第一节课 热学导论

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卡诺明白指出热不是一种物质而是一种能量的形式， 虽然他是最早有热力学能量守恒概念的人，但由于 晚了近五十年，其间又有梅耶（Julius Robert Mayer, 1814-1878）和焦耳提出功能互换的原理， 故一般都不把卡诺视为能量守恒定律的创始人，况 且在一八七八年时，第一定律和第二定律皆已完成 了。
焦耳奠定热力学基础
英国物理学家焦耳奠定了「能量守恒定律」，
为热力学的发展确立基础，同时，其理论亦 造就了冷冻系统的发展，改善了普罗大众的 生活素质。
他是第一位研究热能、机械能与电能的相互
关系的科学家，也是第一位发现气体自由膨 胀时四周温度会随之下降的科学家。
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焦耳James Prescott Joule (1818-1889)花了 将近四十年的时间来证明功转换成热时，功和所产生热的比是 一个恒定的值 ，即热功当量 。 The
权威的皇家学会的新年致辞中，发表了题 为〈笼罩在热和光的动力理论上的十九世 纪之云〉的著名演讲，他认为物理世界晴 空万里，动力理论（dynamic）可以解释一 切物理问题；唯有两个小问题：即以太理 论和黑体辐射理论 ，尚待解决。
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第四个阶段：二十世纪三○年代至今
这个时期主要是由于量子力学的引进而建立
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一七八九年出生于美国后到英国又到德国而受封的伦福伯 爵（Count Rumford）（原名Benjamin Thompson）在慕 尼黑兵工厂监督大炮钻孔，发现热是因摩擦而产生，因而 断言，热不是物质而是来自运动。
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一七九九年英国化学家，即后来的首任皇家研究院 院长戴维（Sir Humphry Davy）在维持冰点的真空 容器中进行摩擦的实验，发现即使是两块冰相互摩 擦也有些冰熔化成水，所以他认为摩擦引起物体微 粒的振动，而这种振动就是热。
Calorifics？
Thermal-dynamics！
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学习这门课可以带给我们 什么样的认识？
热学的由来以及对人类生活的改变：
热学的内容 学习方法 学习时间安排及推荐书目
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热学的发展

第一个阶段：十七世纪末到 十九世纪中叶
热学的早期史，开始于十七世纪末到十九世纪中叶， 这个时期累积了大量的实验和观察结果，并制造出 了蒸汽机，对「热」的本质展开了研究和争论，为 热力学理论的建立做好了准备。
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第一定律的形成
克劳修斯（Rudolf
Julius Emmanuel Clausius）是第一位把热力学第一定律用数 学形式表达出来的人，接着又提出热力学第 二定律，一八五四年首次引入「熵」的概念， 一八六五年发现「熵增加原理」，一八五一 年第一次运用统计概念导出气体的压力公式， 一八五八年又引进自由程概念，导出了平均 自由程公式，一八七九年获英国皇家学会的 科普利奖。
了量子统计力学，同时非平衡态理论也有更 进一步的发展，形成了近代理论与实验物理 学中最重要的一环。
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热学的主要内容
热学是专门探讨能量内涵、能量转换以及能
量与物质间交互作用的科学，尤其专注在系 统与外在环境间能量的交互作用，是结合工 程、物理与化学的一门学问。 早期物理中， 把研究热现象的部分称为热物理，后来称为 热学，近代则称之为热力学，被许多理工相 关科系列为必修的基础课程。 许多工程科学 都是由热力学所衍生的或与其有密切关联， 例如热传学、流体力学、材料科学等。
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Clausius公式
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在十九世纪前半叶首先出现的卡诺理论、热
机理论（第二定律的前身）和热功相当互换 的原理（第一定律的基础）已经包含了热力 学的基本思想，这一阶段的热力学还留在热 力学的现象描述，并未引进任何数学算式。
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第三个阶段：十九世纪七○年末到二 十世纪初
有人说，上帝要给人类科学，于是「牛顿」
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卡诺循环
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卡诺是以「卡诺循环」留名于科学史的，这件事在一八二
四年出版的《关于火的动力考察》里面有详细的说明。 开始 时，卡诺研究促进蒸汽机发展所需要的理论，他的理论基础 是「热素的保存」和「永动机械不可能」这两个原理，他指 出热从高温物体移到低温物体时才会产生动力，并认为最理 想的机械应该具备： 由带着活塞的汽缸里面的气体所产生的 等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩等四种循环过程 （又称卡诺循环 ）。 关于这个过程和相反过程合并的系统， 他用永动机械不可能的原理证明了「 在理想的机械，由于同 量热素的移动会产生同量的工作，而其量只由温度决定 」， 这个「 卡诺定律 」成为热力学的基础。
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凯尔文是位天才，十岁进大学，二十二岁剑桥大学 就想礼聘他去当物理系主任，绝对温度K就来自于 他姓氏的缩写，热力学第二定律是他提出的，液态 氮是他首先压缩制出的，环球资讯的第一条电缆是 他铺的，电子检流器是他发明的，同位素放射理论 是他先想出来的。
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一九○○年初，凯尔文在英国物理学界最
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虽然有伦福和戴维教授极力否定热是一种物
质说法，但是仍无法改变人们认为热是一种 物质的概念。 直到十九世纪中叶后，卡诺（Nicolas Leonard Sadi Carnot）死后50年其理论才被 人们重视，加上德国梅耶（Julius Bobert Mayer）医师和英国物理学家焦耳的努力才 改变了人们的观念，促使了第一定律和第二 定律成熟地产生。


一八五二年，他又发现气体迅速自由膨胀时，温度会下 降 ，这效应被后人广泛用以建立冷冻系统，促成了日后 冷气机与电冰箱的发明。 焦耳最为人称颂的成就是：能量的测定与各种能量间相互 转换关系的研究。他最初的研究兴趣是电学，制造了许多 不同形式的发电机，希望能改善发电机的效率，由于这项 企图，他开始思索电能、热能与机械能间的转换关系。一 八四八年，他透过实验证明，当物体所含的力学能转换为 热能时，整体能量会保持不变，能的形式可以互相转变， 但是总能量永远不变。在这个基础上逐渐发展出「能量守 恒定律」，这是物理学的基本定律之一，焦耳可说是主要 的贡献者。他从一八四三年发表了一系列论文描述如何测 热功当量，在一八七八年得到当量值为每千卡423.85 kgwm，可换算得每卡4.154焦耳，此值与现今的标准值误 差在1％之内。
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第二个阶段：十九世纪中到十九世 纪七○年代末
这个时期发展了热力学和分子运动论，这些理论的 诞生与热功相当原理有关。 热功相当原理奠定了热力学第一定律的基础，而第 一定律和卡诺理论结合，又导致热力学第二定律的 形成；热功相当原理跟微粒说结合则导致了分子运 动论的建立，另一方面，以牛顿力学为基础的气体 动力论也开始发展，而在这段时期内人们并不了解 热力学与气体动力论之间的关连，热力学和分子运 动论彼此还是隔绝的。
entrance of the Manchester Town Hall is the statue of James Prescott Joule
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焦耳在一八一八年出生于英国曼彻斯特一个
酿酒厂家庭，自小体弱，虽然没有上过小学， 但他极为好学，在家自学化学及物理学，十 六岁上剑桥大学与著名的英国化学家道耳吞 （John Dalton）学习，在完成教育后，回 到家中即开始建立专属的实验室，并进行独 立的研究。 在一八四○年发表的论文中，他率先把热能 与其他能量连上关系，指出电流所生的热， 跟电阻和电流平方的乘积成正比 ，这称为 22 「 焦耳效应 」。
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卡诺放弃热素说，转为热的运动说，几乎 到达「能量守恒定律」。 但可能因为他不 属于物理学家集团，故直到一八三四年， 其研究才由克拉贝龙（Benoit Pierre Emile Clapeyron）介绍于世。 十年后， 英国的凯尔文（William Thompson Baron Kelvin）利用他的研究提倡绝对温度的观 念。 接着由克劳修斯完成了热力学的基础。 其弟在卡诺死后46年（即一八七八年）将 其部分手稿交给法国科学院，这些资料显 示他还计算了热功当量的数值，（凯尔文 计算的数值每卡约为3.577焦耳，与现今 用的数值每卡4.187焦耳，误差约14.6 ％）。
相信
相信你做得到，你一定会做到。 不断告诉自己某一件事，即使不是真的，最 后也会让自己相信。 ----哈佛校训
《热学》 第一课： 序言
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题外话
1、学习热学有什么用？热学与后续课
程（热力学.统计物理）的联系。 2、大学的目的是什么？什么是真正的 大学？ 3、如何学习?
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热学的由来和构成

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蒸汽汽车
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“热”本质的争论
人们长久以来对温度和热量的概念混淆不清，多数 人以为物体冷热的程度代表着物体所含热的多寡。 首先德国斯塔尔（Georg Ernst Stahl）教授提出热 是一种燃素，后来荷兰波哈维（Hermann Boerhaave）教授甚至说热是一种物质。 虽然热是一种物质的说法不正确，但波哈维教授把 华氏40度的冷水与同质量华氏80度的热水相混而得 华氏60度的水，却隐约地得到热量守恒的一个简单 定则；不过对于不同质量，甚至不同物质的冷热物 体的混合，他就难以解释了。
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Julius Robert von Mayer (1814–1878)

梅耶是德国的医生，但对行医兴趣不大，他没有实验设备，更没有从当 代物理学家取得任何帮助，是一个独立的研究工作者。 一八四○年左右， 他的第一篇论文寄给德国物理年鉴，文中提出能量守恒和转换的概念， 认为运动、热、电等都可以归结为一种力的现象，它们有一定的规律转 换，但此论文被退回未能发表。 一八四二年他不死心又投稿到化学和药 学年鉴上，除了重述能量守恒的概念，并提出热可以作功，功也可以产 生热的能量等价观念，并根据比热实验推出热功当量，此文也未受重视。 于是在一八四五年他自费印发了第三篇论文，且明确指出， 热功当量即 是气体在等压膨胀过程中所作的功，其值等于定压下所吸收的热量与定 容下所吸收的热量之差 ，后来称为梅耶公式 。 因为他所用的推理方法无法为当代人所接受，同时又与焦耳发生谁才是 第一个能量守恒定律发现者的争议，再加上两个小孩先后夭折，一连串 19 打击导致其精神失 能量守恒与功能互换──著名的卡诺循环 卡诺（Nicolas