热力学与统计物理学的建立

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1、第四章热力学与统计物理学的建立主讲人:新尼根副教授内蒙古民族大学物理与机电学院第四章热力学与统计物理学的建立热力学和统计物理学都是研究热现象的理论。在十八世纪，热学就成为物理学中一个新发展起来的领域，它们在生产技术中得到了广泛的应用。第一节热机的发明和热现象的一、蒸汽机的发明大约公元一、二世纪之间，埃及人希龙在他作的“原始小涡轮”的玩具中就是用蒸汽作为动力的，直到1690年，法国人巴本（公元1647一1712）发明了第一台活塞式蒸汽机。1698年，英国皇家工程队的军事工程师塞维利（公元1650一1715）制造了一个蒸汽抽水机。一、蒸汽机的发明1705年英国钳工和铁匠纽可门（

2、公元1663－1729）综合了塞维利和巴本机的优点，发明了空气蒸汽机。英国工程师斯米顿（公元1724－1792）对纽可门机进行了全面研究和改进，他改进了锅炉和点火燃烧的方法，使纽可门机的效率几乎提高了一倍。一、蒸汽机的发明英国格拉斯哥大学的仪器修理工瓦特（公元1736－1819），对纽可门机进行了根本性变革。在布莱克的帮助下，瓦特终于在1765年研制成了分离冷凝器，制成了一台“单动式蒸汽机”。1782年瓦特又将发动机从单动变为双动，可将汽缸的功率提高一倍。1787年，瓦特又安装了离心式调速器，以保证发动机速度相对稳定。这样瓦特的双动旋转式蒸汽机已达到了近代水平。二、测温学的

3、发展热现象的定量研究，首先遇到的问题就是确定物体的冷热程度，即测量物体的温度。伽利略于1593年制造了第一个验温器，试图把不确定的冷热感觉转变为对物体热状态的客观表述。温度计的制作和改进主要从两个方面进行，从而也促进了对热现象的研究。第一、为了定出温标，需要确定一些“定点”。第二、找出合适的测温物质，从而促进了对物体热膨胀的研究。二、测温学的发展第一支实用的温度计是荷兰的吹玻璃工匠华伦海特（公元1686—1736）制成的。从1709年他开始制作一个酒精温度计。在了解到阿蒙顿（公元1663－1705）利用水银改造了早期的温度计后，他也开始制造水银温度计。他把冰水、氨水和盐的混

4、合物平衡温度定为00F，冰的熔点定为320F，而人体的温度定为960F。1724年后，他又把水的沸点划在2120F上。二、测温学的发展法国博物学家勒奥默（公元1683一1757）认为水银膨胀系数小，所以致力于制造酒精温度计。为了消除刻度不一致的困难．他只取一个定点，即雪的熔点为00R，。而把酒精体积改变为1／1000的温度变化作为10R。这样水的沸点就为800R。这种刻度法被称为勤氏温标。摄氏温标瑞典天文学家摄尔修斯（公元1701—1744）引入的。他用水银作测质，水的沸点定为0℃，冰的熔点定为100℃。八年后，摄尔修斯接受了他的同事施特默尔的建议，把两个定点的标值对调过来

5、，最后确立了现在使用的摄氏温标。在英国、美国华氏温标占优势，勒氏温标在德国被普遍使用，在法国摄氏温标占优势。而科学界普遍采用摄氏温标。三、量热学的发展彼得堡科学院院土里赫曼（公元1711—1753）是量热学的奠基人。他认为热量是按体积均匀分配的（后来有人提出热量按质量均匀分配），并取质量和温度的乘积作为热量的定义，在1744年里赫曼提出里赫曼量热学方程。为了测定物体的热容量，拉瓦锡（公元1743—1794）和拉普拉斯曾设计了一个冰量热器。约在1783年，他们测定了一些物质的比热，同时给出了求比热的公式。他们还发现，物质的比热在不同温度下略有差别。四、热传导的研究关于热传导现

6、象的第一规律，是牛顿发现的冷却定律。后经杜隆（公元1785一1838）和珀替（公元1791－1820）检验，指出这个定律只在温度差较小时才适用。1822年，法国数学家傅立叶（公元1768—1830）出版了著名的《热的分析理论》一书，详细研究了在介质中热流的传播问题。后来傅立叶进一步把这一公式用于导热物质的无限小的体元，得出了更普遍的传导方程。五、关于热之本性的研究对热的本质，自古以来有两种看法。第一，以为热是一种物质，即热质论。波尔哈夫认为热的本源是钻在物体细孔中的、具有高度可逆性和贯穿性的物质粒子，它们没有重量，彼此间有排斥性，而且弥漫全宇宙。在热质说观点的指导下，热学研

7、究也取得了很大进展。五、关于热之本性的研究第二，认为热是物体粒子的内部运动。热质说的成功，使人们相信了热质说是正确的学说，但是到了十八世纪末，热质说受到了严重的挑战。1798年，英国物理学家汤普森（即伦福德伯爵，公元1753－1814）在德国进行炮膛钻孔时，提出了大量的热是从哪里来的这个问题。五、关于热之本性的研究伦福德和戴维的实验都支持了热是运动的看法，但并没结束热质说的历史。尽管实验事实已经说明热是运动这一观点，但是十八世纪热质说仍然占了上风。第二节能量转化与守恒定律的确立一、运动不灭思想的发展与永动机的失败对