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1、第三节经典物理学的全面发展第1页，共59页，编辑于2022年，星期二本节教学目的和要求本节教学目的和要求1.了解近代资本主义大工业的建立对近代物理学了解近代资本主义大工业的建立对近代物理学的推动作用；的推动作用；2.把握近代以来关于光的本质的认识的发展线索，把握近代以来关于光的本质的认识的发展线索，弄清光的微粒说与光的波动说之争的来龙去脉；弄清光的微粒说与光的波动说之争的来龙去脉；3.理解热力学第一定律、第二定律的涵义，重点理解热力学第一定律、第二定律的涵义，重点掌握热力学第二定律的自然观意义；掌握热力学第二定律的自然观意义；4.认识电磁学的建立在物理学史和技术史上的重要认识电磁学的建立在物理
2、学史和技术史上的重要地位和作用。地位和作用。第2页，共59页，编辑于2022年，星期二1 1光学的进展光学的进展1.1.几何光学几何光学：16211621年荷兰年荷兰年荷兰年荷兰斯涅尔斯涅尔发现光的发现光的折射定律折射定律2.2.2.2.波动光学的兴起波动光学的兴起：牛顿的光的颜色的理论：牛顿的光的颜色的理论3.3.光的本质的探讨光的本质的探讨光的本质的探讨光的本质的探讨：光究意是什么，是某种物质的运：光究意是什么，是某种物质的运动形式动形式波动？还是某种实物微粒？胡克、惠更斯波动？还是某种实物微粒？胡克、惠更斯等人主张波动说，牛顿则更倾向于微粒说。微粒说等人主张波动说，牛顿则更倾向于微粒说。
3、微粒说在在18181818世纪占据统治地位。世纪占据统治地位。世纪占据统治地位。世纪占据统治地位。4.4.4.4.波动说的胜利波动说的胜利：19191919世纪初英国世纪初英国托马斯托马斯杨杨的双缝实验的双缝实验的双缝实验的双缝实验与微粒说相矛盾，杨用光的波动说解释了与微粒说相矛盾，杨用光的波动说解释了与微粒说相矛盾，杨用光的波动说解释了与微粒说相矛盾，杨用光的波动说解释了“干涉现象干涉现象干涉现象干涉现象”和和和和“衍射现象衍射现象衍射现象衍射现象”。法国的。法国的。法国的。法国的菲涅尔菲涅尔以数学形式证明了波以数学形式证明了波以数学形式证明了波以数学形式证明了波动说。动说。动说。动说。第3
4、页，共59页，编辑于2022年，星期二菲涅尔菲涅尔菲涅尔菲涅尔托托托托马马马马斯斯斯斯杨杨杨杨菲涅尔的波带法菲涅尔的波带法 衍衍射射现现象象折射定律折射定律 干干涉涉现现象象第4页，共59页，编辑于2022年，星期二波动说与微粒说的交锋惠更斯与光的波动说波动说第5页，共59页，编辑于2022年，星期二二、热学的成就二、热学的成就 2.12.1热的本质热的本质在十八世纪，随着人们对燃烧现象认识的深在十八世纪，随着人们对燃烧现象认识的深入，对热现象也开始试图给予解释。入，对热现象也开始试图给予解释。当时对热的本性存在两种见解：一种认为热当时对热的本性存在两种见解：一种认为热是一种物质；另一种认为热
5、是物质分子的微是一种物质；另一种认为热是物质分子的微小运动。小运动。拉瓦锡在拉瓦锡在17891789年的年的初等化学概论初等化学概论中把热物质中把热物质当做一种元素引入，称之为热素或热质当做一种元素引入，称之为热素或热质（caloriquecalorique）。）。第6页，共59页，编辑于2022年，星期二热质说热质说拉瓦锡认为：存在着一种极易流动的物质拉瓦锡认为：存在着一种极易流动的物质实体充满分子之间的空间，这种实体具有实体充满分子之间的空间，这种实体具有扩大分子之间距离的作用。扩大分子之间距离的作用。这种物质实体热质，根据其状态分为这种物质实体热质，根据其状态分为两类：自由的热质和结合的
6、热质。两类：自由的热质和结合的热质。结合的热质被物体中的分子所束缚，形成结合的热质被物体中的分子所束缚，形成其实质的一部分；自由热质没有处于任何其实质的一部分；自由热质没有处于任何结合状态，能够从一个物体转移到另一个结合状态，能够从一个物体转移到另一个物体，成为各种热现象的载体。物体，成为各种热现象的载体。第7页，共59页，编辑于2022年，星期二热机：从技术到理论热机：从技术到理论蒸汽机的广泛使用促进了工业革命、缩短了蒸汽机的广泛使用促进了工业革命、缩短了旅行时间、加快了商品流通。但是蒸汽机的旅行时间、加快了商品流通。但是蒸汽机的改进只是靠技术上的摸索取得，到十九世纪改进只是靠技术上的摸索取
7、得，到十九世纪初还没有一个关于蒸汽机的一般理论。初还没有一个关于蒸汽机的一般理论。这一局面因卡诺于这一局面因卡诺于18241824年出版年出版关于火的动关于火的动力及其适于产生这种动力的发动机之考察力及其适于产生这种动力的发动机之考察一书而改变。一书而改变。第8页，共59页，编辑于2022年，星期二Sadi Nicolas Lonard CarnotSadi Nicolas Lonard Carnot卡诺卡诺(1796-1832)(1796-1832)出身于出身于法国望族。法国望族。18141814年卡诺毕业于法国综年卡诺毕业于法国综合工科学校后到工兵部队合工科学校后到工兵部队服役，服役，18
8、201820年退役后专心年退役后专心从事物理学理论研究。从事物理学理论研究。他的父亲是拿破仑一世政他的父亲是拿破仑一世政府要人；弟弟是一位持自府要人；弟弟是一位持自由观点的政治家；一位侄由观点的政治家；一位侄子是法兰西第三共和国总子是法兰西第三共和国总统。统。第9页，共59页，编辑于2022年，星期二热机的效率热机的效率瓦特致力于提高蒸汽机的效率。但是经过改进的瓦特致力于提高蒸汽机的效率。但是经过改进的蒸汽机效率仍然很低。燃料所产生的热能的蒸汽机效率仍然很低。燃料所产生的热能的93%-93%-95%95%都被浪费掉。都被浪费掉。卡诺对热机的做功效率也非常感兴趣。他想了解这卡诺对热机的做功效率也
9、非常感兴趣。他想了解这种效率究竟可以提高到多少。种效率究竟可以提高到多少。卡诺从他的应用力学家父亲那里学会了对一个卡诺从他的应用力学家父亲那里学会了对一个循环过程进行考察的必要性。他把热机对外做循环过程进行考察的必要性。他把热机对外做功和做完功返回原状的过程结合起来考虑。功和做完功返回原状的过程结合起来考虑。第10页，共59页，编辑于2022年，星期二热质守恒热质守恒卡诺在卡诺在关于火的动力关于火的动力一书中是立足于一书中是立足于热质说来考察热机效率的。热质说来考察热机效率的。他的工作基础就是热质守恒。卡诺认为，他的工作基础就是热质守恒。卡诺认为，热从高温物体向低温物体移动时，必然能热从高温物
10、体向低温物体移动时，必然能够产生动力。因此不伴随动力产生的热流够产生动力。因此不伴随动力产生的热流动是一种损失。温度不同的物体接触时就动是一种损失。温度不同的物体接触时就会产生这种损失。想要获得热机的最高效会产生这种损失。想要获得热机的最高效率，就要尽量避免这种损失。率，就要尽量避免这种损失。第11页，共59页，编辑于2022年，星期二卡诺循环：理想热机卡诺循环：理想热机 卡诺进一步设想了没有任何损失的理想卡诺进一步设想了没有任何损失的理想热机。他考察了由带活塞的汽缸中气体所产热机。他考察了由带活塞的汽缸中气体所产生的等温膨胀（系统从环境中吸收热量）、生的等温膨胀（系统从环境中吸收热量）、绝热
11、膨胀（系统对环境中作功）、等温压缩绝热膨胀（系统对环境中作功）、等温压缩（系统向环境中放出热量）、绝热压缩（系（系统向环境中放出热量）、绝热压缩（系统恢复原来状态，对环境作负功）四个过程统恢复原来状态，对环境作负功）四个过程组成的循环，后来命名为卡诺循环。组成的循环，后来命名为卡诺循环。第12页，共59页，编辑于2022年，星期二热力学的奠基人热力学的奠基人卡诺最先定量地研究了热和功相互转化的方式，因卡诺最先定量地研究了热和功相互转化的方式，因此他被称作热力学的奠基人。此他被称作热力学的奠基人。他的方程表明最大效率只与最高温度和最低温度有关，他的方程表明最大效率只与最高温度和最低温度有关，与中
12、间过程、工作介质无关。与中间过程、工作介质无关。卡诺如果能继续研究下去，很可能由此得出热力学第卡诺如果能继续研究下去，很可能由此得出热力学第二定律（熵增加定理）。而且卡诺后来还放弃了热质二定律（熵增加定理）。而且卡诺后来还放弃了热质说，转而认为热是一种运动。说，转而认为热是一种运动。但是不幸的是他在但是不幸的是他在3636岁就死于霍乱。岁就死于霍乱。岁就死于霍乱。岁就死于霍乱。第13页，共59页，编辑于2022年，星期二热动说热动说 伦福德伦福德伦福德伦福德(1753-1814)(1753-1814)(1753-1814)(1753-1814)纠正了热是纠正了热是纠正了热是纠正了热是一种无质流
13、体的说法。一种无质流体的说法。一种无质流体的说法。一种无质流体的说法。伦福德出身于美国，后到欧洲慕伦福德出身于美国，后到欧洲慕伦福德出身于美国，后到欧洲慕伦福德出身于美国，后到欧洲慕尼黑管理一个兵工厂，他发现当尼黑管理一个兵工厂，他发现当尼黑管理一个兵工厂，他发现当尼黑管理一个兵工厂，他发现当钻削制造炮筒的青铜坯料时，金钻削制造炮筒的青铜坯料时，金钻削制造炮筒的青铜坯料时，金钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属坯料烫得象火一样。属坯料烫得象火一样。属坯料烫得象火一样。属坯料烫得象火一样。当时传统的解释是，当金属被切当时传统的解释是，当金属被切当时传统的解释是，当金属被切当时传统的解释是，当金属被切削
14、成刨花时，热质就从金属中逸削成刨花时，热质就从金属中逸削成刨花时，热质就从金属中逸削成刨花时，热质就从金属中逸出。出。出。出。但是伦福德注意到，只要镗钻不但是伦福德注意到，只要镗钻不但是伦福德注意到，只要镗钻不但是伦福德注意到，只要镗钻不停止，金属就不停地发热。停止，金属就不停地发热。停止，金属就不停地发热。停止，金属就不停地发热。第14页，共59页，编辑于2022年，星期二热质热质伦福德在慕尼黑管理一个兵工厂，他发伦福德在慕尼黑管理一个兵工厂，他发现当钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属现当钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属坯料烫得象火一样。坯料烫得象火一样。当时传统的解释是，当金属被切削成刨当时传统
15、的解释是，当金属被切削成刨花时，热质就从金属中逸出。花时，热质就从金属中逸出。但是伦福德注意到，只要镗钻不停止，但是伦福德注意到，只要镗钻不停止，金属就不停地发热。金属就不停地发热。第15页，共59页，编辑于2022年，星期二机械运动转化为热机械运动转化为热伦福德得出结论，是镗具的机械运动转化伦福德得出结论，是镗具的机械运动转化为热。为热。17981798年伦福德向皇家学会报告了他年伦福德向皇家学会报告了他在慕尼黑的实验。在慕尼黑的实验。他还试图给出一定量的机械运动所能产生他还试图给出一定量的机械运动所能产生的热量，这是首次给出了热功当量的数值。的热量，这是首次给出了热功当量的数值。不过他的数
16、值偏高。不过他的数值偏高。17991799年伦福德回到英国，当选为皇家学会年伦福德回到英国，当选为皇家学会会员。会员。18041804年到巴黎定居，娶了拉瓦锡的年到巴黎定居，娶了拉瓦锡的遗孀并就热质说与已故的拉瓦锡作对。遗孀并就热质说与已故的拉瓦锡作对。第16页，共59页，编辑于2022年，星期二热运动说的处境热运动说的处境伦福德的报告引起巨大反响，对热运动说有伦福德的报告引起巨大反响，对热运动说有人支持也有人反对。热质说的统治地位一时人支持也有人反对。热质说的统治地位一时还难以动摇。还难以动摇。当时以热质守恒这一基本原理为基础，热学当时以热质守恒这一基本原理为基础，热学正稳步地积累着实验资料
17、，并不断带来新的正稳步地积累着实验资料，并不断带来新的理论。相反，热运动论缺乏定量的实验基础，理论。相反，热运动论缺乏定量的实验基础，没有提出数学化的理论。没有提出数学化的理论。必须等到能量守恒定律的确立，才能从更为必须等到能量守恒定律的确立，才能从更为广阔的观点来理解热和运动的相互转化。广阔的观点来理解热和运动的相互转化。第17页，共59页，编辑于2022年，星期二2.22.2能量守恒定律的发现能量守恒定律的发现 能量守恒定律提出的背景能量守恒定律提出的背景(1)(1)(1)(1)由于十八世纪以来物理学前沿的扩大，形形色色的物理由于十八世纪以来物理学前沿的扩大，形形色色的物理由于十八世纪以来
18、物理学前沿的扩大，形形色色的物理由于十八世纪以来物理学前沿的扩大，形形色色的物理现象之间的转化过程被陆续发现，引起人们注意。现象之间的转化过程被陆续发现，引起人们注意。现象之间的转化过程被陆续发现，引起人们注意。现象之间的转化过程被陆续发现，引起人们注意。(2)(2)十八世纪下半叶在德国产生一种对机械论自然观的不满，十八世纪下半叶在德国产生一种对机械论自然观的不满，十八世纪下半叶在德国产生一种对机械论自然观的不满，十八世纪下半叶在德国产生一种对机械论自然观的不满，萌发一种活力论。这种活力论在十九世纪初发展成为自萌发一种活力论。这种活力论在十九世纪初发展成为自萌发一种活力论。这种活力论在十九世纪
19、初发展成为自萌发一种活力论。这种活力论在十九世纪初发展成为自然哲学：把整个宇宙看做是由某种根源性的力所引起的然哲学：把整个宇宙看做是由某种根源性的力所引起的然哲学：把整个宇宙看做是由某种根源性的力所引起的然哲学：把整个宇宙看做是由某种根源性的力所引起的历史发展的产物。自然界的各种力，电、磁、光、热、历史发展的产物。自然界的各种力，电、磁、光、热、历史发展的产物。自然界的各种力，电、磁、光、热、历史发展的产物。自然界的各种力，电、磁、光、热、化学亲和力等等东西归根结底是同一种东西。化学亲和力等等东西归根结底是同一种东西。化学亲和力等等东西归根结底是同一种东西。化学亲和力等等东西归根结底是同一种东
20、西。第18页，共59页，编辑于2022年，星期二2.22.2能量守恒定律的发现能量守恒定律的发现 德国人迈尔（德国人迈尔（1814-18781814-1878）作为随船医生在作为随船医生在18401840年去爪年去爪哇的航行中，由于考虑动物哇的航行中，由于考虑动物热的问题，迈尔对物理学产热的问题，迈尔对物理学产生兴趣，多次著文阐述能量生兴趣，多次著文阐述能量守恒的信念。守恒的信念。18411841年他完年他完成成关于无机界各种力的意关于无机界各种力的意见见一文，被一家物理学杂一文，被一家物理学杂志退稿后，第二年发表在了志退稿后，第二年发表在了李比希主编的李比希主编的化学和药学化学和药学年鉴年鉴
21、上。但是他的工作几上。但是他的工作几乎没有引起人们注意。乎没有引起人们注意。第19页，共59页，编辑于2022年，星期二2.22.2能量守恒定律的发现能量守恒定律的发现 英国的焦耳擅长实验。他对所有他英国的焦耳擅长实验。他对所有他想得到的有热量产生过程进行热测想得到的有热量产生过程进行热测量。量。18401840年他得出：电流产生的热量与年他得出：电流产生的热量与电流强度的平方和电阻的乘积成正电流强度的平方和电阻的乘积成正比焦耳最后测量出做的功和产比焦耳最后测量出做的功和产生的热的关系为：生的热的关系为：41,450,00041,450,000尔格尔格的功产生的功产生1 1卡的热量。卡的热量。
22、为了纪念焦耳的工作，后来规定一为了纪念焦耳的工作，后来规定一千万尔格的功定义为一焦耳。现在千万尔格的功定义为一焦耳。现在的热功当量数值为的热功当量数值为4.184.18焦耳焦耳/卡。卡。第20页，共59页，编辑于2022年，星期二成果无处发表成果无处发表当时人们没有认识到焦耳工作的意义。各种学术刊物和皇家学会都拒当时人们没有认识到焦耳工作的意义。各种学术刊物和皇家学会都拒当时人们没有认识到焦耳工作的意义。各种学术刊物和皇家学会都拒当时人们没有认识到焦耳工作的意义。各种学术刊物和皇家学会都拒绝发表他的文章。绝发表他的文章。绝发表他的文章。绝发表他的文章。1847184718471847年焦耳获得
23、在英国科学促进会年会上宣读他的论文的机会，当时年焦耳获得在英国科学促进会年会上宣读他的论文的机会，当时年焦耳获得在英国科学促进会年会上宣读他的论文的机会，当时年焦耳获得在英国科学促进会年会上宣读他的论文的机会，当时几乎没有听众，几乎没有听众，几乎没有听众，几乎没有听众，只有一位只有一位只有一位只有一位23232323岁的年青人威廉岁的年青人威廉岁的年青人威廉岁的年青人威廉汤姆森，即后来的开尔文勋爵对他汤姆森，即后来的开尔文勋爵对他汤姆森，即后来的开尔文勋爵对他汤姆森，即后来的开尔文勋爵对他的报告感兴趣。汤姆森对焦耳的成果作了十分精辟的评价，终于的报告感兴趣。汤姆森对焦耳的成果作了十分精辟的评价
24、，终于的报告感兴趣。汤姆森对焦耳的成果作了十分精辟的评价，终于的报告感兴趣。汤姆森对焦耳的成果作了十分精辟的评价，终于引起人们的注意。引起人们的注意。引起人们的注意。引起人们的注意。1849184918491849年在法拉第亲自主持下，焦耳在皇家学会宣读了他的论年在法拉第亲自主持下，焦耳在皇家学会宣读了他的论年在法拉第亲自主持下，焦耳在皇家学会宣读了他的论年在法拉第亲自主持下，焦耳在皇家学会宣读了他的论文，他的成果终于获得完全承认。文，他的成果终于获得完全承认。文，他的成果终于获得完全承认。文，他的成果终于获得完全承认。焦耳的工作为热力学第一、第二定律的得出奠定了实验基础。焦耳的工作为热力学第
25、一、第二定律的得出奠定了实验基础。焦耳的工作为热力学第一、第二定律的得出奠定了实验基础。焦耳的工作为热力学第一、第二定律的得出奠定了实验基础。第21页，共59页，编辑于2022年，星期二能量守恒定律的发现能量守恒定律的发现 对能量守恒，迈尔展开了对能量守恒，迈尔展开了大胆思辨，焦耳进行了扎大胆思辨，焦耳进行了扎实的实验，而德国生理学实的实验，而德国生理学家和物理学家赫姆霍兹家和物理学家赫姆霍兹（1821-18941821-1894）则立足于力）则立足于力学基础之上，追求各种能学基础之上，追求各种能量转换过程的数学表述。量转换过程的数学表述。最终被确认为能量守恒定最终被确认为能量守恒定律的确立者
26、。律的确立者。第22页，共59页，编辑于2022年，星期二论论“力力”的守恒的守恒18471847年赫姆霍兹独立完成年赫姆霍兹独立完成论论论论“力力力力”的守恒的守恒的守恒的守恒一文，并一文，并一文，并一文，并于于于于7 7 7 7月月月月2323日在柏林物理学会的年会上宣读日在柏林物理学会的年会上宣读1854185418541854年赫姆霍兹在年赫姆霍兹在自然力的相互作用自然力的相互作用自然力的相互作用自然力的相互作用一文中指出，一文中指出，一文中指出，一文中指出，“自然作为一个整体，是力的储存库，它不能以任何方自然作为一个整体，是力的储存库，它不能以任何方自然作为一个整体，是力的储存库，它
27、不能以任何方自然作为一个整体，是力的储存库，它不能以任何方法增加或减少。所以自然界中力的数量正象物质的数量法增加或减少。所以自然界中力的数量正象物质的数量法增加或减少。所以自然界中力的数量正象物质的数量法增加或减少。所以自然界中力的数量正象物质的数量一样永存和不变。我曾将这个普遍的定律命名为一样永存和不变。我曾将这个普遍的定律命名为一样永存和不变。我曾将这个普遍的定律命名为一样永存和不变。我曾将这个普遍的定律命名为力的力的力的力的守恒原理守恒原理守恒原理守恒原理”。这里明确表达了能量转化和守恒的思想。这里明确表达了能量转化和守恒的思想。这里明确表达了能量转化和守恒的思想。这里明确表达了能量转化
28、和守恒的思想。以以1850-18511850-1851年间克劳修斯和汤姆森奠定热力学基础的年间克劳修斯和汤姆森奠定热力学基础的年间克劳修斯和汤姆森奠定热力学基础的年间克劳修斯和汤姆森奠定热力学基础的工作为转机，能量守恒定律才获得普遍承认。工作为转机，能量守恒定律才获得普遍承认。工作为转机，能量守恒定律才获得普遍承认。工作为转机，能量守恒定律才获得普遍承认。第23页，共59页，编辑于2022年，星期二意义意义 能量守恒与转化定律能量守恒与转化定律被认为是物被认为是物理学的理学的“最高定律最高定律”（法拉第），（法拉第），“宇宙的普遍的基本定律宇宙的普遍的基本定律”（克劳（克劳修斯），恩格斯则称之
29、为修斯），恩格斯则称之为1919世纪三世纪三大发现之一。该定律的发现标志着大发现之一。该定律的发现标志着近代物理学第二次理论大综合。近代物理学第二次理论大综合。第24页，共59页，编辑于2022年，星期二2.32.3热力学第一、第二定律的建立热力学第一、第二定律的建立 热力学第一定律的建立热力学第一定律的建立热功当量的发现揭示了热和机械功之间热功当量的发现揭示了热和机械功之间存在着内在的定量关系。焦耳的实验一存在着内在的定量关系。焦耳的实验一方面证明了热和机械功的作用效果是等方面证明了热和机械功的作用效果是等价的，另一方面也证明了绝热过程的功价的，另一方面也证明了绝热过程的功与过程进行的方式无
30、关。与过程进行的方式无关。在焦耳工作的基础上，克劳修斯和开尔在焦耳工作的基础上，克劳修斯和开尔文各自深入研究了热功转化的机制和规文各自深入研究了热功转化的机制和规律性问题，分别获得了热力学第一定律律性问题，分别获得了热力学第一定律的各自表述。的各自表述。第25页，共59页，编辑于2022年，星期二第一定律的克劳修斯表述第一定律的克劳修斯表述 18501850年年4 4月克劳修斯在月克劳修斯在物理和化学年鉴物理和化学年鉴上发表了上发表了论热的动力和可由此推导热学本论热的动力和可由此推导热学本身的定律身的定律提出热力学第一定律表述：提出热力学第一定律表述：“在一切热做功的情况中，产生的功与消耗在一
31、切热做功的情况中，产生的功与消耗的热量成比例。反之，通过消耗同样大小的的热量成比例。反之，通过消耗同样大小的功，将能产生同样数量的热量。功，将能产生同样数量的热量。”第26页，共59页，编辑于2022年，星期二第一定律的开尔文表述第一定律的开尔文表述 1851185118511851年年开开尔尔文文发发表表以以以以焦焦焦焦耳耳耳耳先先先先生生生生的的的的单单单单位位位位热热热热当当当当量量量量导导导导出出出出的的的的大大大大量量量量结结结结果果果果和和和和雷雷雷雷诺诺诺诺对对对对蒸蒸蒸蒸气气气气的的的的观观观观察察察察论论论论热热热热的的的的动动动动力力力力学学学学理理理理论论论论一一文，提出
32、了热力学第一定律的开尔文说法：文，提出了热力学第一定律的开尔文说法：“物质系必须以热的形式或以机械功的形式，给出同物质系必须以热的形式或以机械功的形式，给出同物质系必须以热的形式或以机械功的形式，给出同物质系必须以热的形式或以机械功的形式，给出同它得到的同样多的能量它得到的同样多的能量它得到的同样多的能量它得到的同样多的能量”。这里开尔文首次把能量一词引入到了热力学中，该这里开尔文首次把能量一词引入到了热力学中，该这里开尔文首次把能量一词引入到了热力学中，该这里开尔文首次把能量一词引入到了热力学中，该表述也被称为热力学第一定律的能量表述。表述也被称为热力学第一定律的能量表述。表述也被称为热力学
33、第一定律的能量表述。表述也被称为热力学第一定律的能量表述。第27页，共59页，编辑于2022年，星期二热力学第二定律的建立热力学第二定律的建立 热力学第一定律是关于孤立热力学系统从热源是否热力学第一定律是关于孤立热力学系统从热源是否吸收热量和内能与外功之间转化守恒关系的规律，吸收热量和内能与外功之间转化守恒关系的规律，它并不涉及不同温度的两个热源之间的热量传递。它并不涉及不同温度的两个热源之间的热量传递。然而卡诺热机理论表明，为了从热产生动力，需要然而卡诺热机理论表明，为了从热产生动力，需要然而卡诺热机理论表明，为了从热产生动力，需要然而卡诺热机理论表明，为了从热产生动力，需要有高温物体和低温
34、物体。热机的实践也证明，热机有高温物体和低温物体。热机的实践也证明，热机有高温物体和低温物体。热机的实践也证明，热机有高温物体和低温物体。热机的实践也证明，热机存在着普遍的热耗散现象，总有一些热譬如磨擦热存在着普遍的热耗散现象，总有一些热譬如磨擦热存在着普遍的热耗散现象，总有一些热譬如磨擦热存在着普遍的热耗散现象，总有一些热譬如磨擦热不能复返做功。不能复返做功。不能复返做功。不能复返做功。事实上卡诺的理想热机循环在实际中是不能实现的。事实上卡诺的理想热机循环在实际中是不能实现的。事实上卡诺的理想热机循环在实际中是不能实现的。事实上卡诺的理想热机循环在实际中是不能实现的。对此，需要有一个新的普遍
35、规律对这种普遍现象加对此，需要有一个新的普遍规律对这种普遍现象加对此，需要有一个新的普遍规律对这种普遍现象加对此，需要有一个新的普遍规律对这种普遍现象加以说明。以说明。以说明。以说明。第28页，共59页，编辑于2022年，星期二第二定律的克氏表述第二定律的克氏表述 在在18541854年年物理和化学年鉴物理和化学年鉴上发表的上发表的论机械热理论第二基本定律的一个改论机械热理论第二基本定律的一个改变形式变形式一文中，克劳修斯给出了通常一文中，克劳修斯给出了通常所说的热力学第二定律的所说的热力学第二定律的“克氏表述克氏表述”：“热不可能由冷体传到热体，如果不热不可能由冷体传到热体，如果不因而同时引
36、起其他关系的变化。因而同时引起其他关系的变化。”第29页，共59页，编辑于2022年，星期二熵熵18651865年年4 4月克劳修斯在月克劳修斯在关于热的动力理论关于热的动力理论的主要方程的各种应用的方便形式的主要方程的各种应用的方便形式中提中提出了一个与变化途径无关的状态函数出了一个与变化途径无关的状态函数S S。定义定义dS=dQ/TdS=dQ/T，S S表示物体的热转变含量，表示物体的热转变含量，并用了一个与能量的德文字（并用了一个与能量的德文字（EnergieEnergie）相）相近的从希腊文转写过来的词近的从希腊文转写过来的词EntropieEntropie来命来命名名S S。192
37、31923年普朗克到南京东南大学作热力学第年普朗克到南京东南大学作热力学第二定律方面的讲学，胡复刚为之翻译，首二定律方面的讲学，胡复刚为之翻译，首次把次把EntropieEntropie译作熵。译作熵。第30页，共59页，编辑于2022年，星期二“克氏表述克氏表述”的精练形式的精练形式在在18651865年的论文中，克劳修斯把热力学第二年的论文中，克劳修斯把热力学第二定律表述为：对于可逆过程而言，熵等于定律表述为：对于可逆过程而言，熵等于0 0；对于不可逆过程而言，熵总是大于对于不可逆过程而言，熵总是大于0 0。18751875年在年在热的动力理论热的动力理论中又提出了热力中又提出了热力学第二
38、定律学第二定律“克氏表述克氏表述”的更为精炼的形式：的更为精炼的形式：“热不可能自发地从一冷体传到一热体热不可能自发地从一冷体传到一热体”。第31页，共59页，编辑于2022年，星期二“宇宙热寂说宇宙热寂说”18671867年年年年在在在在法法法法兰兰兰兰克克克克福福福福举举举举行行行行的的的的第第第第41414141届届届届德德德德国国国国自自自自然然然然科科科科学学学学家家家家和和和和医医医医生生生生联联联联合合合合会会会会议议议议上上上上，克克克克劳劳劳劳修修修修斯斯斯斯他他他他把把把把整整整整个个个个宇宇宇宇宙宙宙宙看看看看做做做做一一一一个个个个孤孤孤孤立立立立的的的的绝绝绝绝热热热
39、热系系系系统统统统，然然然然后后后后把把把把热热热热力力力力学学学学第第第第一一一一定定定定律律律律和和和和第第第第二二二二定定定定律律律律应应应应用用用用于于于于整整整整个个个个宇宙，得出：宇宙，得出：宇宙，得出：宇宙，得出：(1)(1)(1)(1)宇宙的总能量是一个常数；宇宙的总能量是一个常数；宇宙的总能量是一个常数；宇宙的总能量是一个常数；(2)(2)宇宙的熵趋向某一个极大值。宇宙的熵趋向某一个极大值。宇宙的熵趋向某一个极大值。宇宙的熵趋向某一个极大值。这就是后来引起很多争议的这就是后来引起很多争议的这就是后来引起很多争议的这就是后来引起很多争议的“宇宙热寂说宇宙热寂说宇宙热寂说宇宙热寂
40、说”的正式提出。的正式提出。的正式提出。的正式提出。第32页，共59页，编辑于2022年，星期二第二类永动机不存在第二类永动机不存在在在1856185618561856年的年的论动力的起源和转变论动力的起源和转变中，开尔文把中，开尔文把热力学第二定律和制造一种自动机联系起来，提热力学第二定律和制造一种自动机联系起来，提出：不借助外部动因将热从一物体传递到另一高出：不借助外部动因将热从一物体传递到另一高温物体来制成一个自动机，是不可能的。温物体来制成一个自动机，是不可能的。这种自动机也称为永动机，后来人们把违反热力学这种自动机也称为永动机，后来人们把违反热力学这种自动机也称为永动机，后来人们把违
41、反热力学这种自动机也称为永动机，后来人们把违反热力学第一定律的永动机称作第一类永动机，违反热力学第一定律的永动机称作第一类永动机，违反热力学第一定律的永动机称作第一类永动机，违反热力学第一定律的永动机称作第一类永动机，违反热力学第二定律的永动机称作第二类永动机。第二定律的永动机称作第二类永动机。第二定律的永动机称作第二类永动机。第二定律的永动机称作第二类永动机。热力学第二定律也等价地被表述为：第二类永动机热力学第二定律也等价地被表述为：第二类永动机热力学第二定律也等价地被表述为：第二类永动机热力学第二定律也等价地被表述为：第二类永动机是不存在的。是不存在的。是不存在的。是不存在的。第33页，共
42、59页，编辑于2022年，星期二热力学第三定律热力学第三定律 热力学第三定律的建立与低温现象的研热力学第三定律的建立与低温现象的研究直接相关，究直接相关，18481848年汤姆逊提出绝对零年汤姆逊提出绝对零度可能是温度下限的观点，度可能是温度下限的观点，19061906年德国年德国人斯特提出任何物体都不可能冷却到绝人斯特提出任何物体都不可能冷却到绝对零度。对零度。第34页，共59页，编辑于2022年，星期二3 3电磁学的建立电磁学的建立3.13.1从静电到动电的研究：从静电到动电的研究：1818世纪静电学研究最重要的成就是世纪静电学研究最重要的成就是美国美国富兰克林富兰克林提出的关于单电流体的
43、一提出的关于单电流体的一元论，并用著名元论，并用著名风筝实验风筝实验加以证明；加以证明；1818世纪末电学从静电研究向流电研世纪末电学从静电研究向流电研究发展，意大利究发展，意大利伽伐尼伽伐尼发现动物电流、发现动物电流、伏打伏打在电堆实验和发现原电池的基础上在电堆实验和发现原电池的基础上提出了接触理论。提出了接触理论。第35页，共59页，编辑于2022年，星期二3.23.2奥斯特的发现奥斯特的发现 1819年丹麦物理学家奥斯特（年丹麦物理学家奥斯特（Oersted,Hans，1777-1851)在一次课堂实验中发现：在一次课堂实验中发现：让一个罗盘靠近通电导线，罗盘指针发让一个罗盘靠近通电导线
44、，罗盘指针发生转动，指向与电流方向成直角的方向。生转动，指向与电流方向成直角的方向。这次实验是电与磁之间的联系的第一次这次实验是电与磁之间的联系的第一次实验演示。实验演示。1820年奥斯特发表这个实验之后，年奥斯特发表这个实验之后，引起了爆炸性的反响。引起了爆炸性的反响。第36页，共59页，编辑于2022年，星期二3.3 3.3 法拉第的电磁学研究法拉第的电磁学研究 法拉第（法拉第（Michael Faraday 1791-1867）是一名铁匠的）是一名铁匠的儿子。儿子。早年做装订工学徒（早年做装订工学徒（1805年），使他有机会接触许年），使他有机会接触许多书，常翻大英百科全书多书，常翻大英
45、百科全书中的电学文章和拉瓦锡的中的电学文章和拉瓦锡的化学教程等。化学教程等。第37页，共59页，编辑于2022年，星期二戴维的助手、实验天才戴维的助手、实验天才1813年年22岁的法拉第成为戴维岁的法拉第成为戴维的助手，任务是刷洗瓶子。的助手，任务是刷洗瓶子。实验室里的法拉第渐渐表现出实验室里的法拉第渐渐表现出他的天分，甚至远远超出了值他的天分，甚至远远超出了值得戴维提携的程度。得戴维提携的程度。比如法拉第能熟练制备三氯化比如法拉第能熟练制备三氯化氮气体，而戴维则不那么熟练，氮气体，而戴维则不那么熟练，一次还让它爆炸了，几乎因此一次还让它爆炸了，几乎因此而失明。而失明。第38页，共59页，编辑
46、于2022年，星期二让磁力产生电流？让磁力产生电流？法拉第在法拉第在1821年就设计了一个实验装置，年就设计了一个实验装置，把电力和磁力间的作用转化成了连续的机把电力和磁力间的作用转化成了连续的机械运动。械运动。但这个装置充其量只不过是一个科学玩具。但这个装置充其量只不过是一个科学玩具。奥斯特让电流产生了磁力，法拉第所想的奥斯特让电流产生了磁力，法拉第所想的是怎样倒过来让磁力产生电流。是怎样倒过来让磁力产生电流。第39页，共59页，编辑于2022年，星期二读不到电流读不到电流 实验经过了许多曲折和戏剧性的过程。实验经过了许多曲折和戏剧性的过程。他用安培他用安培(Ampre,Andr 1775-
47、1836)发明发明的线圈来产生磁场，希望这个磁场能对第二的线圈来产生磁场，希望这个磁场能对第二个线圈产生影响。个线圈产生影响。第一个线圈固然产生了稳定的磁场，但第一个线圈固然产生了稳定的磁场，但是在是在 第二个线圈中读不到电流。第二个线圈中读不到电流。第40页，共59页，编辑于2022年，星期二没有轻易放过的现象没有轻易放过的现象在多次无效的尝试之后，一次在关在多次无效的尝试之后，一次在关闭第一线圈的电流的一刹那，第二闭第一线圈的电流的一刹那，第二线圈的电流计指针颤动了一下。线圈的电流计指针颤动了一下。据说十年前安培就发现过这个现象，据说十年前安培就发现过这个现象，但是这个现象不合于他的理论，
48、就但是这个现象不合于他的理论，就对之未加考虑。对之未加考虑。但法拉第没有轻易放过这一现象。但法拉第没有轻易放过这一现象。第41页，共59页，编辑于2022年，星期二电磁感应电磁感应经过反复实验，法拉第发现只有在打开和经过反复实验，法拉第发现只有在打开和关闭第一线圈的电流时，第二线圈内才产关闭第一线圈的电流时，第二线圈内才产生一股瞬时的电流。生一股瞬时的电流。这就是感应电流的发现。这种现象被称作这就是感应电流的发现。这种现象被称作电磁感应，是后来一切电动能源的基础。电磁感应，是后来一切电动能源的基础。第42页，共59页，编辑于2022年，星期二磁力线磁力线 法拉第直观地用磁力线来描述磁体周围的磁
49、场，并法拉第直观地用磁力线来描述磁体周围的磁场，并用铁屑来演示磁力线的排列。他认为这种力线是很用铁屑来演示磁力线的排列。他认为这种力线是很实在的东西，比原子更为实在。感应电流只有当磁实在的东西，比原子更为实在。感应电流只有当磁力线切割导线时才产生。力线切割导线时才产生。第43页，共59页，编辑于2022年，星期二磁感应发电机磁感应发电机一旦证明磁能产生电，法拉第接下来的工作是要用一旦证明磁能产生电，法拉第接下来的工作是要用一旦证明磁能产生电，法拉第接下来的工作是要用一旦证明磁能产生电，法拉第接下来的工作是要用磁场来产生连续的电流。磁场来产生连续的电流。磁场来产生连续的电流。磁场来产生连续的电流
50、。不久他就造出了世界上第一台磁感应发电机。不久他就造出了世界上第一台磁感应发电机。要生产出完全实用的发电机还需要许多辅助设备。而要生产出完全实用的发电机还需要许多辅助设备。而要生产出完全实用的发电机还需要许多辅助设备。而要生产出完全实用的发电机还需要许多辅助设备。而发明这些辅助设备花了人类半个多世纪。最终的发电发明这些辅助设备花了人类半个多世纪。最终的发电发明这些辅助设备花了人类半个多世纪。最终的发电发明这些辅助设备花了人类半个多世纪。最终的发电机与法拉第的最初模型看起来毫不相同，但基本工作机与法拉第的最初模型看起来毫不相同，但基本工作机与法拉第的最初模型看起来毫不相同，但基本工作机与法拉第的