过那些步骤完成的,释放的总热量是恒定的.此外1801年关于紫外线的化学作用的发现,1839年用光照金属极板改变电池的电动势的发现；1845年光的偏振面的磁致偏转现象的发现等等,都从不同侧面揭示了各种自然现象之间的联系和转化.能量转化与守恒思想的萌发俄国的黑斯……1830年,法国萨迪·卡诺：“准确地说,它既不会创生也不会消灭,实际上,它只改变了它的形式.”但卡诺患了猩红热,脑膜炎,不幸又患了流行性霍乱,于1832年去世,享年36岁.卡诺的这一思想,在1878年才由其弟弟整理发表,但热力学第一定律已建立27年.总之,到了19世纪40年代前后,欧洲科学界已经普遍蕴含着一种思想气氛,以一种联系的观点去观察自然现象.正是在这种情况下,以西欧为中心,从事七八种专业的十多位科学家,分别通过不同途径,各自独立的发现了能量守恒原理.贡献最为突出的有三位科学家,他们是：德国的医生迈尔,英国的实验物理学家焦耳,德国的生物学家、物理学家亥姆霍兹.二.确立能量转化与守恒定律的三位科学家1.德国的迈尔罗伯特迈尔Robert Mayer,1814-1878曾是一位随船医生,在一次驶往印度尼西亚的航行中,给生病的船员做手术时,发现血的颜色比温带地区的新鲜红亮,这引起了迈尔的沉思.他认为,食物中含有的化学能,可转化为热能,在热带情况下,机体中燃烧过程减慢,因而留下了较多的氧,使血呈鲜红色.迈尔的结论是：“力能量是不灭的,但是可以转化,是不可称量的客体”.迈尔在1841年撰文论力的质和量的测定,但由于缺少实验根据以及在数学和物理方面的缺陷,未能发表；1842年论无机界的力发表了他的观点“无不能生有,有不能变无”.在1845年的论文与有机运动相联系的新陈代谢中更明确写道：“力的转化与守恒定律是支配宇宙的普遍规律.”并具体考察了5种不同形式的力：运动的力、下落的力、热、磁和电、化学力.列举了这些“力”之间相互转化的25种形式.迈尔是将热学观点用于有机世界研究的第一人.恩格斯对迈尔的工作给予很高的评价.迈尔,1814出生于德国海尔布隆一个药剂师家庭,1832年进入蒂宾根大学医学系学习,1837年因参加一个秘密学生团体而被捕并被学校开除,1838年完成医学博士学位论文答辩,获医师执照而开始行医.1840年-1841年担任开往东印度的荷兰轮船的随船医生. 1841年撰文论力的质和量的测定,但被认为缺少精确的实验根据而未发表,1842年撰文论无机界的力,1845年撰文与有机运动相联系的新陈代谢.1848年后发生了“能量守恒定律”发现优先权的争论,焦耳等英国学者否定其工作,一部分德国物理学家讥笑他不懂物理,而在此期间他的两个孩子夭折,1848年德国革命时由于他观点保守而被起义者逮捕,致使其于1849年5月跳楼自杀未遂,造成终身残疾,1851年患脑炎被人当作疯子送进疯人院.直到1862年才恢复科学活动.2.亥姆霍兹Hermann Helmholtz,1821-1894德国科学家,他认为,大自然是统一的,自然力是守恒的.1847年,发表着名论文力的守恒,阐述了有心力作用下机械能守恒原理：“当自由质点在吸力和斥力作用下而运动的一切场合,所具有的活力和张力总是守恒的.”这里活力是动能,张力是势能.接着又具体的研究了能量守恒原理在各种物理、化学过程中的应用.把能量概念从机械运动推广到普遍的能量守恒.海尔曼亥姆霍兹简介：1821年8月31日生于德国波茨坦,1838年考入柏林雷德里克威廉皇家医学院,以优异成绩于1842年毕业,担任了军医,并开始进行物理学研究.1847年,在不了解迈尔等人工作的情况下,提出了能量守恒和转化定律.1855年最早测量了神经脉动速率,把物理方法应用于神经系统的研究,由此被称为生物物理学的鼻祖.先后担任波恩大学、柯尼斯堡大学、海德尔贝格大学等校的生理学教授,1871年起,在柏林大学任物理学教授,1888年任夏洛腾堡物理技术研究所所长.着有生物光学手册、音乐理论的生理基础、论力的守恒等书.培养了一大批优秀人才.赫兹、普朗克等人都是他的学生.3.焦耳的实验研究焦耳1818-1889是英国着名的实验物理学家,家境富裕.16岁在名家道尔顿处学习,使他对科学浓厚兴趣.当时电机刚出现,焦耳注意到电机和电路中的发热现象,通过实验,焦耳于1840年发现:“产生的热量与导体电阻和电流平方成正比”并发表于论伏打电所产生的热论文中,这就是着名的焦耳——楞次定律.1843年进行了感应电流产生的热效应和电解时热效应的实验,,写了两篇关键性论文论磁电的热效应和热的机械值和论水电解时产生的热,明确指出：“自然界的能是不能消灭的,哪里消耗了机械能,总能得到相应的热,热只是能的一种形式.”焦耳使一个线圈在电磁体的两极之间转动产生感应电流,线圈放在量热器内,证实了热可以由磁电机产生.从这个实验焦耳立即领悟到热和机械功可以互相转化,在转化过程中遵从一定的当量关系.为了测定机械功和热之间的转换关系,焦耳设计了“热功当量实验仪”,焦耳在磁电机线圈的转轴上绕两条线,跨过两个定滑轮后挂上几磅重的砝码,由砝码的重量和下落的距离计算出所做的功.测得热功当量为千克力米/千卡.1844年又做了把水压入毛细管的实验和压缩空气实验,测出了热功当量分别为千克力米/千卡和千克力米/千卡.1849年发表论热功当量.焦耳测定热功当量的工作一直进行到1878年,先后采用不同的方法做了400多次实验.以精确的数据为能量守恒原理提供了无可置疑的实验证明.1850年焦耳当选为英国皇家学会会员.1878年发表热功当量的新测定,最后得到的数值为千克·米/千卡.4 热力学第一定律的表述热力学第一定律即能量守恒和转化定律,其第一种表述为：自然界一切物质都具有能量,能量有各种不同的形式,能够从一种形式转化为另一种形式,从一个物体传递给另一个物体,在转化和传递中能量的数量不变.第二种表述为：第一种永动机是不可能造成的.数学表达式为：U2-U1=Q+A U—内能,状态函数能量守恒和转化定律是自然界基本规律,恩格斯曾将它和进化论、细胞学说并列为19世纪的三大发现.5.热力学第一定律建立的成因1理论——迈尔2实验——焦耳3一批科学家的不懈努力4说明了客观条件成熟,相应的自然规律一定会发现.§3 热力学第二定律的建立热力学第一定律确定了一个封闭系统的能量是一定的,确定了各种形式能量之间转化的当量关系.但它对能量转化过程所进行的方向和限度并未给出规定和判断.比如热不会自动地由低温传向高温,过程具有方向性.这就导致了热力学第二定律的出台.德国德克劳修斯、英国的威廉汤姆逊即开尔文和奥地利的玻尔兹曼等科学家为此做了重要贡献.1917年,德国能斯特进一步提出“绝对零度是不可能达到的”热力学第三定律.一卡诺的热机理论萨迪卡诺Sadi Carnot,1796-1832法国工程师,从小从他父亲那里学习了数学、物理、语言和音乐等方面的知识,后来先后进入巴黎多科工艺学院和工兵学校学习,后来专心研究热机理论.1832年8月24日因霍乱病逝.1824年,卡诺出版了关于火的动力思考,总结了他早期的研究成果.他给自己提出的实际任务是：阐明热机工作的原理,找出热机不完善的原因,以提高热机的效率.在研究工作中,卡诺出色的运用了类比和建立理想模型的方法.类比：蒸汽机的热质热质说从高温加热器传向低温冷凝器而做功,就好象水车靠水从高处流向低处而做功一样.从而得出一正确结论：蒸汽机至少必须工作在一个高温热源和一个低温热源之间,凡是有温差的地方就能够产生动力.理想模型的建立：理想热机其效率仅取决于加热器和冷凝器的温度,与工作物质无关,其工作过程由两个等温过程当工作物质与两个热源接触时和两个绝热过程当工作物质和两个热源脱离时组成一个循环.且它的一切过程可以逆方向进行,称为可逆卡诺热机.并且由此得出：任何实际热机的效率都不可能大于在同样两热源之间工作的卡诺热机的效率.但由于他的热质观点和过早病逝,使他未能完全探索到问题的底蕴.卡诺认为工作物质把热量从高温热源传到低温热源而作功,但热质守恒.而实际上热的传递和消耗是同时发生的.1850年,克劳修斯在迈尔、焦耳和卡诺等人工作的基础上,提出了热力学第一定律的数学形式：dQ=dU+dW 二热力学第二定律的物理表述1.卡诺和焦耳的矛盾19世纪中叶,开尔文即威廉汤姆逊注意到：焦耳的工作表明机械能定量的转化为热,而卡诺的热机理论则认为热在蒸汽机里不能转化为机械能,所以开尔文和克劳修斯的进一步工作就是要从根本上解决这一矛盾.2.热力学第二定律的提出根据能量的转化和守恒定律,对于热机应有Q1=Q2+A,所以热机的效率为η=A/Q1=Q1-Q2/Q1=1-Q2/Q1越小,热机效率η越高.当Q2=0时η=1,但大量事实说从此式可看出,Q2明热机不可能只从单一热源吸取热量完全变为功,而不可避免地将一部分热量传给低温热源.1851年,开尔文在总结这些及其它一些实验经验的基础上提出了热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量,使之完全变为有用的功而不产生其他影响.热力学第二定律的第二种开尔文表述为：第二种永动机是不可能造成的.克劳修斯同样发现了卡诺的失误,因为热机从高温热源得到的热量Q1不等于热机传给低温热源的热量Q2,即Q1≠Q2.因此他根据热传导总是从高温热源传向低温物体,而不可能自发的逆转这一事实,于1850年提出了热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不可能自动的从低温物体传到高温物体而不发生其他任何变化.三熵1.熵的概念1854年,克劳修斯进一步指出,虽然热机在循环过程中Q1≠Q2,但热量Q 与热源温度T之比值是一定的,即Q1/T1=Q2/T2.称为“熵”,用符号S=Q/T表示.通常我们考虑的是系统在变化过程中熵的变化.对于一微小状态变化,一般取熵变为dS=dQ/T.2.熵的物理意义1877年,一生致力于用统计力学研究热运动的玻尔兹曼指出：熵是分子无序的量度,熵与无序度W即某一宏观态对应的微观态数,即宏观态出现的几率之间的关系式为：S=klnW.S上式称为玻尔兹曼关系式,k=×10-23J/K 称为玻尔兹曼常数.3.熵增加原理1865年,克劳修斯指出：“对于任何一个封闭系统…在一个循环过程中出现的所有熵的代数和,必须为正或在极限情况下等于零.”这就是熵增加原理.4.熵增加原理的意义熵是从运动不能转化的一面去量度运动转化的能力,它表示着运动转化已经完成的程度,或者说是运动丧失转化能力的程度.在没有外界作用的情况下,一个系统的熵越大,就越接近于平衡状态,系统的能量也就越来越不能供利用了.熵增加原理揭示了自然过程的不可逆性,或者说运动的转化对于时间、方向的不对称性.自然系统中发生的一切自然过程总是沿着熵增加的方向进行.5.熵entropy举例①用20元人民币在市场公平轻易购得一袋大米,而这袋大米却不能在市场上轻易地换成20元.②封闭容器中原被限制在某一局部的气体分子一旦限制取消,分子将自由地充满整个容器,但却不能自发地再回缩到某个局部.③瓷瓶落地成碎片,而碎片却不能自发回复成瓷瓶.④生米煮成熟饭,熟饭却不能凉干成生米.6.熵是态函数,初态与终态差别何在①终态能量的可交换能力活力低于初态.②态的无序程度大于初态.③终态宏包含的微观态数大于初态的.即：终态↑⇒⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛↑↑↓2S 混乱程度微观态数能量活力 初态反之 ↓⇒1S∴熵增原理：在闭合体系中0S S S 12≥-=∆宏观态与微观态：现有4个分子,按不同的组合方式左右分布,所可能有的微观态数和宏观态数分列于下表：微观态 左 0 ab cd a b c d bc d ac d ab d ab c a b a c a d c d b d b c 右 ab cd 0 bc d ac d ab d ab c a b c d c d b d b c a b a c ad 宏观态左 0 4 1 3 2 右 4 0 3 1 2 W 1 1 4 4 6 S 小大 在上表中,宏观态5个,微观态16个.最无序为6个微观态.熵高,说明宏观态出现的几率大,而对应的微观态数多,意味着“无序”、和“混乱”；熵低,说明宏观态出现的概率小,对应的微观态数少,意味着“有序”和“规律”四 宇宙热寂说1865年,可劳修斯在热力学第二定律中写到：“宇宙的熵力图达到某一最大值”,在1867年的演讲中,又进一步指出：“宇宙越接近这一最大值的极限状态,就失去继续变化的动力,如果最后完全达到这个状态,那就任何进一步的变化都不会发生了,这时宇宙就会进入一个死寂的永恒的状态.”1852年,开尔文在论自然界中机械能散失的一般趋势中说：“自然界中占统治地位的趋向是能量转变为热而使温度拉平,最终导致所有物体的工作能力减小到零,达到热死状态.”※熵增加和进化论的矛盾：热力学第二定律指出,自发过程总是朝熵增加的方向进行,即朝无序方向进行,而达尔文的进化论指出,生物进化的方向是由简单到复杂,由低级到高级---朝有序方向发展,※解释：①不能把在有限的时空范围内得到的原理推广到整个宇宙；②关于负熵：1944年,薛定谔发表专着生命是什么,指出“一个生命有机体在不断地增加它的熵,…并趋于接近最大熵值的危险状态---死亡,要摆脱死亡,就是说活着,唯一的办法就是从环境中不断吸取负熵,…这就是生命的热力学基础.生命体摄取食物、宇宙膨胀以及地球向外辐射能量等过程均为负熵. ※耗散结构理论1967年,普里高金为首的布鲁塞尔学派建立了耗散结构理论,对揭开生命科学之谜具有重大意义.生物体的生长、发育、繁殖,进行新陈代谢就不能处于热力学平衡态,活的生物体与周围环境不断进行着物质和能量交换,是一个开放系统.对于开放系统,其总熵变为：dS=deS+diSdt S d dt S d dt dS i e +=原理；熵产生，应满足熵增加程引起的熵变化率，叫为系统内部的不可逆过其中dt S d i可正可负。
热力学统计物理
热力学统计物理热力学统计物理是热力学和统计力学的结合，是研究宏观系统的热力学性质和微观粒子的统计行为的学科。
它的发展源于19世纪末20世纪初的热力学危机，通过引入统计方法解决了热力学的一些难题，为物理学的发展做出了重要贡献。
热力学是研究热现象和能量转换的一门学科，它研究的是宏观系统的平衡态和平衡态之间的转变。
热力学定律包括能量守恒定律、熵增定律和温度定律等。
热力学通过建立热力学函数和状态方程来描述系统的性质和行为。
统计力学是研究微观粒子的运动和行为的学科，它研究的是微观粒子的统计分布和运动规律。
统计力学通过统计方法描述了微观粒子的行为，从而揭示了宏观系统的性质。
热力学统计物理的核心思想是建立宏观和微观之间的联系，通过统计方法揭示了宏观系统的性质和行为。
它通过统计方法描述了微观粒子的行为，从而推导出宏观系统的热力学性质。
热力学统计物理研究的对象包括气体、固体、液体等各种物质系统，以及相变、非平衡态等现象。
它研究的问题包括系统的能量、熵、温度等热力学性质，以及系统的相平衡、相变等统计行为。
热力学统计物理的基本概念包括系统、态、态函数、平衡态和宏观约束等。
系统是研究对象，态是系统的状态，态函数是描述系统性质的函数，平衡态是系统达到的稳定状态，宏观约束是对系统的约束条件。
热力学统计物理的基本原理包括热力学基本假设、统计力学基本假设和热力学统计物理定律等。
热力学基本假设包括系统的孤立性和混合性，统计力学基本假设包括等概率原理和无区别原理，热力学统计物理定律包括能量守恒定律、熵增定律和温度定律等。
热力学统计物理的应用包括热力学分析、热力学循环、相变理论、非平衡态理论等。
热力学分析用来研究系统的热力学性质和行为，热力学循环用来研究热力学循环过程的效率和功率，相变理论用来研究物质的相变行为，非平衡态理论用来研究非平衡态系统的行为。
热力学统计物理的发展对物理学的发展产生了重要影响。
它不仅为热力学提供了统计解释，解决了热力学的一些难题，还为量子力学的发展提供了重要思想和方法。
热力学与统计物理的关系
热力学与统计物理的关系热力学和统计物理是物理学中两个重要的分支领域，它们之间有着密切的关系。
热力学是研究热现象和能量转化规律的科学，而统计物理则是通过统计方法研究大量微观粒子的集体行为。
本文将探讨热力学与统计物理之间的关系，以及它们在物理学研究中的重要性。
热力学是研究热现象和能量转化规律的科学。
它主要研究热力学系统的宏观性质，如温度、压强、热容等。
热力学的基本定律包括热力学第一定律（能量守恒定律）、热力学第二定律（熵增加定律）和热力学第三定律（绝对零度不可达定律）。
热力学的研究对象是宏观系统，它关注的是系统的整体性质，而不涉及系统内部微观粒子的运动状态。
统计物理是通过统计方法研究大量微观粒子的集体行为。
统计物理的研究对象是微观系统，它通过统计方法描述系统内部微观粒子的运动状态，并从中推导出系统的宏观性质。
统计物理的基本方法是利用统计学的知识对微观粒子的分布进行统计分析，从而揭示系统的宏观性质与微观粒子之间的关系。
热力学和统计物理之间存在着密切的关系。
热力学是描述宏观系统的性质和规律，而统计物理则是揭示宏观性质与微观粒子之间的联系。
热力学和统计物理之间的关系可以用“宏观-微观对应”的原则来描述，即通过统计物理的方法可以揭示系统微观粒子的运动状态，从而推导出系统的宏观性质，而热力学则是描述系统的宏观性质和规律。
热力学和统计物理在物理学研究中起着重要的作用。
热力学是研究热现象和能量转化规律的基础理论，它为工程技术和自然科学提供了重要的理论基础。
统计物理则是研究微观粒子的集体行为的理论，它揭示了微观粒子之间的相互作用规律，为材料科学和凝聚态物理提供了重要的理论支持。
总的来说，热力学和统计物理是物理学中两个重要的分支领域，它们之间有着密切的关系。
热力学描述宏观系统的性质和规律，而统计物理揭示了宏观性质与微观粒子之间的联系。
热力学和统计物理在物理学研究中发挥着重要的作用，为工程技术和自然科学的发展提供了重要的理论支持。
物理学中的热力学和统计物理学
物理学中的热力学和统计物理学热力学和统计物理学是物理学中非常重要的研究领域。
它们研究的是物体的热力学性质以及微观粒子的性质，是理解各种物质性质的重要工具。
热力学和统计物理学还可以为我们提供解决实际问题的方法。
1. 热力学热力学研究物质的热力学性质，包括温度、热量、热能、热容等等。
热力学基本定律是能量守恒定律、熵增定律和温度规律，这些定律对于我们了解热力学过程和阐明其规律性起着关键性的作用。
热力学是物理的，也是一门实用性很强的学问，在工业生产、生命科学和环境工程等方面有很广泛的应用。
热力学的一个重要应用是热能转化，也就是把热能转换成机械能。
这一现象是由热力学第二定律所描述的。
同时，热力学也与工业生产有着密切的关系。
工业生产中，我们需要控制物质的温度、压力和能量传递等各种性质，这些性质都是可以通过热力学定律来控制的。
2. 统计物理学统计物理学研究微观粒子的规律和性质，包括物质的热膨胀、固体、液体、气体等等。
与传统的物理学相比，它可以用较少的规律和公式描述很多物理规律，这也是它在科学研究和应用中的优势。
统计物理学主要针对微观的粒子运动，利用统计学的方法研究物质宏观性质的规律。
它的基本思想是通过大量微小粒子的运动状态，来推导出物质的宏观性能。
统计物理学的研究对象包括分子、原子、介观粒子和物质团等。
统计物理学还可以应用于天文学、化学、材料科学等领域。
例如，在物理化学中，我们可以利用统计物理学的方法来描述物质中的化学反应过程。
同时，统计物理学也可以在材料科学上提供更好的材料选择方案，从而提高工业生产效率。
总之，热力学和统计物理学是相互独立又密切关联的两个学科，它们的知识体系和研究方法为我们深入理解物质构成、性质和规律性提供了有力的工具。
通过研究热力学和统计物理学，我们可以更好地了解客观世界，为工业生产、环境保护等等方面提供更优秀的解决方案。
热力学与统计物理学的关系
热力学与统计物理学的关系热力学和统计物理学是物理学中两个重要的分支领域，它们之间存在着密切的关系。
热力学研究物质的宏观性质和相互作用，而统计物理学则是从微观角度去描述物体和分子的运动行为。
本文将探讨热力学与统计物理学之间的关系，并介绍它们各自的基本概念和原理。
一、热力学的基本概念和原理热力学是研究物质在宏观尺度上的热现象和能量转换规律的科学，它关心的是热力学系统的状态变化。
热力学中的基本概念包括系统、状态、过程、热力学函数等。
系统是研究对象，可以是封闭系统、开放系统或孤立系统；状态是系统的一组宏观性质的集合，可用物态方程描述；过程是系统从一个状态到另一个状态的变化；热力学函数是描述系统热力学性质的函数，如内能、焓、熵等。
热力学的基本原理包括能量守恒定律、熵增定律和热力学第零、第一、第二定律等。
能量守恒定律表明在封闭系统中，能量既不能创造也不能消失，只能从一种形式转化为另一种形式。
熵增定律指出在孤立系统中，熵总是趋于增加，且熵增的速率正比于系统所吸收的热量与其温度之比。
热力学的零、一、二定律分别描述了能量平衡、能量传递和能量转化的规律。
二、统计物理学的基本概念和原理统计物理学是研究物质在微观尺度上的运动规律和物理性质的科学，它关注的是分子与原子之间的相互作用。
统计物理学的基本概念包括微观态、宏观态、量子态、概率分布等。
微观态是指系统中每个粒子的具体状态，宏观态是指对大量微观态的统计平均结果。
量子态是描述粒子量子力学性质的函数，如波函数。
概率分布则是描述粒子在各种微观态下出现的概率。
统计物理学的基本原理包括量子统计原理和统计力学原理。
量子统计原理根据粒子的自旋来区分费米子和玻色子，并根据波函数的对称性来描述其统计行为。
费米子遵循费米-狄拉克统计，玻色子遵循玻色-爱因斯坦统计。
统计力学原理根据微观粒子的运动规律，通过概率分布和分配函数等来研究宏观物体的性质。
三、热力学与统计物理学的关系热力学和统计物理学之间的关系可以用统计力学来建立。
热力学与统计物理学的基本原理
热力学与统计物理学的基本原理热力学和统计物理学是研究物质宏观性质和微观粒子行为的领域，它们的发展为我们理解自然界提供了重要的工具和方法。
本文将就热力学和统计物理学的基本原理展开讨论，探索它们对于物质世界的重要性。
1. 热力学的基本原理热力学研究能量和热的转换、守恒以及宏观物质状态的变化。
它的核心概念是热力学系统和热平衡。
热力学系统可以是封闭系统、开放系统或孤立系统，它的变化可以通过热、功和物质流来描述。
而热平衡则指系统内部各点之间的温度均匀分布，没有热量传递。
热力学第一定律是能量守恒的基本原理。
它表明能量可以从一种形式转化为另一种形式，但在转化过程中总能量保持不变。
这一定律奠定了能量守恒的基础，对于分析各种热力学过程至关重要。
热力学第二定律则关注热的转移方向。
它表明热永远只能从高温物体流向低温物体，热量不会自动从低温物体转移到高温物体。
这一定律定义了热力学中熵的概念，熵代表了系统的无序程度。
热力学第二定律还引出了热力学箭头时间，即过程只能在某些方向上进行，而不能逆转。
2. 统计物理学的基本原理统计物理学是研究物质微观粒子行为的学科，它通过统计方法分析大量粒子的统计行为，推导出宏观性质。
统计物理学的基本原理包括统计系综和玻尔兹曼分布。
统计系综是一种描述物质状态的概率分布函数。
根据系统守恒量的类型，可分为正则系综、巨正则系综和微正则系综。
正则系综适用于封闭系统，巨正则系综适用于开放系统，微正则系综适用于孤立系统。
玻尔兹曼分布则是统计物理学中的一个重要结果，它描述了经典气体粒子的分布情况。
玻尔兹曼分布提供了气体粒子数目与能量的关系，帮助我们理解气体的性质和行为。
3. 热力学与统计物理学的关系热力学和统计物理学互为补充，共同揭示了物质世界的规律。
热力学通过宏观变量和定律的研究，揭示了宏观物质状态的变化规律。
而统计物理学则通过微观粒子的统计行为，推导出宏观性质。
熵是热力学和统计物理学的重要概念，它是描述系统无序程度的物理量。
物理学中的热力学与统计力学
物理学中的热力学与统计力学热力学和统计力学是物理学中两个重要的分支，它们探讨的是物质的热量、能量和物态变化等现象。
热力学从宏观角度出发，考虑物质的宏观性质，而统计力学则从微观角度出发，考虑物质微观粒子的运动状态。
本文将就热力学和统计力学的基本概念、定律和应用进行探讨。
一、热力学热力学的基本概念包括温度、热量、功等。
温度是物质内部能量的度量，热量是热能的转移，功则是力在物质上的作用产生的效果。
热力学研究的对象是物质在不同温度下的物态变化，例如固态、液态和气态的转换等。
热力学的基本定律包括三大定律和一些衍生的定理。
第一定律是能量守恒定律，第二定律是热力学第二定律，第三定律是三个热力学定律中最为深奥的一条，它告诉我们在0K时，理论上物质的热力学性质达到最简单的状态。
热力学有很多实际应用，例如汽车发动机、空调、电站发电以及温度计等。
其他方面的应用还包括化学反应的研究、火箭动力学的推算以及热加工过程的分析。
二、统计力学统计力学是对于物质微观粒子行为的描述。
统计力学假设物质由微观粒子构成，这些粒子处于不断的热运动状态。
统计力学研究的问题包括气体的压强、液体的密度、固体的弹性等问题。
统计力学的基本概念包括微观状态、微观粒子的密度和状态密度等，这些概念都是用来描述微观粒子的运动状态。
在统计力学中，人们可以建立几种概率分布的模型，例如玻尔兹曼分布和麦克斯韦-玻尔兹曼分布等。
统计力学可以用于解释物质宏观行为的各种特性。
例如，理解固体的弹性行为可以通过描述固体中微观粒子的行为。
给定固体的温度和物质的宏观形态，通过对微观粒子的行为进行计算，可以推断宏观性质。
总之，热力学和统计力学是物理学的重要分支，它们都对我们理解物质的性质、宏观运动和相变特性等问题非常有帮助。
在今天的世界中，我们广泛应用热力学和统计力学的原理，从化工工业到能源消耗，从天文学到生物学和生命科学，热力学和统计力学都有很重要的应用价值。
热力学和统计物理学的研究
热力学和统计物理学的研究热力学与统计物理学是物理学中最重要且深入研究的两个分支之一。
它们探讨了宏观和微观世界的物理现象，使物理学家们能够更深入地了解物质世界的本质。
热力学是一种研究物理学中热现象的学科。
它描述了物理系统中的热力学量，例如热量、温度和热功等。
对于相变现象、热力学循环和热机的运作机理等，热力学都有许多相关的理论和模型。
热力学有着广泛的应用，在化学、生物、地球科学等领域都有应用。
例如，在生化反应和许多化学工艺过程中，热力学的理论能够帮助科学家们设计新的反应和优化反应条件。
统计物理学是一门研究微观粒子及其集合行为的学科。
它主要研究由大量的分子、原子等微观粒子组成的宏观物体的性质。
统计物理学是最有效的物理学工具之一，其研究范围涉及几乎所有物质种类。
这是因为所有物质都由原子和分子这些微观粒子组成，这些微观粒子的行为在宏观尺度上表现出来。
统计物理学对许多领域都有着深远的影响，例如材料科学、化学、生物学、医学等。
在材料科学中，统计物理模型能够帮助研究材料在不同温度下的行为和性质。
在生物学中，它能够帮助研究蛋白质、DNA分子等生物分子的结构和功能。
热力学和统计物理学对我们的现代生活有着深远的影响。
例如，理解热力学和统计物理学理论，我们能够更好的设计太阳能电池板和核聚变反应堆等能源技术。
此外，它们还为我们研究和设计新型材料及药物提供了非常重要的理论基础。
总结来说，热力学和统计物理学是对物理学领域的深刻研究，涉及了广泛的领域。
通过理解这些领域的理论和模型，我们可以更好地理解自然界的特性和物质的本质，为我们的生活和科学技术带来更多的帮助和影响。
热力学和统计物理学
热力学和统计物理学热力学是物理学的一个分支，研究能量转化与能量守恒的规律，以及物质系统的性质和行为。
统计物理学是热力学的延伸，它研究微观粒子的行为，并通过统计方法来揭示物质的宏观性质。
本文将简要介绍热力学和统计物理学的基本概念和关键内容。
一、热力学的基本概念热力学研究的对象是宏观物质系统，强调系统与外界的能量交换和守恒。
热力学第一定律是能量守恒定律，指出能量可以从一个系统传递到另一个系统，但总能量保持不变。
第二定律是热力学的核心，包括熵增原理和热力学箭头。
熵增原理指出孤立系统的熵永远不减，在自然过程中总是增加或保持不变。
热力学箭头则指出热量只能从高温物体传递到低温物体，不可能自动从低温物体传递到高温物体。
二、统计物理学的基本概念统计物理学研究微观粒子的行为，通过统计方法来揭示宏观物质性质。
统计物理学的核心是研究系统的物态密度，它描述了系统中粒子的能量分布。
物态密度与热力学量之间存在密切联系，通过物态密度可以计算熵、内能和压力等重要物理量。
统计物理学中的玻尔兹曼分布和费米-狄拉克分布描述了粒子在不同能级上的分布情况，从而揭示了系统的热力学性质。
三、热力学和统计物理学的关系热力学和统计物理学是密不可分的。
热力学描述了宏观系统的能量转化和性质变化，而统计物理学则从微观粒子的行为出发，解释了这种宏观行为的本质。
两者相辅相成，在研究物质系统时都起到了重要作用。
热力学提供了宏观的物理量和状态方程，而统计物理学则通过微观粒子的统计规律，解释和预测了热力学的结果。
四、应用领域热力学和统计物理学的应用广泛，涉及材料科学、化学、生物学和天体物理学等领域。
在材料科学中，热力学和统计物理学可以用来研究材料的相变行为和热导率等性质。
在化学中，它们可以解释化学反应的热效应和平衡常数。
在生物学中，热力学和统计物理学有助于理解生命现象和蛋白质的折叠过程。
在天体物理学中，热力学和统计物理学可以解释天体物质的行为和演化。
结语热力学和统计物理学是物理学中重要的两个分支，它们的发展推动了科学的进步和技术的发展。
统计物理学与热力学统计学
统计物理学与热力学统计学统计物理学和热力学统计学是物理学中两个重要的分支，它们旨在研究热力学系统的平均行为和统计行为。
虽然两者在研究对象和方法上有所不同，但它们之间存在紧密的关联。
统计物理学是一门研究微观粒子行为对宏观物理性质影响的学科。
它基于统计推理和概率理论，通过将微观粒子的性质统计平均来研究系统宏观性质的统计规律。
统计物理学的研究重点包括气体理论、热力学、相变、固体物理学等。
热力学统计学是热力学和统计物理学的结合，它把计算机模拟和统计方法应用到研究热力学系统中。
热力学统计学通过使用概率和统计分析揭示了热力学系统中的微观行为。
这种方法使我们能够理解热力学系统的平均性质和概率分布。
统计物理学和热力学统计学的发展与熵的概念密切相关。
熵是热力学系统的一个重要参数，它描述了热力学系统的无序程度。
在统计物理学中，熵可以用概率分布函数的信息熵来表示。
这一概念使得我们能够从统计角度来理解热力学系统的性质。
统计物理学和热力学统计学在实际应用中发挥了重要作用。
它们的研究成果不仅对物理学有着重要的意义，也为其他学科领域提供了理论和方法。
例如，在材料科学中，通过统计物理学和热力学统计学的方法，我们能够研究材料的物理性质和相变行为。
在生物学中，通过统计物理学的方法，我们能够研究生物分子的结构和功能。
另一个重要的应用领域是统计力学的模拟计算。
统计力学的模拟计算通过使用大规模计算机模拟的方法，能够研究复杂系统的平均特征和统计行为。
这种方法不仅在物理学中被广泛应用，也在其他学科领域有着重要的应用价值。
总之，统计物理学和热力学统计学是物理学中重要的分支，它们通过统计推理和概率理论研究热力学系统的平均性质和统计行为。
它们的研究成果为理论物理学和应用科学提供了重要的基础和方法。
统计物理学和热力学统计学的进一步发展将有助于我们更好地理解自然界中复杂的物理系统。
物理学的发展
第四章物理学的发展物理学是研究物质基本结构和物质运动的最一般规律的科学，是其它科学和技术的基础和发源地。
一方面，它推动着人们的认识观念与思维方式的变革与发展，另一方面，又通过技术转化为直接生产力，为社会和经济服务。
同时，物理学也是一门不断发展的科学，向着物质世界的深度和广度不断前进。
原始的自然观和物理学的起源与发展在第二章中已经谈到一些，本章叙述的主要是经典物理学至现代物理学的发展和相关内容。
经典物理学是指19世纪末以前的物理学部分，包括经典力学、热力学、统计物理学、经典电磁学等；现代物理学是指20世纪初发展起来的物理学部分，包括量子力学、相对论、原子核物理、粒子物理学等内容。
4.1 经典物理学的诞生与发展从16世纪到18世纪，大约有300年的时间，是近代自然科学形成和发展时期。
这一时期，在资产阶级民主革命和资本主义生产发展的推动下，自然科学摆脱了宗教神学的束缚和坚持对自然界进行精密的观察和实验的研究，以前所未有的速度发展起来。
第谷、开普勒、伽利略、笛卡尔、牛顿等科学家都为新时代科学思想的建立作出了贡献。
其中最杰出的成就是牛顿创立了经典力学体系，实现了以力学为中心的科学知识的第一次大综合。
4.1.1 经典力学体系的建立丹麦天文学家第谷·布拉赫（T.Brahe, 1546～1601年）以毕生精力进行观测，获得了大量数据资料，为开普勒（J.Kepler，1571～1630年）行星运动三定律的108研究作了充分准备。
与此同时，以伽利略(G.Galileo，1564～1642年)为代表的物理学家对力学开展了广泛研究，得到了自由落体定律。
伽利略的两部著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》和《关于力学和局部运动的两门新科学的对话和数学证明》（通常简称为《两门新科学》，所谓两门新科学是指材料力学和运动力学），为力学的发展奠定了思想基础。
随后，牛顿（I.Newton，1642～1727年）在总结伽利略和开普勒等人研究成果的基础上，进行分析综合，建立了牛顿力学三定律和万有引力定律。
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第四章热力学和统计物理学的发展教学目的和要求:掌握:几种温标的建立;热力学三定律的发现过程及内容;在分子运动论的建立中,克劳修斯作出的贡献;麦克斯韦,玻尔兹曼对统计力学的建立作出的贡献.熟悉:计温学与量热学的发展;关于热的本质的学说的发展;了解:气体运动定律;了解克劳修斯是如何得到熵概念和熵增加原理的;教学重点,难点:几种温标的建立;热力学三定律的发现过程及内容;在分子运动论的建立中,克劳修斯作出的贡献;麦克斯韦,玻尔兹曼对统计力学的建立作出的贡献教学内容:§1.热学现象的初期研究一蒸汽机的发明1690年巴本(Frnid Papin,1647-1712,法国,惠更斯助手)首先制成带有活塞和汽缸的实验性蒸汽机;1698年,托马斯萨维里(Thomas Savery,1650-1715,英国军事工程师)制成一具蒸汽水泵;1705年,托马斯纽可门(Thomas Newcomen,1663-1729,英国铁匠)在萨维里和巴本的基础上,研制了一个带有活塞的封闭的圆筒汽缸,活塞通过一杠杆和一排水泵相连.是一个广义的把热转变为机械力的原动机,是蒸汽机最早的雏形.并真正有效地应用于矿井排水.但活塞的每次下降都必须将整个汽缸和活塞同时冷却,热量的损失太大.1769年,詹姆斯瓦特(James Watt,1736-1819,法国,格拉斯哥大学仪器维修工)改进了纽可门机,把冷凝过程从汽缸内分离出来,即在汽缸外单独加一个冷凝器而使汽缸始终保持在高温状态.1782年,又制造出了使高压蒸汽轮流的从两端进入汽缸,推动活塞往返运动的蒸汽机,使机器运作由断续变连续,从而蒸汽机的使用价值大大提高,导致了欧洲的工业革命.1785年,热机被应用于纺织;1807年,热机被美国人富尔顿应用于轮船;1825年被用于火车和铁路.二计温学的发展(一)温度计的设计与制造1603年,伽利略制成最早的验温计:一只颈部极细的玻璃长颈瓶,倒置于盛水容器中,瓶中装有一半带颜色的水.随温度变化,瓶中空气膨胀或收缩.1631年,法国化学家詹雷伊(Jean Rey,1582-1630)把伽利略的细长颈瓶倒了过来,直接用水的体积的变化来表示冷热程度,但管口未密封,水不断蒸发,误差也较大.1650年,意大利费迪男二世(G.D.Ferdinand Ⅱ)用蜡封住管口,在瓶内装上红色的酒精,并在玻璃瓶细长颈上刻上刻度,制成现代形式的第一支温度计.1659年法国天文学家伊斯梅尔博里奥(Ismael Buolliau)制造了第一支用水银作为测温物质的温度计.(二)测温物质的选择和标准点的确定德国的格里凯(Guericke)曾提出以马德堡地区的初冬和盛夏的温度为定点温度;佛罗伦萨的院士们选择了雪或冰的温度为一个定点,牛或鹿的体温为另一个定点;1665年,惠更斯建议把水的凝固温度和沸腾温度作为两个固定点;1703年,牛顿把雪的熔点定为自己制作的亚麻子油温度计的零度,把人体温度作为12度等等.华伦海特(Gabriel Danile Fahrenheit,1686-1736,德国玻璃工人,迁居荷兰)制造了第一支实用温度计:他把冰,水,氨水和盐的混合物平衡温度定为00F,冰的熔点定为320F,人体的温度为960F,1724年,他又把水的沸点定为2120F.后来称其为华氏温标.列奥米尔(Reaumur,1683-1757,法国)以酒精和1/5的水的混合物作为测温物质,1730年制作的酒精温度计,取水的冰点为00R,水的沸点为800R,在两个固定点中间分成80等分,称为列氏温标.摄尔修斯(Anders Celsius,1701-1744,瑞典天文学家),用水银作为测温物质,以水的沸点为00C冰的熔点为1000C,中间100个等分.8年后接受了同事施特默尔(M.Stromer)的建议,把两个定点值对调过来.称为摄氏温标.至1779年全世界共有温标19种.热力学温标:开尔文注意到:既然卡诺热机与工作物质无关,那么我们就可以确定一种温标,使它不依赖于任何物质,这种温标比根据气体定律建立的温标更具有优越性.据此,1854年,开尔文提出开氏温标,T=272.3 + t.又称热力学温标,它与测温物质的性质无关,即任何测温物质按这种温标定出的温度数值都是一样的.1954年国际计量大会决定将水的三相点的热力学温度定为273.16K,即热力学温度的单位—开尔文(K)就是水三相点热力学温度的1/273.16三量热学的建立1.不同物质放热能力不同的发现:17世纪,意大利的科学家在实验中发现,在同一温度下具有相同重量的不同液体分别与冰混合时,冰被融化的数量是不同的,这表明不同物质的放热能力是不同的.有人认为这种能力可能与物质密度有关,密度越大,吸热和放热的能力越大.华伦海特通过实验发现:水银的的吸热能力仅仅是水的2/3,但密度却是水的十几倍,因而否定了和密度有关的说法.2."潜热"的发现:1757年英国化学家布莱克(Joseph Black,1728-1799)用320F冰与1720F同等重量的的水混合,得到平衡温度仍为320F,而不是1020F.这说明"在冰溶解中,需要一些为温度计所不能觉察的热量."他把这种不表现为温度升高的热叫做"潜热".同时还慎重提出热和温度是两个不同的概念.3."热容量"及"比热"概念的提出:大约在1760年,布莱克作了如下实验把温度为1500C的金和同重量的500C的水相混合,它们达到平衡时的温度为550C,同重量而不同温度的两种物质混合在一起时,它们温度的变化是不相同.他把物质在改变相同温度时的热量变化叫做这些物质对热的"亲和性"或"接受热的能力".后来他的学生伊尔文(Irvine)正式引进"热容量"的概念.1780年,麦哲伦(Megellen)首先使用了"比热"名词.4.热的单位"卡"的建立:法国的拉瓦锡(Lavoisier)和拉普拉斯(Laplace)发展了布莱克的工作,把一磅水升高或降低10C时所吸收或放出的热作为热的单位,称作"卡".1777年制作了"冰量热器".四热本质的认识1.认为热是运动的表现佛兰西斯培根从摩擦生热得出热是一种膨胀的,被约束的在其斗争中作用于物体的微小粒子的运动.波义耳认为钉子敲打之后变热,是运动受阻而变热的证明.笛卡尔认为热是物质粒子的一种旋转运动;胡克用显微镜观察火花,认为热是物体各个部分非常活跃和极其猛烈的运动;罗蒙诺索夫提出热的根源在于运动等.2.热质说认为热是一种看不见无重量的物质.热质的多少和在物体之间的流动就会改变物体热的程度.代表人物:伊壁鸠鲁,卡诺等.热质说对热现象的解释 :物质温度的变化是吸收或放出热质引起的;热传导是热质的流动;摩擦生热是潜热被挤出来的,特别是瓦特在热质说的指导下改进蒸汽机的成功,都使人们相信热质说是正确的.3."热质说"的否定1798年伦福德(Count Rumford,英国)由钻头加工炮筒时产生热的现象,得出热是物质的一种运动形式;1799年,戴维(Humphrey Davy,1778-1829,英国化学家)作了在真空容器中两块冰摩擦而融化的实验.按热质说观点,热量来自摩擦挤出的潜热而使系统的比热变小,但实际上水的比热比冰的还要大.伦福德和戴维的实验给热质说以致命打击,为热的唯动说提出了重要的实验证据.§2 .热力学第一定律的建立一定律产生的背景18世纪末到19世纪前半叶,自然科学上的一系列重大发现,广泛的揭示出各种自然现象之间的普遍联系和转化.许多科学家对这一定律的建立作出了一定贡献.1.热能和机械能:伦福德和戴维的实验证明机械能向热能的转化;蒸汽机的发明和改进—热能向机械能的转化.2.热和电德国物理学家塞贝克(Thomas Johann Seebeck)于1821年实现了热向电的转化-温差电:他将铜导线和铋导线连成一闭合回路,用手握住一个结点使两结点间产生温差,发现导线上出现电流,冷却一个结点亦可出现电流.电转化为热:1834年,法国的帕尔帖(Peltier)发现了它的逆效应,即当有电流通过时,结点处发生温度变化.1840年和1842年,焦耳和楞次分别发现了电流转化为热的著名定律.3.电和磁1820年奥斯特关于电流的磁效应的发现和1831年法拉第关于电磁感应现象的发现完成了电和磁间的相互转化.4.电和化学1800年伏打制成"伏打电堆"以及利用伏打电流进行电解,从而完成了化学运动和电运动的相互转化运动.5.化学反应和热1840年彼得堡科学院的黑斯(G.H.Hess)提出关于化学反应中释放热量的重要定律:在一组物质转变为另一组物质的过程中,不管反应是通过那些步骤完成的,释放的总热量是恒定的.此外1801年关于紫外线的化学作用的发现,1839年用光照金属极板改变电池的电动势的发现;1845年光的偏振面的磁致偏转现象的发现等等,都从不同侧面揭示了各种自然现象之间的联系和转化.能量转化与守恒思想的萌发俄国的黑斯……1830年,法国萨迪·卡诺:"准确地说,它既不会创生也不会消灭,实际上,它只改变了它的形式." 但卡诺患了猩红热,脑膜炎,不幸又患了流行性霍乱,于1832年去世,享年36岁.卡诺的这一思想,在1878年才由其弟弟整理发表,但热力学第一定律已建立27年.总之,到了19世纪40年代前后,欧洲科学界已经普遍蕴含着一种思想气氛,以一种联系的观点去观察自然现象.正是在这种情况下,以西欧为中心,从事七八种专业的十多位科学家,分别通过不同途径,各自独立的发现了能量守恒原理.贡献最为突出的有三位科学家,他们是:德国的医生迈尔,英国的实验物理学家焦耳,德国的生物学家,物理学家亥姆霍兹.二.确立能量转化与守恒定律的三位科学家1.德国的迈尔罗伯特迈尔(Robert Mayer,1814-1878)曾是一位随船医生,在一次驶往印度尼西亚的航行中,给生病的船员做手术时,发现血的颜色比温带地区的新鲜红亮,这引起了迈尔的沉思.他认为,食物中含有的化学能,可转化为热能,在热带情况下,机体中燃烧过程减慢,因而留下了较多的氧,使血呈鲜红色.迈尔的结论是:"力(能量)是不灭的,但是可以转化,是不可称量的客体".迈尔在1841年撰文《论力的质和量的测定》,但由于缺少实验根据以及在数学和物理方面的缺陷,未能发表;1842年《论无机界的力》发表了他的观点 "无不能生有,有不能变无".在1845年的论文《与有机运动相联系的新陈代谢》中更明确写道:"力的转化与守恒定律是支配宇宙的普遍规律." 并具体考察了5种不同形式的力:运动的力,下落的力,热,磁和电,化学力.列举了这些"力"之间相互转化的25种形式.迈尔是将热学观点用于有机世界研究的第一人.恩格斯对迈尔的工作给予很高的评价.迈尔,1814出生于德国海尔布隆一个药剂师家庭,1832年进入蒂宾根大学医学系学习,1837年因参加一个秘密学生团体而被捕并被学校开除,1838年完成医学博士学位论文答辩,获医师执照而开始行医.1840年-1841年担任开往东印度的荷兰轮船的随船医生. 1841年撰文《论力的质和量的测定》,但被认为缺少精确的实验根据而未发表,1842年撰文《论无机界的力》,1845年撰文《与有机运动相联系的新陈代谢》.1848年后发生了"能量守恒定律"发现优先权的争论,焦耳等英国学者否定其工作,一部分德国物理学家讥笑他不懂物理,而在此期间他的两个孩子夭折,1848年德国革命时由于他观点保守而被起义者逮捕,致使其于1849年5月跳楼自杀未遂,造成终身残疾,1851年患脑炎被人当作疯子送进疯人院.直到1862年才恢复科学活动.2.亥姆霍兹(Hermann Helmholtz,1821-1894)德国科学家,他认为,大自然是统一的,自然力是守恒的.1847年,发表著名论文《力的守恒》,阐述了有心力作用下机械能守恒原理:"当自由质点在吸力和斥力作用下而运动的一切场合,所具有的活力和张力总是守恒的."这里活力是动能,张力是势能.接着又具体的研究了能量守恒原理在各种物理,化学过程中的应用.把能量概念从机械运动推广到普遍的能量守恒.海尔曼亥姆霍兹简介:1821年8月31日生于德国波茨坦,1838年考入柏林雷德里克威廉皇家医学院,以优异成绩于1842年毕业,担任了军医,并开始进行物理学研究.1847年,在不了解迈尔等人工作的情况下,提出了能量守恒和转化定律.1855年最早测量了神经脉动速率,把物理方法应用于神经系统的研究,由此被称为生物物理学的鼻祖.先后担任波恩大学,柯尼斯堡大学,海德尔贝格大学等校的生理学教授,1871年起,在柏林大学任物理学教授,1888年任夏洛腾堡物理技术研究所所长.著有《生物光学手册》,《音乐理论的生理基础》,《论力的守恒》等书.培养了一大批优秀人才.赫兹,普朗克等人都是他的学生.3.焦耳的实验研究焦耳(1818-1889)是英国著名的实验物理学家,家境富裕.16岁在名家道尔顿处学习,使他对科学浓厚兴趣. 当时电机刚出现,焦耳注意到电机和电路中的发热现象,通过实验,焦耳于1840年发现:"产生的热量与导体电阻和电流平方成正比"并发表于《论伏打电所产生的热》论文中,这就是著名的焦耳——楞次定律.1843年进行了感应电流产生的热效应和电解时热效应的实验,,写了两篇关键性论文《论磁电的热效应和热的机械值》和《论水电解时产生的热》,明确指出:"自然界的能是不能消灭的,哪里消耗了机械能,总能得到相应的热,热只是能的一种形式."焦耳使一个线圈在电磁体的两极之间转动产生感应电流,线圈放在量热器内,证实了热可以由磁电机产生.从这个实验焦耳立即领悟到热和机械功可以互相转化,在转化过程中遵从一定的当量关系.为了测定机械功和热之间的转换关系,焦耳设计了"热功当量实验仪",焦耳在磁电机线圈的转轴上绕两条线,跨过两个定滑轮后挂上几磅重的砝码,由砝码的重量和下落的距离计算出所做的功.测得热功当量为428.9千克力米/千卡.1844年又做了把水压入毛细管的实验和压缩空气实验,测出了热功当量分别为424.9千克力米/千卡和443.8千克力米/千卡.1849年发表《论热功当量》.焦耳测定热功当量的工作一直进行到1878年,先后采用不同的方法做了400多次实验.以精确的数据为能量守恒原理提供了无可置疑的实验证明.1850年焦耳当选为英国皇家学会会员.1878年发表《热功当量的新测定》,最后得到的数值为423.85千克·米/千卡.4 热力学第一定律的表述热力学第一定律即能量守恒和转化定律,其第一种表述为:自然界一切物质都具有能量,能量有各种不同的形式,能够从一种形式转化为另一种形式,从一个物体传递给另一个物体,在转化和传递中能量的数量不变.第二种表述为:第一种永动机是不可能造成的.数学表达式为: U2-U1=Q+A (U—内能,状态函数)能量守恒和转化定律是自然界基本规律,恩格斯曾将它和进化论,细胞学说并列为19世纪的三大发现.5.热力学第一定律建立的成因1)理论——迈尔2)实验——焦耳3)一批科学家的不懈努力4)说明了客观条件成熟,相应的自然规律一定会发现.§3 热力学第二定律的建立热力学第一定律确定了一个封闭系统的能量是一定的,确定了各种形式能量之间转化的当量关系.但它对能量转化过程所进行的方向和限度并未给出规定和判断.比如热不会自动地由低温传向高温,过程具有方向性.这就导致了热力学第二定律的出台.德国德克劳修斯,英国的威廉汤姆逊(即开尔文)和奥地利的玻尔兹曼等科学家为此做了重要贡献.1917年,德国能斯特进一步提出"绝对零度是不可能达到的"热力学第三定律. 一卡诺的热机理论萨迪卡诺(Sadi Carnot,1796-1832)法国工程师,从小从他父亲那里学习了数学,物理,语言和音乐等方面的知识,后来先后进入巴黎多科工艺学院和工兵学校学习,后来专心研究热机理论.1832年8月24日因霍乱病逝.1824年,卡诺出版了《关于火的动力思考》,总结了他早期的研究成果.他给自己提出的实际任务是:阐明热机工作的原理,找出热机不完善的原因,以提高热机的效率.在研究工作中,卡诺出色的运用了类比和建立理想模型的方法.类比:蒸汽机的热质(热质说)从高温加热器传向低温冷凝器而做功,就好象水车靠水从高处流向低处而做功一样.从而得出一正确结论:蒸汽机至少必须工作在一个高温热源和一个低温热源之间,凡是有温差的地方就能够产生动力.理想模型的建立:理想热机其效率仅取决于加热器和冷凝器的温度,与工作物质无关,其工作过程由两个等温过程(当工作物质与两个热源接触时)和两个绝热过程(当工作物质和两个热源脱离时)组成一个循环.且它的一切过程可以逆方向进行,称为可逆卡诺热机.并且由此得出:任何实际热机的效率都不可能大于在同样两热源之间工作的卡诺热机的效率.但由于他的热质观点和过早病逝,使他未能完全探索到问题的底蕴.卡诺认为工作物质把热量从高温热源传到低温热源而作功,但热质守恒.而实际上热的传递和消耗是同时发生的.1850年,克劳修斯在迈尔,焦耳和卡诺等人工作的基础上,提出了热力学第一定律的数学形式:dQ=dU+dW二热力学第二定律的物理表述1.卡诺和焦耳的矛盾19世纪中叶,开尔文(即威廉汤姆逊)注意到:焦耳的工作表明机械能定量的转化为热,而卡诺的热机理论则认为热在蒸汽机里不能转化为机械能,所以开尔文(和克劳修斯)的进一步工作就是要从根本上解决这一矛盾.2.热力学第二定律的提出根据能量的转化和守恒定律,对于热机应有Q1=Q2+A,所以热机的效率为η=A/Q1=(Q1-Q2)/Q1=1-Q2/Q1从此式可看出,Q2越小,热机效率η越高.当Q2=0时η=1,但大量事实说明热机不可能只从单一热源吸取热量完全变为功,而不可避免地将一部分热量传给低温热源.1851年,开尔文在总结这些及其它一些实验经验的基础上提出了热力学第二定律的开尔文表述:不可能从单一热源吸取热量,使之完全变为有用的功而不产生其他影响.热力学第二定律的第二种开尔文表述为:第二种永动机是不可能造成的.克劳修斯同样发现了卡诺的失误,因为热机从高温热源得到的热量Q1不等于热机传给低温热源的热量Q2,即Q1≠Q2.因此他根据热传导总是从高温热源传向低温物体,而不可能自发的逆转这一事实,于1850年提出了热力学第二定律的克劳修斯表述:热量不可能自动的从低温物体传到高温物体而不发生其他任何变化. 三熵1.熵的概念1854年,克劳修斯进一步指出,虽然热机在循环过程中Q1≠Q2,但热量Q与热源温度T之比值是一定的,即Q1/T1=Q2/T2.称为"熵",用符号S=Q/T表示.通常我们考虑的是系统在变化过程中熵的变化.对于一微小状态变化,一般取熵变为dS=dQ/T.2.熵的物理意义1877年,一生致力于用统计力学研究热运动的玻尔兹曼指出:熵是分子无序的量度,熵与无序度W(即某一宏观态对应的微观态数,即宏观态出现的几率)之间的关系式为:S=klnW.S上式称为玻尔兹曼关系式,k=1.38×10-23J/K称为玻尔兹曼常数.3.熵增加原理1865年,克劳修斯指出:"对于任何一个封闭系统…在一个循环过程中出现的所有熵的代数和,必须为正或在极限情况下等于零."这就是熵增加原理.4.熵增加原理的意义熵是从运动不能转化的一面去量度运动转化的能力,它表示着运动转化已经完成的程度,或者说是运动丧失转化能力的程度.在没有外界作用的情况下,一个系统的熵越大,就越接近于平衡状态,系统的能量也就越来越不能供利用了.熵增加原理揭示了自然过程的不可逆性,或者说运动的转化对于时间,方向的不对称性.自然系统中发生的一切自然过程总是沿着熵增加的方向进行.5.熵(entropy)举例①用20元人民币在市场公平轻易购得一袋大米,而这袋大米却不能在市场上轻易地换成20元.②封闭容器中原被限制在某一局部的气体分子一旦限制取消,分子将自由地充满整个容器,但却不能自发地再回缩到某个局部.③瓷瓶落地成碎片,而碎片却不能自发回复成瓷瓶.④生米煮成熟饭,熟饭却不能凉干成生米.6.熵是态函数,初态与终态差别何在①终态能量的可交换能力(活力)低于初态.②态的无序程度大于初态.③终态(宏)包含的微观态数大于初态的.即:终态初态(反之)∴熵增原理:在闭合体系中宏观态与微观态:现有4个分子,按不同的组合方式左右分布,所可能有的微观态数和宏观态数分列于下表: 微观态左abcdabcdbcdacdabdabcabacadcdbdbc右abcd 0bcd acd abd abc abcdcdbdbcabacad宏观态左4132右4312W11446S小大在上表中,宏观态5个,微观态16个.最无序为6个微观态.熵高,说明宏观态出现的几率大,而对应的微观态数多,意味着"无序",和"混乱";熵低,说明宏观态出现的概率小,对应的微观态数少,意味着"有序"和"规律"四宇宙热寂说1865年,可劳修斯在《热力学第二定律》中写到:"宇宙的熵力图达到某一最大值",在1867年的演讲中,又进一步指出:"宇宙越接近这一最大值的极限状态,就失去继续变化的动力,如果最后完全达到这个状态,那就任何进一步的变化都不会发生了,这时宇宙就会进入一个死寂的永恒的状态."1852年,开尔文在《论自然界中机械能散失的一般趋势》中说:"自然界中占统治地位的趋向是能量转变为热而使温度拉平,最终导致所有物体的工作能力减小到零,达到热死状态."※熵增加和进化论的矛盾:热力学第二定律指出,自发过程总是朝熵增加的方向进行,即朝无序方向进行,而达尔文的进化论指出,生物进化的方向是由简单到复杂,由低级到高级---朝有序方向发展,※解释:①不能把在有限的时空范围内得到的原理推广到整个宇宙;②关于负熵:1944年,薛定谔发表专著《生命是什么》,指出"一个生命有机体在不断地增加它的熵,…并趋于接近最大熵值的危险状态---死亡,要摆脱死亡,就是说活着,唯一的办法就是从环境中不断吸取负熵,…。