工程热力学-热力学发展简史

科学思维的发展

自然科学溯源于古希腊，十五世纪时勃兴于欧洲，当时欧洲刚经历千年「黑暗时代」，文艺复兴开始，而地中海沿岸贸易兴旺，为开拓市场需要，遂推动天文、地理、数学和力学的发展。而波兰人哥白尼（Nicolas Copernicus），在一五四三年提出「日心说」，其理论经伽利略（Galileo Galilei）、开普勒（Johann Kepler）的论证与发展，使西方的自然观，由笼统、模糊的认识，进入到深入、细致的研究。十六、十七世纪，英国人培根（Roger Bacon）大力提倡「科学方法」，即通过实验、列表、比较、排除、归纳而逐步上升到公理，奠定了西方科学严谨的研究方法和传统。

与培根同时代的法国人笛卡儿（Rene Descartes），把整个自然界看作一架大机器，试图以机械运动说明自然界的一切，并且主张要从错综复杂的事物中区别出最简单事物，然后予以有秩序的研究。他的《方法谈》标示了西方知识传统的「分析还原原理」，认为总体可以分解为部分；复杂、非线性系统，也可以分解为简单线性系统来理解。故奠定了追求简单性和线性解的西方科学及人文思维基础。

英国人牛顿（Sir Issac Newton）在一六八六年提出《自然哲学的数学原理》巨著，创立了以「万有引力」及「运动三定律」为基础的古典力学。他把整个自然界描述成一个秩序井然的大机械钟，只要这个钟上紧发条，便能自动运转，但这机械论仍要请上帝做「第一推动」，为这大钟上紧发条。到十八世纪下半叶，由国家支持的科学机构已在欧美各国普遍建立，故自然科学分门别类而迅速发展，十九世纪自然科学由分门别类的材料收集，进到对经验材料的综合整理和理论概括。

在牛顿的古典力学基础上，热力学大师克劳修斯（Rudolf Julius Emmanuel Clausius）在一八六七年提出热力学第二定律，说明一个孤立系统，总由有序而朝向均匀、简单、消灭差别的无序方向发展，即「熵」（entropy）增加，从而得出「宇宙总体走向退化、死亡」的结论。

热力学的基本定律

热力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。

顾名思义，热力学和「热」有关，和「力」也有关。广义而言，热力学主要是研究有关能量的科学，因此物质的特性也是其必须探讨的范围。热力学的应用范围很广，主要包括：引擎、涡轮机、压缩机、帮浦、发电机、推进器、燃烧系统、冷冻空调系统、能源替代系统、生命支持系统及人工器官等。

热是一种传送中的能量。物体的原子或分子透过随机运动，把能量由较热的物体传往较冷的物体。

●热力学第零定律──把两物体放在一绝热系统中，亦即在没有热量的进入及流出下，经过一段时间后，两物体必达到温度相同的状态，也就是热平衡的状态。

热力学第一定律（能量守恒定律）──能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，只能从一种形式转化成另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而总量保持不变。

●热力学第二定律（方向定律）──单向不可逆过程，亦即无法靠着环境的微小变化就能反向的过程，就是在系统历经刺激，朝着熵增加的方向变化的过程。熵是系统的状态函数，亦即与系统的状态有关，而与如何到达此状态的过程无关，虽然在封闭系统内的某个部分的熵也许会减少，但在系统另一部分的熵永远会增加相同的量或更多，因此整个系统的总熵绝不减少，只会往最大的乱度方向进行。

●热力学第三定律──完美晶体在绝对零度时，其熵为零。

热力学的萌芽

人类很早就对热有所认识，并加以应用，例如在相当早的年代，就知道加热岩石，再泼冷水让它爆裂，从而制造出石头工具。但是将热力学当成一门科学且定量地研究，则是由十七世纪末开始，也就是在温度计制造技术成熟，并知道如何精密地测量温度以后，才真正开启了热力学的研究。

十七世纪时伽利略曾利用气体膨胀的性质制造气体温度计，博伊尔（Robert Boyle）在一六六二年发现在定温下，定量气体的压力与体积成反比；十八世纪，经由准确的实验建立了摄氏及华氏温标，其标准目前我们仍在使用；一七八一年查理发现了在定压下气体体积会随着温度改变的现象，但对于热本质的了解则要等到十九世纪以后。

焦耳自一八四三年起经过一连串的实验，证实了热是能量的另一种形式，并定出了热能与功两种单位换算的比值，此一能量守恒定律被称为热力学第一定律，自此人类对于热的本质才算了解。一八五○年凯尔文（William Thompson Baron Kelvin）及克劳修斯（Rudolf Julius Emmanuel Clausius）说明热机输出的功一定少于输入的热能，称为热力学第二定律。这两条定律再加上能士特（Hermann Walter Nernst）在一九○六年所提出的热力学第三定律：即在有限次数的操纵下无法达到绝对零度，构成了热力学的基本架构。热学在十九世纪的另外一个发展方向是一八五○年前后，由焦耳及克劳修斯所推广的气体动力论，这个理论把热学的微观基础建立了起来。

综观而言，所谓热力学发展史，其实就是热力学与统计力学的发展史，基本上约可划分成四个阶段，分别叙述如下：

第一个阶段：十七世纪末到十九世纪中叶

实质上是热学的早期史，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，并制造出蒸汽机，关于「热」的本质展开了研究和争论，为热力学理论的建立做了准备。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。

温度计的发展

一五九三年：意大利伽利略制造了第一支温度计，以空气为测温物质，由玻璃泡内空气的热胀冷缩来指示冷暖。

一六三二年：法国珍．雷（Jean Rey），将伽利略的温度计倒转过来，并注入水，以水为测温物质，利用水的热胀冷缩来表示温度高低，但管子是开口的，因而水会不断蒸发。

一六五七年：意大利佛罗伦萨的西门图科学院的院士，改用酒精为测温物质，并将玻璃管的开口封闭，制造出除了避免酒精蒸发，也不受大气压力影响的温度计，同时选择了最高和最低的温度固定点。

一六五九年：巴黎天文学家布利奥（Boulliau）把西门图院士传到法国的温度计充以水银，而制造出第一支水银温度计。

一六六○年到一七○○年期间：博伊尔和其助理虎克（Robert Hooke），甚至牛顿本人均体认到制定温标的重要性，虽然他们没有对温度计制定温标，但对温度计发展的贡献却是非常重要的。

一七○二年：阿蒙顿（Guillaumel Amontons）仿伽利略的方法制出一个装有水银的Ｕ型且与大气压力无关的气体温度计，与现今标准气体温度计相近。

一七一四年：荷兰气象学家华伦海特（Gabriel Danniel Fahrenheit）制作出第一批刻度可靠的温度计（有水银的，也有酒精的）。他选定三个温度固定点：（1）零度是冰水和氯化铵混合物的温度，（2）32 度是冰水混合的温度，（3）96 度是人体的温度。这就是华氏温标℉。一七二四年他测量水的沸点为212 度，同时他还证明了沸点会随大气压力变化，现代人把标准气压下水的冰点和沸点之间标以180 刻度，就是华氏温标。

一七四二年：瑞典天文学家摄耳修斯（Anders Celsius）引进百分刻度法，他把水的沸点定为零度，水的冰点定为100 度，此即所谓摄氏温标，其同事斯特莫（Stromer）把这两温度值倒过来即成为近代所用的摄氏温标，到此为止，温度计算是定型了。

热量概念的演进

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。