二節(jié)熱力學發(fā)展ppt課件

1、第二節(jié)第二節(jié) 熱力學的開展熱力學的開展一、第一定律誕生的背景一、第一定律誕生的背景 社會現(xiàn)狀：社會現(xiàn)狀： 隨著蒸汽機的發(fā)明和推行運用，迫切需求研隨著蒸汽機的發(fā)明和推行運用，迫切需求研討熱和功的關(guān)系，以提高熱機效率，順應消費討熱和功的關(guān)系，以提高熱機效率，順應消費力開展的需求。力開展的需求。 能量轉(zhuǎn)化與守恒思想的萌生：能量轉(zhuǎn)化與守恒思想的萌生： 俄國的赫斯，俄國的赫斯，1836年：年：“不論用什么方式不論用什么方式完成化合，由此發(fā)出的熱總是恒定的。完成化合，由此發(fā)出的熱總是恒定的。 1830年，法國薩迪年，法國薩迪卡諾：卡諾：“準確地說，準確地說，它既不會創(chuàng)生也不會消滅，實踐上，它只改動它既不會

2、創(chuàng)生也不會消滅，實踐上，它只改動了它的方式。了它的方式。1.德國的邁爾德國的邁爾(1814-1878)，他是從哲學思想，他是從哲學思想方面得到能量守恒概念的。方面得到能量守恒概念的。1840年，邁爾是一位隨船醫(yī)生，在一次駛往印年，邁爾是一位隨船醫(yī)生，在一次駛往印度尼西亞的航行中，給生病的船員做手術(shù)時，發(fā)現(xiàn)度尼西亞的航行中，給生病的船員做手術(shù)時，發(fā)現(xiàn)血的顏色比溫帶地域的新穎紅亮，這引起了邁爾的血的顏色比溫帶地域的新穎紅亮，這引起了邁爾的沉思。他根據(jù)拉瓦錫的實際，他以為，動物的熱是沉思。他根據(jù)拉瓦錫的實際，他以為，動物的熱是在熄滅過程中產(chǎn)生的，食物中含有的化學能，可轉(zhuǎn)在熄滅過程中產(chǎn)生的，食物中含有

3、的化學能，可轉(zhuǎn)化為熱能，在熱帶情況下，機體中熄滅過程減慢，化為熱能，在熱帶情況下，機體中熄滅過程減慢，因此留下了較多的氧。邁爾還以為，人是一個熱機因此留下了較多的氧。邁爾還以為，人是一個熱機關(guān)，膂力和體溫都來自于食物中所含的化學能。邁關(guān)，膂力和體溫都來自于食物中所含的化學能。邁爾的結(jié)論是：爾的結(jié)論是：“因此力能量是不滅的，而是可因此力能量是不滅的，而是可轉(zhuǎn)化的，不可稱量的客體。轉(zhuǎn)化的，不可稱量的客體。二、確立能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的三位科學家二、確立能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的三位科學家邁爾在1841年、1842年撰文發(fā)表了他的觀念，在1845年的論文中，更明確寫道：“無不能生有，有不能變無。 “在死的或

4、活的自然界中，這個力能永遠處于循環(huán)和轉(zhuǎn)化之中。他不僅 是歷史上第一個提出能量守恒定律并計算出熱功當量的人，而且也是第一個將熱學觀念用于有機世界研討人。但他的實際在當時的科學界得不到注重，他的論文雜志回絕發(fā)表。直到1860年，他才開場出席科學會議，1871年獲得了英國皇家學會的科普勒獎章。 恩格斯對邁爾的任務給予很高的評價。2.亥姆霍茲亥姆霍茲德國科學家，德國科學家，他以為，大自然是他以為，大自然是一致的，自然力一致的，自然力(即即能量能量)是守恒的。是守恒的。1847年，年，26歲歲發(fā)表著名論文發(fā)表著名論文，把能量概念，把能量概念從機械運動推行到從機械運動推行到普遍的能量守恒。普遍的能量守恒。

5、 3.焦耳的實驗研討 焦耳是英國著名的實驗物理學家，家境富有。16歲在名家道爾頓處學習，使他對科學濃重興趣。當時電機剛出現(xiàn)，焦耳在1841年發(fā)表文章指出:“熱量與導體電阻和電流平方成正比。這就是著名的焦耳楞次定律。探求熱和得到的或失去的機械功之間能否存在一個恒定的比值，又成了焦耳感興趣的問題。 1845年，焦耳為測定機械功和熱之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，設(shè)計了“熱功當量實驗儀，并反復改良，反復實驗。 1849年發(fā)表。 1878年發(fā)表，最后得到的數(shù)值為423.85公斤米/千卡。 焦耳測熱功當量用了四十多年，實驗了400多次，付出大量的辛勤勞動。能量守恒和轉(zhuǎn)化定律是自然界根本規(guī)律，恩格斯曾將它和進化論、細胞學

6、說并列為三大自然發(fā)現(xiàn)。三.熱力學第一定律建立的成因?qū)嶋H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(zhuǎn)化思想的第一人。而這實際正是建立熱力學第一定律的根底。實驗焦耳由于焦耳精心嚴謹?shù)剡M展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根底，得到了人們的認同。一批科學家的不懈努力一批科學家的不懈努力亥姆霍茲將能量守恒定律第一次以數(shù)學方亥姆霍茲將能量守恒定律第一次以數(shù)學方式提出來，而卡諾、賽貝等人也都有過這方面式提出來，而卡諾、賽貝等人也都有過這方面的見解。的見解。闡明了客觀條件成熟，相應的自然規(guī)律一闡明了客觀條件成熟，相應的自然規(guī)律一定會發(fā)現(xiàn)。定會發(fā)現(xiàn)。永動機達.芬奇1500斯梯

7、芬1600法國科學院 1775我們用一張聯(lián)絡(luò)圖來表示能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的建立過程機械運動塞貝克溫差電1821哲學熱學電磁學化學、生物學開爾文1851克勞修斯1850焦耳1843-78熱功當量赫斯1836拉瓦錫1794黑格爾相互聯(lián)絡(luò)和轉(zhuǎn)化康德哲學笛卡兒運動不滅思想法拉第1831彭斯勒功1829楊能1801牛頓1681伽利略單擺1600亥姆霍茲力的守恒1847邁爾生物熱1942-45卡諾蒸汽機效率1824倫福德1798電流的熱效應1840哈密頓正那么方程1834克勞修斯1850第一定律 四、熱力學第二定律 第二定律的發(fā)現(xiàn)與提高熱機的效率親密有關(guān)。1 1765-1782年瓦特兩次改良蒸汽機的設(shè)計，但

8、是效率仍很低。 2卡諾父子的研討；1824年薩迪.卡諾發(fā)表了，提出了熱機實際中有重要位置的卡諾定理?？ㄖZ定理：卡諾定理：熱機必需任務在兩個熱源之間，熱機的效率僅熱機必需任務在兩個熱源之間，熱機的效率僅僅決議于兩個熱源的溫度差，而與任務物質(zhì)無僅決議于兩個熱源的溫度差，而與任務物質(zhì)無關(guān)，在兩個固定熱源之間任務的一切熱機，以關(guān)，在兩個固定熱源之間任務的一切熱機，以可逆機的效率最高?？赡鏅C的效率最高?？ㄖZ信奉的是熱質(zhì)說，他的結(jié)論中有不正確的卡諾信奉的是熱質(zhì)說，他的結(jié)論中有不正確的成分。成分。 卡諾患了猩紅熱，腦膜炎，不幸又雪卡諾患了猩紅熱，腦膜炎，不幸又雪上加霜，患了流行性霍亂，于上加霜，患了流行性霍

9、亂，于1832年去世?？耆ナ??？ㄖZ的這一思想，在諾的這一思想，在1878年才公開發(fā)表，但熱力年才公開發(fā)表，但熱力學第一定律已建立了。學第一定律已建立了。 31834年，克拉珀龍年，克拉珀龍1799-1864把卡把卡諾的思想幾何化為由兩個等溫過程和兩個絕諾的思想幾何化為由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成的卡諾循環(huán)，用幾何的方法來計熱過程組成的卡諾循環(huán)，用幾何的方法來計算功，提出了由功和吸熱之比來丈量效率。算功，提出了由功和吸熱之比來丈量效率。4絕對溫標的提出絕對溫標的提出 1848年，年，W.湯姆孫開爾文提出絕對溫湯姆孫開爾文提出絕對溫標，是卡諾熱動力實際的直接結(jié)果。標，是卡諾熱動力實際的直接結(jié)

10、果。T=t+273.3這就是絕對溫標和攝氏溫標的關(guān)系。這就是絕對溫標和攝氏溫標的關(guān)系。1887年，絕對溫標得到了世界的公認。年，絕對溫標得到了世界的公認。5熱力學第二定律的兩種表述：熱力學第二定律的兩種表述：第一種是克勞修斯在第一種是克勞修斯在1850年提出的：熱不能年提出的：熱不能夠獨立地、不付代價地從冷物傳向較熱物體。夠獨立地、不付代價地從冷物傳向較熱物體。第二種說法是開爾文于第二種說法是開爾文于1851年提出的：不能年提出的：不能夠借助于無生命的機器，從任何物體得到機夠借助于無生命的機器，從任何物體得到機械功，而所運用的方法為械功，而所運用的方法為 使這個物體冷卻至使這個物體冷卻至比周圍

11、物體更冷。比周圍物體更冷。這兩種說法是等價的。這兩種說法是等價的。 在實踐情況中，并不是一切滿足熱力學在實踐情況中，并不是一切滿足熱力學第一定律的過程都能實現(xiàn)，比如熱不會自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。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。這就導致了熱力學第二定律的出臺。克勞修斯提出熵的概念克勞修斯提出熵的概念世界的世界的“熱寂說熱寂說 五、熱力學第三定律 它是熱力學的又一條根本規(guī)律，它不能由任何其他物理學定律得出，只能看作由實驗現(xiàn)實作出的閱歷總結(jié)。 當時的背景：氣體的液化和低溫的獲得。18世紀末，荷蘭人馬倫第一次用高壓緊

12、縮的方法得到液態(tài)的氨；1823年法拉第在研討氯化物的性質(zhì)時得到液態(tài)的氯。1826年，他使許多氣體的液化。1893年1月20日，杜瓦1842-1923宣布發(fā)明了一種特殊的低溫恒溫器-后來叫杜瓦瓶。1898年他實現(xiàn)了氫的液化，到達20.4K。后來又得到故態(tài)氫，到達12K。 到了19世紀下半期，隨著低溫技術(shù)的開展，低溫物理學提出了一些新問題，即物體繼續(xù)冷卻下去會出現(xiàn)一些什么新的性質(zhì)？溫度能否可以無限降低？ 1912年，德國物理學家能斯特1864-1941進一步提出“絕對零度是不能夠到達的熱力學第三定律。第三節(jié)第三節(jié) 分子運動論的開展分子運動論的開展 古代的分子運動論古代的分子運動論 分子運動論是熱學

13、的一種微觀實際分子運動論是熱學的一種微觀實際.它基于它基于以下兩個根本概念：物質(zhì)是大量分子和原子組以下兩個根本概念：物質(zhì)是大量分子和原子組成的；熱景象是這些分子做無規(guī)那么運動的一成的；熱景象是這些分子做無規(guī)那么運動的一種表現(xiàn)。這些概念來源很早，種表現(xiàn)。這些概念來源很早，2000多年前的中多年前的中國和希臘國和希臘,都有人提出物質(zhì)由原子組成的假說。都有人提出物質(zhì)由原子組成的假說。以為萬物是由原子組成，不同的原子組成了世以為萬物是由原子組成，不同的原子組成了世界上不同的物質(zhì)界上不同的物質(zhì),而原子在不停的運動著。德莫而原子在不停的運動著。德莫克里特公元前克里特公元前460-前前371：以為物質(zhì)皆由：

14、以為物質(zhì)皆由各種不同微粒組成。雖然這些概念只是哲學上各種不同微粒組成。雖然這些概念只是哲學上的主張，但對后來的分子運動論的開展起了啟的主張，但對后來的分子運動論的開展起了啟示和指引的作用。示和指引的作用。一、早期的動實際一、早期的動實際 在在17世紀和世紀和18世紀世紀,出現(xiàn)了一些比古代原子論出現(xiàn)了一些比古代原子論進一步的但還只是定性的分子運動論假說。進一步的但還只是定性的分子運動論假說。 1658年，伽森第以分子運動論的觀念解釋了年，伽森第以分子運動論的觀念解釋了物質(zhì)的氣、液物質(zhì)的氣、液 、固三態(tài)的區(qū)別；、固三態(tài)的區(qū)別； 1678年胡克又以氣體分子不斷碰撞器壁的結(jié)果，年胡克又以氣體分子不斷碰

15、撞器壁的結(jié)果，解釋了產(chǎn)生氣體壓強的來由。解釋了產(chǎn)生氣體壓強的來由。 1738年，瑞士物理學家伯努利在他的年，瑞士物理學家伯努利在他的一書中，開展了這種假說，從分子運一書中，開展了這種假說，從分子運動論的角度出發(fā)，也同樣得出氣體壓強與所占體動論的角度出發(fā)，也同樣得出氣體壓強與所占體積成反比的玻意耳定律，并且指出，這個定律在積成反比的玻意耳定律，并且指出，這個定律在必需思索分子本身所占體積的情況下，需求加以必需思索分子本身所占體積的情況下，需求加以修正。修正。 俄國學者羅蒙諾索夫在俄國學者羅蒙諾索夫在1746和和1748年的年的兩篇論文里，發(fā)表了本人的見解。他一直堅持熱兩篇論文里，發(fā)表了本人的見解

16、。他一直堅持熱的根源在于運動。并在討論氣體的性質(zhì)時，提出的根源在于運動。并在討論氣體的性質(zhì)時，提出氣體分子運動的無規(guī)那么性，還一定了運動守恒氣體分子運動的無規(guī)那么性，還一定了運動守恒在熱景象中的正確性。在熱景象中的正確性。 19世紀上半葉，動實際續(xù)有進展，值得一提的有世紀上半葉，動實際續(xù)有進展，值得一提的有以下幾位：以下幾位：1.英國的赫拉帕斯，在英國的赫拉帕斯，在1816年向英國的皇家學會年向英國的皇家學會提出本人的分子動實際。他明確提出溫度決議于分提出本人的分子動實際。他明確提出溫度決議于分子速度的思想。但權(quán)威們以為他的思想過于遐想。子速度的思想。但權(quán)威們以為他的思想過于遐想。2.蘇格蘭的

17、瓦特斯頓，在蘇格蘭的瓦特斯頓，在1846年提出混合氣體中年提出混合氣體中不同比重的氣體，一切分子的不同比重的氣體，一切分子的MV2的平均值應該一的平均值應該一樣。這大約是能量均分定理的最早提法。樣。這大約是能量均分定理的最早提法。3.焦耳在焦耳在1847-1848年發(fā)表過兩篇動實際的演講。年發(fā)表過兩篇動實際的演講。他提出了熱是分子運動的動能和分子間相互作用的他提出了熱是分子運動的動能和分子間相互作用的能量。能量。二、動實際的復活二、動實際的復活 能量守恒和轉(zhuǎn)化定律建立之后，徹底否認了熱質(zhì)能量守恒和轉(zhuǎn)化定律建立之后，徹底否認了熱質(zhì)說。熱質(zhì)說衰落后，動實際取而代之，于是就發(fā)明說。熱質(zhì)說衰落后，動實

18、際取而代之，于是就發(fā)明了一個對動實際復活很有利的情勢。了一個對動實際復活很有利的情勢。 德國的化學家克里尼希德國的化學家克里尼希1822-1879，他激，他激發(fā)了克勞修斯和麥克斯韋進一步開展這個實際。發(fā)了克勞修斯和麥克斯韋進一步開展這個實際?？藙谛匏购望溈怂鬼f是動實際的真正奠基人?？藙谛匏购望溈怂鬼f是動實際的真正奠基人。 三 、克勞修斯的理想氣體分子模型1857年發(fā)表的文章，以十清楚晰和清楚的方式開展了氣體分子運動論的根本思想，推導出理想氣體的壓強公式。他的出發(fā)點是：1分子所占的空間對于氣體本身所占有的空間來說必需是無限小。2改動兩個分子的運動的碰撞過程所閱歷的時間，比起兩次碰撞所閱歷的時間間

19、隔來說必需是無限小。3分子力的影響必需是無限小。 他還引入了一個新的概念-統(tǒng)計的概念，并借用統(tǒng)計處置的方法解釋氣體壓強的產(chǎn)生。 他用分子的速率在各個方向相等這一簡化了的統(tǒng)計法推導出壓強公式 P=1/3mnv2 他另外的一個奉獻是引入了氣體分子平均自在程的概念。平均自在程的引入，為分子運動論提供了一個重要的物理量，他給出了分子在延續(xù)兩次碰撞間所走過的路程的長短，從而更好地描畫氣體分子的運動圖象。*解釋氣體分子速度大而分散速度小的景象。一、麥克斯韋速率分布一、麥克斯韋速率分布 麥克斯韋麥克斯韋1831-1879發(fā)現(xiàn)氣體分子速度分布發(fā)現(xiàn)氣體分子速度分布律對動實際和統(tǒng)計力學的開展具有里程碑的意義。律對

20、動實際和統(tǒng)計力學的開展具有里程碑的意義。 他在他在1859年開場進展研討，當時年開場進展研討，當時28歲，曾經(jīng)是國歲，曾經(jīng)是國王學院教授。受克勞修斯論文的啟示，他以為可以王學院教授。受克勞修斯論文的啟示，他以為可以用概率實際對動實際進展全面的論證。用概率實際對動實際進展全面的論證。 他從分子亂運動的解釋得出結(jié)論：氣體分子的大他從分子亂運動的解釋得出結(jié)論：氣體分子的大量碰撞不是導致象某些科學家所期望的使分子速度量碰撞不是導致象某些科學家所期望的使分子速度平均，而是呈現(xiàn)一定的速度分布，一切速度都以一平均，而是呈現(xiàn)一定的速度分布，一切速度都以一定概率出現(xiàn)。定概率出現(xiàn)。第四節(jié)、統(tǒng)計物理學的創(chuàng)建第四節(jié)、

21、統(tǒng)計物理學的創(chuàng)建1860年，麥克斯韋從實際上，導出了氣體的速率年，麥克斯韋從實際上，導出了氣體的速率分布律，同時得出了氣體分子的速率分布函數(shù)的分布律，同時得出了氣體分子的速率分布函數(shù)的表達式為表達式為 式中，式中，m是一個分子質(zhì)量，是一個分子質(zhì)量，T是氣體的熱力學溫度，是氣體的熱力學溫度，k是玻爾茲曼常量。是玻爾茲曼常量。22232)2(4)(vekTmvfkTmv 1860年，麥克斯韋把速度分布規(guī)律發(fā)表在年，麥克斯韋把速度分布規(guī)律發(fā)表在里，由此找到了由微觀量求統(tǒng)里，由此找到了由微觀量求統(tǒng)計平均值的更真實的途徑，為氣體分子運動論奠定計平均值的更真實的途徑，為氣體分子運動論奠定了根底。他還運用速

22、率分布率，對氣體分子平均自了根底。他還運用速率分布率，對氣體分子平均自在程進展了再一次計算，推導出如今被人們所公認在程進展了再一次計算，推導出如今被人們所公認的值。的值。二、玻爾茲曼分布二、玻爾茲曼分布 玻爾茲曼玻爾茲曼1844-1906，奧地利著名的物理，奧地利著名的物理學家，曾是斯特藩的學生和助教。學家，曾是斯特藩的學生和助教。1876年任維年任維也納物理研討所所長，是統(tǒng)計物理學的開創(chuàng)人也納物理研討所所長，是統(tǒng)計物理學的開創(chuàng)人之一。之一。 1866年從維也納大學畢業(yè)，開場研討動實際。年從維也納大學畢業(yè)，開場研討動實際。1868年發(fā)表年發(fā)表的論文。的論文。他明確指出，研討動實際必需引進統(tǒng)計學。并他明確指出，研討動實際必需引進統(tǒng)計學。并證明麥克斯韋分布的正確性。證明麥克斯韋分布的正確性。1871年延續(xù)發(fā)表論文，年延續(xù)發(fā)表論文，、，文中他研討了分子在，文中他研討了分子在重力場中的平衡分布。重力場中的平衡分布。 他不滿足于推導出氣體在平衡態(tài)下的分布律，他他不滿足于推導出氣體在平衡態(tài)下的分布律，他接著證明了氣體原來不處于平衡總要趨