熱力學(xué)三個(gè)定律的形成史

熱力學(xué)主要是從能量轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)來研究物質(zhì)的熱性質(zhì)，它揭示了能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式時(shí)遵從的宏觀規(guī)律，下面是為大家搜集的一篇關(guān)于熱力學(xué)三個(gè)定律的形成史探究的，供大家閱讀參考。熱力學(xué)是熱學(xué)理論的一個(gè)方面。熱力學(xué)主要是從能量轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)來研究物質(zhì)的熱性質(zhì)，它揭示了能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式時(shí)遵從的宏觀規(guī)律。熱力學(xué)是總結(jié)物質(zhì)的宏觀現(xiàn)象而得到的熱學(xué)理論，不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和微觀粒子的相互作用。因此它是一種唯象的宏觀理論，具有高度的可靠性和普遍性。熱力學(xué)三定律是熱力學(xué)的基本理論。1熱力學(xué)第一定律1.1熱力學(xué)第一定律概述能量守恒與轉(zhuǎn)換定律是自然界最普遍、最基本的規(guī)律之一。自然界中的一切物質(zhì)都具有能力，能量有各種不同的形式，這種不同形式的能量都可以轉(zhuǎn)移（從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體），也可以相互轉(zhuǎn)換（從一種能量形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N能量形式），但在轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)換過程中，它們的總量保持不變。這一規(guī)律成為能量守恒與轉(zhuǎn)換定律。能量守恒與轉(zhuǎn)換定律應(yīng)用在熱力學(xué)中，或者說應(yīng)用在伴有熱效應(yīng)的各種過程中，便是熱力學(xué)第一定律。熱力學(xué)第一定律是人類在實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，它的發(fā)現(xiàn)和建立，打破了人們企圖制造一種可以不消耗能量而能連續(xù)做功的永動(dòng)機(jī)。因此，熱力學(xué)第一定律也可以表述為：第一類永動(dòng)機(jī)是造不出來的[1].其基本公式可以表述為公式（1），它表明向系統(tǒng)輸入的熱量Q,等于質(zhì)量為m的流體流經(jīng)系統(tǒng)前后焓H的增量、動(dòng)能v的增量以及系統(tǒng)向外界輸出的機(jī)械功W之和。1.2熱力學(xué)第一定律形成史1.2.1羅伯特?邁爾熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律有著極其密切的關(guān)系。德國物理學(xué)家、醫(yī)生邁爾發(fā)現(xiàn)體力和體熱來源于食物中所含的化學(xué)能，提出如果動(dòng)物體能的輸入同支出是平衡的，所有這些形式的能在量上就必定守恒。他由此受到啟發(fā)，去探索熱和機(jī)械功的關(guān)系。1842年他發(fā)表了《論無機(jī)性質(zhì)的力》的論文，表述了物理、化學(xué)過程中各種力（能）的轉(zhuǎn)化和守恒的思想。邁爾是歷史上第一個(gè)提出能量守恒定律并計(jì)算出熱功當(dāng)量的人。1.2.2焦耳英國科學(xué)家焦耳(J.P.Joule,18181889)關(guān)于熱功當(dāng)量的測(cè)定，為最終確立熱力學(xué)第一定律奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。1850年，焦耳在他的《論熱功當(dāng)量》的論文中，已經(jīng)將熱功當(dāng)量值總結(jié)為：以水做實(shí)驗(yàn)為773石4磅/卡(424千克米/千卡)，以水銀作實(shí)驗(yàn)為776.30磅/卡(425.77千克米/千卡)，后來又經(jīng)過一系列極為精確的實(shí)驗(yàn)，焦耳又將J值確定為423.85千克米/千卡(4.153焦耳/卡)，這已和現(xiàn)代精確實(shí)驗(yàn)極為接近了。他和邁爾分別從不同的方面和不同的途徑達(dá)到了對(duì)能量轉(zhuǎn)化與守恒的證明。1.2.3亥姆霍茲德國物理學(xué)家亥姆霍茲從多方面論證了能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，其中最主要的是從否定永動(dòng)機(jī)的存在這一途徑來完成的。1842年，他在關(guān)于《力的守恒》的論文中，就論述了他的能量轉(zhuǎn)化與守恒的基本思想，論證了“活力”與“張力”之和是一個(gè)常數(shù)，稱之為“力的守恒原理”，并把這種“力”的保守性同永動(dòng)機(jī)之不可能聯(lián)系起來。他的這一工作從理論上對(duì)能量守恒原理作出了重要概括。2熱力學(xué)第二定律2.1熱力學(xué)第二定律概述熱力學(xué)第二定律有兩種表述，第一種是“不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化”，另一種為“不可能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓?，”即第二類永?dòng)機(jī)是造不出來的[2].其基本公式可以表述為公式(2)，式中，對(duì)不可逆過程應(yīng)取用不等號(hào)，8Q指系統(tǒng)實(shí)際過程熱，T指環(huán)境溫度，對(duì)可逆過程應(yīng)取用等號(hào)，8Q指可逆過程熱，T為系統(tǒng)溫度。2.2熱力學(xué)第二定律形成史十八、十九世紀(jì)，由于科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，蒸氣機(jī)在英國煤礦業(yè)得到了普遍的使用，這同時(shí)給物理學(xué)家提出了許多急待解決的理論問題，比如：熱現(xiàn)象的產(chǎn)生原理、提高熱機(jī)效率的方法、熱機(jī)效率上限的存在與否、永動(dòng)機(jī)的存在與否等等。正式提出熱力學(xué)第二定律的是英國物理學(xué)家湯姆遜?開爾文(WilliamThomson,15241907)和德國物理學(xué)家克勞修斯在研究熱現(xiàn)象的過程中，發(fā)現(xiàn)按能量守恒與轉(zhuǎn)化定律，于是開爾文提出了“不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓?，而不產(chǎn)生其它影響”.而克勞修斯在提出熱力學(xué)第二定律的表述后，于1854年發(fā)表了題為“論熱的機(jī)械理論的第二定律的變化了的形式”論文，文中對(duì)熱力學(xué)第二定律又作了補(bǔ)充。至此，經(jīng)過眾多物理學(xué)家的努力，熱力學(xué)第二定律才完整地建立起來。3.1熱力學(xué)第三定律概述20世紀(jì)初，人們通過對(duì)低溫下熱力學(xué)現(xiàn)象的研究，確定了物質(zhì)熵值的零點(diǎn)，逐步建立起了熱力學(xué)第三定律，進(jìn)而提出了規(guī)定“熵”的概念，為解決一系列的熱力學(xué)問題提供了極大的方便。熱力學(xué)第三定律可以準(zhǔn)確簡潔地表述為：0K時(shí)，任何完美晶體的熵值為0.也可以表達(dá)為，絕對(duì)零度不能達(dá)到[3].其公式可以按照公式(3)來表示，說明AG和AH隨著T變化，而當(dāng)T趨向于0時(shí)，△G和AH近似相等。3.2熱力學(xué)第三定律形成史3.2.1T?W?Richards1902年，T-W-Richards研究了低溫下電池反應(yīng)的△G、△H與溫度的關(guān)系，得出這樣一個(gè)結(jié)論：當(dāng)溫度降低時(shí)，△G、△H逐漸趨于相等。Richards的研究為熱力學(xué)第三定律的提出提供了必要的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。3.2.2普朗克1912年，德國人普朗克在能斯特的熱定理基礎(chǔ)上，進(jìn)一步假設(shè)：0K時(shí)，純凝聚體系的熵值為零[4].3.2.3路易斯和蘭德爾1920年，Lewis和Gibson發(fā)現(xiàn)指出普朗克的假設(shè)S(0k)=0只適用于完美晶體。因?yàn)?K時(shí)一些物質(zhì)可能有多種晶體形態(tài)，但其中只有完美晶體熵可能為零。普朗克、路易斯和蘭德爾對(duì)普朗克假設(shè)作了修正，得出如下說法：如果溫度為0k的每一種元素處于結(jié)晶狀態(tài)的熵值都為零，則一切物質(zhì)的熵值都具有一定的正值，但溫度為0k時(shí)其熵值可變?yōu)榱?，?duì)于完美晶體來說確實(shí)如此。至此，人們就建立起了比較完整、準(zhǔn)確的熱力學(xué)第三定律。4結(jié)語熱力學(xué)三個(gè)定律是無數(shù)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，至今尚未發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)理論與事實(shí)不符合的情形，因此它們具有高度的可靠性。熱力學(xué)理論對(duì)一切物質(zhì)系統(tǒng)都適用，具有普遍性的優(yōu)點(diǎn)。這些理論是根據(jù)宏觀現(xiàn)象得出的，因此稱為宏觀理論，也叫唯象理論。熱力學(xué)是熱學(xué)理論的一個(gè)方面。熱力學(xué)主要是從能量轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)來研究物質(zhì)的熱性質(zhì)，它揭示了能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式時(shí)遵從的宏觀規(guī)律。熱力學(xué)基本定律是人類在長期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的，他們雖不能用其他理論方法加以證明，但由它們出發(fā)得出的熱力學(xué)關(guān)系及結(jié)論都與事實(shí)或經(jīng)驗(yàn)相符，這有力地說明了熱力學(xué)定律的正確性?？v觀熱力學(xué)定律的發(fā)展史，科學(xué)是一個(gè)集觀察、思考、實(shí)驗(yàn)、總結(jié)、學(xué)習(xí)、于一體的事物，只有以謹(jǐn)慎的態(tài)度對(duì)待它，才會(huì)迎來科學(xué)事業(yè)的飛躍。〔1〕魏蔚，吳建琴，馬曉棟。關(guān)于熱力學(xué)第一定律的講述[J].新疆師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011(04)：5962.〔2〕李復(fù)，高炳坤。熱力學(xué)第二定律理論體系的討論[J].大學(xué)物理，2000(04)：1922.〔3〕祁學(xué)永，畢言鋒。淺談熱力學(xué)第三定