熱力學的建立及感想（二）

1、熱力學的建立及感想 熱力學發(fā)展史閱讀感想 廖瑞杰 （北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100191）“熱”這一個字伴隨著人類的發(fā)展，人們對熱的本質及熱現(xiàn)象的認識經歷了一個漫長的、曲折的探索過程。在古代，人們就知道冷與熱的差別，能夠利用摩擦生熱、燃燒、傳熱、爆炸等熱現(xiàn)象，來達到一定的目的。溫度對于熱力學研究起著至關重要的作用。溫度的定義以及測量是熱力學的開端，三個熱力學基本定律的發(fā)現(xiàn)是貫穿熱力學發(fā)展史的線索。 在17世紀中，雖然有些科學家對溫度的測定及溫標的建立，作出不同程度的貢獻，提供了有益的經驗和教訓。但是，由于沒有共同的測溫基準，沒有一致的分度規(guī)則，缺乏測溫物質的測溫特性的資料，以及

2、沒有正確的理論指導，因此，在整個17世紀中，并沒有制作出復現(xiàn)性好的、可供正確測量的溫度計及溫標。在18世紀中，“測溫學”有較大的突破。其中最有價值的是，1714年法倫海脫所建立的華氏溫標，以及1742年攝爾修斯所建立的攝氏溫標（即百分溫標）。華氏溫標是以鹽水和冰的混合物作為基準點（0f），而以水的冰點（32f）及水的沸點（212f）作為固定參考點。攝氏溫標是以 水的冰點（100）及水的沸點（0）作為固定參考點及基準點，并把他們分作100等分，每個間隔定義為一度，故稱之為百分溫標。1749年，該溫標的基準點及固定參考點，被攝爾修斯的助手斯托墨顛倒過來，這就是后來常用的攝氏溫標。 18世紀末19世

3、紀初，隨著蒸汽機在生產中的廣泛應用，人們越來越關注熱和功的轉化問題。于是，熱力學應運而生。1798年，湯普生通過實驗否定了熱質的存在。德國醫(yī)生、物理學家邁爾在1841-1843年間提出了熱與機械運動之間相互轉化的觀點，這是熱力學第一定律的第一次提出。在熱力學第一定律提出之前，人們一直圍繞著制造永動機的可能性問題展開激烈的討論，尤其是到了19世紀早期，不少人沉迷于一種神秘機械第一類永動機的制造，因為這種設想中的機械只需要一個初始的力量就可使其運轉起來，之后不再需要任何動力和燃料，卻能自動不斷地做功。直至熱力學第一定律發(fā)現(xiàn)后，第一類永動機的神話才不攻自破。一：熱力學第一定律 1.熱力學第一定律的文

4、字表述 自然界一切物體都具有能量，能量有各種不同形式，它能從一種形式轉化為另一種形式，從一個物體傳遞給另一個物體，在轉化和傳遞中能量的數量保持不變。該定律就稱為熱力學第一定律，也稱為能量轉換與守恒定律，這一定律也被表示為：第一類永動機（不消耗任何形式的能量而能對外做功的機械）是不能制作出來的。 2.熱力學第一定律建立的成因）理論邁爾 邁爾是明確提出“無不能生有”，“有不能變無”的能量守恒與轉化思想的第一人。而這理論正是建立熱力學第一定律的基礎。）實驗焦耳 由于焦耳精心嚴謹地進行了熱功當量測定等一系列實驗，奠定了熱力學第一定律的實驗基礎，得到了人們的認同。 ）一批科學家的不懈努力 亥姆霍茲將能量

5、守恒定律第一次以數學形式提出來，而卡諾、賽貝等人也都有過這方面的見解。正是因為眾多科學家的不斷努力，才使得熱力學第一定律的建立的更加迅速。 二、熱力學第二定律的建立 在實際情況中，并不是所有滿足熱力學第一定律的過程都能實現(xiàn)，比如熱不會自動地由低溫傳向高溫，過程具有方向性。這就導致了熱力學第二定律的出臺?？?、克勞修斯、開爾文、玻爾茲曼等科學家為此做了重要貢獻。 卡諾定理是尼古拉卡諾于1824年在談談火的動力和能發(fā)動這種動力的機器中發(fā)表的有關熱機效率的定理。值得注意的是定理是在熱力學第二定律提出20余年前已然提出，從歷史角度來說其為熱力學第二定律的理論來源。但是卡諾本人給出的證明是在熱質說的錯誤

6、前提下進行的證明，而對于其相對嚴密的證明需要熱力學第二定律。這也就使得克勞修斯和開爾聞等科學家有了“用武之地”，為熱力學做出了突出的貢獻。 熱力學第二定律有幾種表述方式： 克勞修斯表述：熱量可以自發(fā)地從溫度高的物體傳遞到較冷的物體，但不可能自發(fā)地從溫度低的物體傳遞到溫度高的物體； 開爾文-普朗克表述。不可能從單一熱源吸取熱量，并將這熱量變?yōu)楣?，而不產生其他影響。或者是第二類永動機無法被制造。 熵表述。隨時間進行，一個孤立體系中的熵總是不會減少。 熱力學第 一、二定律的提出，基本確立了熱力學的框架。但是有關物質在低溫下的熱力學性質和預測化學反應常數方面，還需要差不多半個世紀后斯特提出的熱力學第三

7、定律。這也就使得熱力學第三定律在熱力學中也占據重要的位置。 三、熱力學第三定律的建立 1906年，德國物理學家能斯特在研究低溫條件下物質的變化時，把熱力學的原理應用到低溫現(xiàn)象和化學反應過程中，發(fā)現(xiàn)了一個新的規(guī)律，這個規(guī)律被表述為：“當絕對溫度趨于零時，凝聚系（固體和液體）的熵（即熱量除以溫度的商）在等溫過程中的改變趨于零?！钡聡锢韺W家普朗克把這一定律改述為：“當絕對溫度趨于零時，固體和液體的熵也趨于零?！边@就消除了熵常數取值的任意性。1912年，能斯特又將這一規(guī)律表述為絕對零度不可能達到原理：“不可能使一個物體冷卻到絕對溫度的零度?！边@就是熱力學第三定律。 1940年r.h.否勒和e.a

8、.古根海姆還提出熱力學第三定律的另一種表述形式：任何系統(tǒng)都不能通過有限的步驟使自身溫度降低到0k，稱為0k不能達到原理。 四、熱力學第零定律 繼熱力學第 一、 二、三三大定律后，英國物理學家福勒又提出了第零定律。第零定律和文章開頭提到的溫度有著密切的關系。他的重要性在于它給出了溫度的定義和溫度的測量方法。定律中所說的熱力學系統(tǒng)是指由大量分子、原子組成的物體或物體系。它為建立溫度概念提供了實驗基礎。這個定律反映出：處在同一熱平衡狀態(tài)的所有的熱力學系統(tǒng)都具有一個共同的宏觀特征，這一特征是由這些互為熱平衡系統(tǒng)的狀態(tài)所決定的一個數值相等的狀態(tài)函數，這個狀態(tài)函數被定義為溫度。而溫度相等是熱平衡之必要的條件。雖然他是最后提出來的，足足比第 一、二定律遲了80年，但是他是三大定律的基礎，這也就順理成章的成為了“第零”這個偉大的定律。 與此同時，在應用熱力學理論研究物質性質的過程中，還發(fā)展了熱力學的數學理論，找到了反映物質各種性質的相應的熱力學函數，研究了物質在相變、化學反應和溶液特性方面所遵循的各種規(guī)律。1906年，德國的能斯脫在觀察低溫現(xiàn)象和化學反應中發(fā)現(xiàn)熱定理；1912年，這個定理被修改成熱力學第三定律的表述形式。 現(xiàn)如今，隨著熱力學的快速發(fā)展，人們對超高壓、超高溫水蒸汽等物性，和極低溫度的研究不斷獲得新成果。隨著對能源問題的重視，人們對與節(jié)能有關的復合循環(huán)、新型的復合工質的研究發(fā)生了很