热学发展简述

NANCHANG UNIVERSITY

学院：理学院系物理系

专业班级：物理学141班

学生姓名：刘志峰学号：5502114003

热发展简述

热学发展史实际上就是热力学和统计物理学的发展史。

人类对热现象的观察和研究一直都有，在十七世纪末到十九世纪中叶累积了大量的试验与观察的结果，并制造出蒸汽机，并对“热”的本质展开研究与争论。

大约在1593年，伽利略发明温度计，可以对冷热程度进行定量分析了。法国科学家雷伊对温度计进行改进。丹麦学者罗默，德国人海伦华特，瑞典天文学家摄尔修斯等对温度标准进行研究和改进，最终我们使用的摄氏温标由法国人克利斯廷在1743年首先采用。150年里温度计逐渐完善，为热学研究提供了坚实的基础。

蒸汽机在人类发展中可谓是举足轻重的地位。德国人巴本和英国人萨弗里，纽可门是蒸汽机的实际发明人。但早期的蒸汽机效率极差，苏格兰发明家瓦特改进了蒸汽机，使其大范围应用。

18世纪中叶以前，人们长久以来对温度和热量的概念混淆不清，多数人认为物体冷热的程度代表着物体所含热量的多寡。人们长久以来对温度和热量的概念混淆不清，多数人认为物体冷热的程度代表着物体所含热量的多寡。英国化学教授布莱克，成功地澄清了热量和温度这两个概念，同时提出相变时潜热的概念，并暗示出不同物质具有不同的“热容量”，而他的学生而弯更是正确的提出了热容量的概念。1777年，化学家拉瓦锡和拉普拉斯设计了一个所谓“拉普拉斯冰量热器”，可以正确测出热容量和潜热。1784年麦哲伦引进潜热的术语，同一时期威尔克提出若把水的比热定为1，则可以定出其他物质的比热，但是在这段期间人们依然认为热是一种物质是正确的。1797年伦福徳伯爵在慕尼黑监督大炮钻孔，发现热是因摩擦而产生，因而断言热不是物质而来自运动。1799年英国化学家戴维在维持冰点的真空容器中进行摩擦试验，发现即使是两块冰相互摩擦也有部分冰溶化为水，所以他认为摩擦引起物体微粒的震动，而这种振动就是热。虽然有伦福和戴维教授极力否定热是一种物质的说法，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，卡诺死后50年其理论才被人们重视，加上德国梅耶医师和英国物理学家焦尔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。

迈尔是德国的医生，但他对行医兴趣不大。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。迈尔在科学研究上投入众多，虽然第一个完整地提出了能量转化与守恒原理，但是在他的著作发表的几年内，不仅没有得到人们的重视，反而收到一些著名物理学家的反对。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，一连串打击导致其精神失常，在精神病院受尽折磨。

英国物理学家焦耳奠定了“能量守恒定律”，为热力学的发展奠定基础，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。焦耳花了近四十年的时间来证明功转化为热时，功和所产生的热的比是一个恒定的值，即热功当量。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。与焦耳同时期的德国著名数学家和物理学家赫姆霍兹也对能量守恒和转换定律有重要贡献，他亦将能量形式及守恒的概念作了一些整合。因为功能互换及能量守恒的概念在1845年左右已经形成，故第一定律的数学式也呼之欲出。克劳修斯是第一位把热力学第一定律用数学形式表达出来的人。

热力学第二定律的发现与提高热机效率的研究有密切的关系。蒸汽机在十八世纪就已经发明了。1824年，24岁的卡诺发表著名的卡诺定理，对第二定律的热机理论有重要影响。此论文提出可逆的理想引擎，及所谓的“卡诺循环”，得知理想引擎效率取决于热质在转移时与两个温度的差，同时推出永动机是不可能实现的，并证明卡诺循环是具有最大效率的循环。

1850年克劳修斯在揭示第一定律的论文中，他也以能量守恒和转换的观点重新验证了卡诺定理而提出第二定律。在其1854年的论文中提到“如果没有外界做功，热永远不能由冷的物体传向热的物体”。到了1865年第二定律更加成熟，熵的概念被克劳修斯提出，而写出另一种形式的第二定律：即在所有可逆循环过程中，热能变化对温度的熵的积分值为零。

W.汤姆逊（开尔文勋爵）也是热力学的开创者之一，他对热力学第一及第二定律的建立作出重大的贡献。在十九世纪，物理学界仍然普遍相信热是一种不生不灭的物质，W.汤姆逊本来也坚信这种说法。他研究过焦耳多篇关于电流生热的论文后，便开始改变想法，并和焦耳合作研究。他们的研究结果为热力学第一定律(能量守恒定律)提供有力的实验支持。W.汤姆逊对热力学第二定律的贡献更大。他利用卡诺循环建立绝对温标，他重新设定水的熔点为273.7度；沸点为373.7度。为了纪念他的贡献，绝对温度的单位以开尔文来命名。他在1851年发表题为《热动力理论》的论文，写出热力学第二定律的开尔文表述：我们不可能从单一热源取热，使它完全变为有用功而不产生其它影响。近代物理虽然修正了很多古典物理理论的错误，但是热力学定律仍然是正确而普遍的宏观物理定律。

统计热力学是一门研究物质性质的学科，也是一门不断发展的学科。

1857年克劳修斯首先从分子运动论出发，应用初步的统计方法，导出了气体压强公式，

证明了玻义耳定律。接着，麦克斯韦用几率方法导出了气体分子速率分布定律，并建立了输运过程理论。这一阶段的初级统计理论称为气体分子运动论，以区别以后发展起来的统计热力学。

1868-1871年，波尔兹曼对麦克斯韦速率分布定律作了推广，证明了麦克斯韦-波尔兹曼分布律，建立了独立粒子体系的平衡态统计理论。利用麦克斯韦-波尔兹曼统计理论，成功地解释了理想气体和晶体的热容等实验规律。后来波尔兹曼又证明了自然过程的方向性。

1902年，吉布斯大大发展了麦克斯韦-波尔兹曼理论，利用系统概念，建立了完整的统计热力学理论。系统理论既适用于独立粒子体系，也适用于非独立粒子体系。利用系统理论，可以导出实际气体的状态方程。