物理学史22热力学第一定律的建立

《物理学史22热力学第一定律的建立》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、2.2热力学第一定律的建立2.2.1准备阶段19世纪40年代以前，自然科学的发展为能量转化与守恒原理奠定了基础。主耍从以下儿个方面作了准备。1.力学方面的准备机械能守恒是能量守恒定律在机械运动中的一个特殊情况。早在力学初步形成时就已有了能量守恒思想的萌芽。例如，伽利略研究斜面问题和摆的运动，斯梯芬(Stevin,1548-1620)研究杠杆原理，惠更斯研究完全弹性碰撞等都涉及能量守恒问题。17世纪法国哲学家笛卡儿已经明确提出了运动不灭的思想。以后德国哲学家莱布尼兹(Leibniz,1646—1716)引进活力(Visviva)的概念,首先提出活力守恒原理，他认为用度量的活力在

2、力学过程小是守恒的，宇宙间的“活力”的总和是守恒的。D.伯努利(DanielBernoulli,1700—1782)的流体运动方程实际上就是流体运动中的机械能守恒定律。永动机不可能实现的历史教训，从反面提供了能量守恒的例证，成为导致建立能量守恒原理的重要线索。至19世纪20年代，力学的理论著作强调“功”的概念，把它定义成力对距离的积分，并澄清了它和“活力”概念之间的数学关系，提供了一种机械“能”的度量，这为能量转换建立了定量基础。1835年哈密顿(W.R.Hamilton,1805-1865)发表了《论动力学的普遍方法》一文，提出了哈密顿原理。至此能量守恒定律及其应用已经成为

3、力学中的基本内容。2.化学、生物学方面的准备法国的拉瓦锡(A.L.Lavoisier,1743一1794)和拉普拉斯(P.S.M・Laplace,1749-1827)曾经研究过一个重耍的生理现象，他们证明豚鼠吃过食物后发出动物热与等量的食物直接经化学过程燃烧所发的热接近相等。德国化学家李比希(J.Liebig,1803—1873)的学生莫尔(F.Mohr,1806—1879)则进一步认为不同形式的“力”(即能量)都是机械“力”的表现，他写道：“除了54种化学元素外，口然界还有一种动因，叫做力。力在适当的条件下可以表现为运动、化学亲和力、凝聚、电、光、热和磁，从这些运动形式屮的

4、每一种可以得出一切其余形式。”他明确地表述了运动不同形式的统一性和相互转化的可能性。3.热学方面的准备伦福德伯爵(CountRumford,原名本杰明•汤普森BenjaminThompson,1753—1814)在18世纪末，做了一系列摩擦生热的实验攻击热质说。他仔细观察了大炮膵孔时的现象，1798年1月25日在皐家学会宣读他的文章①：“最近我应约去慕尼黑兵工厂领导钻制大炮的工作。我发现，铜炮在钻了很短的一段时间后，就会产生大量的热；而被钻头从大炮上钻下来的铜屑更热(象我用实验所证实的，发现它们比沸水还要热)。”伦福徳分析这些热是由于摩擦产生的，他说：“……我们一定不能忘记…

5、…在这些实验屮，由摩擦所生的热的来源似乎是无穷无尽的。”伦福徳的实验引起不小的反响。在他的影响下，有一位英国化学家戴维(HumphryDavy,1778—1829),曾在1799年发表了《论热、光及光的复合》一文，介绍了他所做的冰块摩擦实验，这个实验为热功相当性提供了有说服力的实例，激励更多的人去探讨这个问题。2.电磁学方面的准备19世纪二、三十年代，电磁学的基木规律陆续发现，人们自然对电与磁、电与热、电与化学等关系密切注视。法拉第(MichaelFaraday,1791—1867)尤其强调各种“自然力”的统一和转化，他认为“自然力”的转变，是其不灭性的结呆。“自然力”不能从

6、无生有，一种“力”的产生是另一种“力”消耗的结果。法拉第的许多T作都涉及转化现彖，如电磁感应、电化学和光的磁效应……等。他在1845年发表一篇讨论磁对光的作用的论文，表述了他对“力”的统一性和等价性的基本概念，他写道：“物质的力所处的不同形式很明显有一个共同的起源，换句话说，是如此直接地联系着和互相依赖着，以至于可以互相转换，并在其行动屮，力具有守恒性。”“力”的转化这一概念使他做出重要的发现。在电与热的关系上，1821年塞贝克(Seebeck)发现的温差电现象是“自然力”互相转化的又一重要例证。后面还将提到焦耳(J.P.Joule,1818—1889)在1840年研究了电流

7、的热效应，发现PR定律，这是能屋转化的一个定虽关系，对能量转化与守恒定律的建立有重耍意义。2.2.2能量转化与守恒定律初步形成19世纪初，由于蒸汽机的进一步发展，迫切需耍研究热和功的关系，对蒸汽机“出力”作出理论上的分析。所以热与机械功的相互转化得到了广泛的研究。埃瓦特(PeterEwart,1767—1842)对煤的燃烧所产生的热量和由此提供的“机械动力”之间的关系作了研究，建立了定量联系。丹麦工程师和物理学家柯尔丁(L.Colding,1815—1888)对热、功之间的关系也作过研究。他从事过摩擦生