热力学和统计物理学的发展
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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
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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
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；
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。
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。
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——
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。
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。
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。
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。
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
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。
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
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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
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；
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。
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。
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——
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。
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。
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。
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。
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
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。
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