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1、第四章第四章 经典热力学基础经典热力学基础1.1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究2.热力学第一定律的建立热力学第一定律的建立3.热力学第二定律的建立热力学第二定律的建立4.低温物理学低温物理学5.分子运动论的发展分子运动论的发展6.6.统计物理学的建立统计物理学的建立7.物态物态1.1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究一一 蒸汽机的发明蒸汽机的发明二二 计温学的发展计温学的发展三三 量热学的建立量热学的建立四四 热本质的认识热本质的认识1.1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究一一 蒸汽机的发明蒸汽机的发明16901690年巴本年巴本(FrnidFrnid Papin,1647-1
2、712,Papin,1647-1712,法国，惠更斯助手法国，惠更斯助手)首首先制成带有活塞和汽缸的实验性蒸汽机；先制成带有活塞和汽缸的实验性蒸汽机；1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究17051705年，年，托马斯托马斯纽可门纽可门（Thomas Newcomen,1663-1729,Thomas Newcomen,1663-1729,英英国铁匠国铁匠)在萨维里和巴本的基础上，研制了一个带有活塞的在萨维里和巴本的基础上，研制了一个带有活塞的封闭的圆筒汽缸，活塞通过一杠杆和一排水泵相连。是一封闭的圆筒汽缸，活塞通过一杠杆和一排水泵相连。是一个广义的把热转变为机械力的原动机，是蒸汽机最早的雏
3、个广义的把热转变为机械力的原动机，是蒸汽机最早的雏形。并真正有效地应用于矿井排水。但活塞的每次下降都形。并真正有效地应用于矿井排水。但活塞的每次下降都必须将整个汽缸和活塞同时冷却，热量的损失太大。必须将整个汽缸和活塞同时冷却，热量的损失太大。16981698年，托马斯年，托马斯萨维里萨维里（Thomas Savery,1650-1715,Thomas Savery,1650-1715,英国英国军事工程师军事工程师)制成一具蒸汽水泵；制成一具蒸汽水泵；萨维里的蒸汽机萨维里的蒸汽机托马斯托马斯纽可门的蒸汽机纽可门的蒸汽机 17691769年，詹姆斯年，詹姆斯瓦特瓦特（James Watt,1736
4、-1819,James Watt,1736-1819,法国，法国，格拉斯哥大学仪器维修工）改进了纽可门机，把冷凝过程从格拉斯哥大学仪器维修工）改进了纽可门机，把冷凝过程从汽缸内分离出来，即在汽缸外单独加一个冷凝器而使汽缸始汽缸内分离出来，即在汽缸外单独加一个冷凝器而使汽缸始终保持在高温状态。终保持在高温状态。1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究 17851785年，热机被应用于纺织；年，热机被应用于纺织；18071807年，热机被美国人富尔顿应用于轮船；年，热机被美国人富尔顿应用于轮船；18251825年被用于火车和铁路。年被用于火车和铁路。17821782年，又制造出了使高压蒸汽轮流的从
5、两端进入汽年，又制造出了使高压蒸汽轮流的从两端进入汽缸，缸，推动活塞往返运动的蒸汽机，推动活塞往返运动的蒸汽机，使机器运作由断续变连续，使机器运作由断续变连续，从而蒸汽机的使用价值大大提高，导致了欧洲的第一次工业从而蒸汽机的使用价值大大提高，导致了欧洲的第一次工业革命。革命。瓦瓦特特发发明明的的蒸蒸汽汽机机瓦瓦特特像像二二 计温学的发展计温学的发展（一）温度计的设计与制造（一）温度计的设计与制造16031603年，伽利略制成最早的验温计：年，伽利略制成最早的验温计：一只颈部极细的玻璃长颈一只颈部极细的玻璃长颈瓶，倒置于盛水容器中，瓶中装有一半带颜色的水。随温度瓶，倒置于盛水容器中，瓶中装有一半
6、带颜色的水。随温度变化，瓶中空气膨胀或收缩。变化，瓶中空气膨胀或收缩。1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究16591659年法国天文学家伊斯梅尔年法国天文学家伊斯梅尔 博里奥博里奥(IsmaelIsmael BuolliauBuolliau)制造了制造了第一支用水银作为测温物质的温度计。第一支用水银作为测温物质的温度计。16501650年，意大利费迪男二世年，意大利费迪男二世(G.D.FerdinandG.D.Ferdinand)用蜡封住管口，用蜡封住管口，在瓶内装上红色的酒精，并在玻璃瓶细长颈上刻上刻度，制成在瓶内装上红色的酒精，并在玻璃瓶细长颈上刻上刻度，制成现代形式的第一支温度计。现
7、代形式的第一支温度计。16311631年，法国化学家詹年，法国化学家詹 雷伊雷伊(Jean Rey,1582-1630)(Jean Rey,1582-1630)把伽利略把伽利略的细长颈瓶倒了过来，直接用水的体积的变化来表示冷热程度，的细长颈瓶倒了过来，直接用水的体积的变化来表示冷热程度，但管口未密封，水不断蒸发，误差也较大。但管口未密封，水不断蒸发，误差也较大。伽伽利利落落验验温温计计（二）测温物质的选择和标准点的确定（二）测温物质的选择和标准点的确定1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究1703年，牛顿年，牛顿把雪的熔点定为自己制作的亚麻子油温度把雪的熔点定为自己制作的亚麻子油温度计的零度
8、，把人体温度作为计的零度，把人体温度作为12度等等。度等等。1665年，惠更斯年，惠更斯建议把水的凝固温度和沸腾温度作为两建议把水的凝固温度和沸腾温度作为两个固定点；个固定点；佛罗伦萨的院士们佛罗伦萨的院士们选择了雪或冰的温度为一个定点，牛选择了雪或冰的温度为一个定点，牛或鹿的体温为另一个定点；或鹿的体温为另一个定点；德国的格里凯德国的格里凯（Guericke)曾提出以马德堡地区的初冬和曾提出以马德堡地区的初冬和盛夏的温度为定点温度；盛夏的温度为定点温度；1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究 摄尔修斯摄尔修斯(Anders Celsius,1701-1744,(Anders Celsius
9、,1701-1744,瑞典天文学家瑞典天文学家)，用水银作为测温物质，以水的沸点为用水银作为测温物质，以水的沸点为00C00C冰的熔点为冰的熔点为1000C1000C，中，中间间100100个等分。个等分。8 8年后接受了同事施特默尔（年后接受了同事施特默尔（M.StromerM.Stromer）的建）的建议，把两个定点值对调过来。称为议，把两个定点值对调过来。称为摄氏温标摄氏温标。至。至17791779年全世界年全世界共有温标共有温标1919种。种。列奥米尔列奥米尔(Reaumur,1683-1757,(Reaumur,1683-1757,法国法国)以酒精和以酒精和1/51/5的水的的水的混
10、合物作为测温物质，混合物作为测温物质，17301730年制作的酒精温度计，取水的冰年制作的酒精温度计，取水的冰点为点为00R00R，使酒精体积增加，使酒精体积增加1/10001/1000的温度变化作为的温度变化作为10R10R，这样，这样水的沸点即为水的沸点即为800R800R，称为，称为列氏温标列氏温标。华伦海特华伦海特(Gabriel(Gabriel DanileDanile Fahrenheit Fahrenheit，1686-17361686-1736，德国玻璃工人，迁居荷兰德国玻璃工人，迁居荷兰)制造了第一支实用温度计：制造了第一支实用温度计：他把他把冰、水、氨水和盐的混合物平衡温度
11、定为冰、水、氨水和盐的混合物平衡温度定为00F00F，冰的熔点定，冰的熔点定为为320F320F，人体的温度为，人体的温度为960F960F，17241724年，他又把水的沸点定为年，他又把水的沸点定为2120F2120F。后来称其为。后来称其为华氏温标华氏温标。高温测量：高温测量：荷兰的荷兰的马森布罗克马森布罗克(MusschenbrockMusschenbrock)在在17471747年利用金年利用金属杆的热胀冷缩性质制造了金属温度计；属杆的热胀冷缩性质制造了金属温度计；本世纪八十年代，本世纪八十年代，韦奇武德韦奇武德(J.WedgwoodJ.Wedgwood)用耐火土块用耐火土块的线度变
12、化制成了量度炉温的高温计。的线度变化制成了量度炉温的高温计。测温物质的寻找，促进了对物体热膨胀的研究。测温物质的寻找，促进了对物体热膨胀的研究。计温学的发展和完善，也进一步促进了实验热学研究计温学的发展和完善，也进一步促进了实验热学研究的进展。的进展。各种温度计各种温度计据此，据此，18541854年，开尔文年，开尔文(威威廉廉.汤姆逊汤姆逊)提出开氏温标，提出开氏温标，T=272.3+tT=272.3+t。又称热力学温标，。又称热力学温标，它与测温物质的性质无关，即任它与测温物质的性质无关，即任何测温物质按这种温标定出的温何测温物质按这种温标定出的温度数值都是一样的。度数值都是一样的。195
13、41954年国际计量大会决定年国际计量大会决定将水的三相点的热力学温度定为将水的三相点的热力学温度定为273.16K273.16K。开开 尔尔 文文像像1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究热力学温标：热力学温标：19世纪世纪50年代，开尔文注意到：既然卡诺热机与工作物质年代，开尔文注意到：既然卡诺热机与工作物质无关，那么我们就可以确定一种温标，使它不依赖于任何物质，无关，那么我们就可以确定一种温标，使它不依赖于任何物质，这种温标比根据气体定律建立的温标更具有优越性。这种温标比根据气体定律建立的温标更具有优越性。三三 量热学的建立量热学的建立1.1.不同物质放热能力不同的发现：不同物质放热能
14、力不同的发现：1717世纪，意大利的科学家在世纪，意大利的科学家在实验中发现，在同一温度下具有相同重量的不同液体分别与实验中发现，在同一温度下具有相同重量的不同液体分别与冰混合时，冰被融化的数量是不同的，这表明不同物质的放冰混合时，冰被融化的数量是不同的，这表明不同物质的放热能力是不同的。有人认为这种能力可能与物质密度有关，热能力是不同的。有人认为这种能力可能与物质密度有关，密度越大，吸热和放热的能力越大。华伦海特通过实验发现：密度越大，吸热和放热的能力越大。华伦海特通过实验发现：水银的的吸热能力仅仅是水的水银的的吸热能力仅仅是水的2/32/3，但密度却是水的十几倍，但密度却是水的十几倍，因而
15、否定了和密度有关的说法。因而否定了和密度有关的说法。1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究2.2.“潜热潜热”的发现：的发现：17571757年英国化学家年英国化学家布莱克布莱克(Joseph Black,(Joseph Black,1728-1799)1728-1799)用用32320 0F F冰与冰与1721720 0F F同等重量的的水混合，得到平衡温同等重量的的水混合，得到平衡温度仍为度仍为32320 0F F，而不是，而不是1021020 0F F。这说明。这说明“在冰溶解中，需要一些在冰溶解中，需要一些为温度计所不能觉察的热量。为温度计所不能觉察的热量。”他把这种不表现为温度升高
16、的他把这种不表现为温度升高的热叫做热叫做“潜热潜热”。同时还慎重提出热和温度是两个不同的概念。同时还慎重提出热和温度是两个不同的概念.3.“3.“热容量热容量”及及“比热比热”概念的提出：概念的提出：大约在大约在17601760年，布年，布莱克作了如下实验把温度为莱克作了如下实验把温度为1501500 0C C的金和同重量的的金和同重量的50500 0C C的的水相混合，它们达到平衡时的温度为水相混合，它们达到平衡时的温度为55550 0C C，同重量而不，同重量而不同温度的两种物质混合在一起时，它们温度的变化是不同温度的两种物质混合在一起时，它们温度的变化是不相同。他把物质在改变相同温度时的
17、热量变化叫做这些相同。他把物质在改变相同温度时的热量变化叫做这些物质对热的物质对热的“亲和性亲和性”或或“接受热的能力接受热的能力”。后来他的。后来他的学生伊尔文（学生伊尔文（Irvine)Irvine)正式引进正式引进“热容量热容量”的概念。的概念。17801780年，麦哲伦（年，麦哲伦（MegellenMegellen)首先使用了首先使用了“比热比热”名词。名词。1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究4.4.热的单位热的单位“卡卡”的建立：的建立：法国的拉瓦锡（法国的拉瓦锡（LavoisierLavoisier)和拉和拉普拉斯（普拉斯（LaplaceLaplace)发展了布莱克的工作，把
18、一磅水升高或降发展了布莱克的工作，把一磅水升高或降低低1 10 0C C时所吸收或放出的热作为热的单位，称作时所吸收或放出的热作为热的单位，称作“卡卡”。17771777年制作了年制作了“冰量热器冰量热器”。四四 热本质的认识热本质的认识1.1.认为热是运动的表现认为热是运动的表现 佛兰西斯佛兰西斯培根培根从摩擦生热得出热是一种膨胀的、被约束的从摩擦生热得出热是一种膨胀的、被约束的在其斗争中作用于物体的微小粒子的运动。在其斗争中作用于物体的微小粒子的运动。波义耳波义耳认为钉子敲打之后变热，是运动受阻而变热的证明。认为钉子敲打之后变热，是运动受阻而变热的证明。笛卡尔笛卡尔认为热是物质粒子的一种旋
19、转运动；认为热是物质粒子的一种旋转运动；胡克胡克用显微镜观察火花，认为热是物体各个部分非常活跃和用显微镜观察火花，认为热是物体各个部分非常活跃和极其猛烈的运动；极其猛烈的运动；罗蒙诺索夫罗蒙诺索夫提出热的根源在于运动等。提出热的根源在于运动等。1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究2.2.热质说，即认为热是一种看不见无重量的物质。热质说，即认为热是一种看不见无重量的物质。热质的多少热质的多少和在物体之间的流动就会改变物体热的程度。代表人物：伊壁和在物体之间的流动就会改变物体热的程度。代表人物：伊壁鸠鲁、卡诺等。热质说对热现象的解释鸠鲁、卡诺等。热质说对热现象的解释 ：物质温度的变化是：物质温
20、度的变化是吸收或放出热质引起的；热传导是热质的流动；摩擦生热是潜吸收或放出热质引起的；热传导是热质的流动；摩擦生热是潜热被挤出来的，特别是瓦特在热质说的指导下改进蒸汽机的成热被挤出来的，特别是瓦特在热质说的指导下改进蒸汽机的成功，都使人们相信热质说是正确的。功，都使人们相信热质说是正确的。3.“3.“热质说热质说”的否定的否定伦伦福福德德像像1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究 伦福德和戴维的实验给热质说以伦福德和戴维的实验给热质说以致命打击，为热的唯动说提出了重要致命打击，为热的唯动说提出了重要的实验证据。的实验证据。17991799年，戴维年，戴维（Humphrey DavyHumph
21、rey Davy，1778-18291778-1829，英国化学家）作了在真空容器，英国化学家）作了在真空容器中两块冰摩擦而融化的实验。按热质说观中两块冰摩擦而融化的实验。按热质说观点，热量来自摩擦挤出的潜热而使系统的点，热量来自摩擦挤出的潜热而使系统的比热变小，但实际上水的比热比冰的还要比热变小，但实际上水的比热比冰的还要大。大。17981798年伦福德年伦福德(Count Rumford,(Count Rumford,英国英国)由钻头加工炮筒时产生热的现象，得出由钻头加工炮筒时产生热的现象，得出热是物质的一种运动形式，热是物质的一种运动形式，一一.定律诞生的背景定律诞生的背景二二.确立能量
22、转化与守恒定律的确立能量转化与守恒定律的 三位科学家三位科学家2.热力学第一定律的建立热力学第一定律的建立热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 热和电：热和电：德国物理学家塞贝克（德国物理学家塞贝克（Thomas Johann Thomas Johann SeebeckSeebeck)于于18211821年实现了热向电的转化年实现了热向电的转化-温差电：他将铜导线温差电：他将铜导线和铋导线连成一闭合回路，用手握住一个结点使两结点间产生和铋导线连成一闭合回路，用手握住一个结点使两结点间产生温差，发现导线上出现电流，冷
23、却一个结点亦可出现电流。电温差，发现导线上出现电流，冷却一个结点亦可出现电流。电转化为热：转化为热：18341834年，法国的帕尔帖（年，法国的帕尔帖（PeltierPeltier)发现了它的逆效发现了它的逆效应，即当有电流通过时，结点处发生温度变化。应，即当有电流通过时，结点处发生温度变化。18401840年和年和18421842年，焦耳和楞次分别发现了电流转化为热的著名定律。年，焦耳和楞次分别发现了电流转化为热的著名定律。热能和机械能：热能和机械能：伦福德和戴维的实验证明机械能向热能伦福德和戴维的实验证明机械能向热能的转化的转化;蒸汽机的发明和改进蒸汽机的发明和改进热能向机械能的转化热能向
24、机械能的转化;一一 定律产生的背景定律产生的背景 1818世纪末到世纪末到1919世纪前半叶，自然科学上的一系列重大发世纪前半叶，自然科学上的一系列重大发现，广泛的揭示出各种自然现象之间的普遍联系和转化。许现，广泛的揭示出各种自然现象之间的普遍联系和转化。许多科学家对这一定律的建立作出了一定贡献。多科学家对这一定律的建立作出了一定贡献。热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 此外此外18011801年关于紫外线的化学作用的发现，年关于紫外线的化学作用的发现，18391839年用光年用光照金属极板改变电池的电动势的发现；照金属极板改变电池的电动势的发现；18451845年光的
25、偏振面的年光的偏振面的磁致偏转现象的发现等等，都从不同侧面揭示了各种自然现磁致偏转现象的发现等等，都从不同侧面揭示了各种自然现象之间的联系和转化。象之间的联系和转化。化学反应和热：化学反应和热：18401840年彼得堡科学院的年彼得堡科学院的黑斯黑斯（G.H.HessG.H.Hess)提出关于化学反应中释放热量的重要定律：在一组物质转变为提出关于化学反应中释放热量的重要定律：在一组物质转变为另一组物质的过程中，不管反应是通过那些步骤完成的，释放另一组物质的过程中，不管反应是通过那些步骤完成的，释放的总热量是恒定的。的总热量是恒定的。电和化学：电和化学：18001800年伏打制成年伏打制成“伏打
26、电堆伏打电堆”以及利用伏打以及利用伏打电流进行电解，从而完成了化学运动和电运动的相互转化运电流进行电解，从而完成了化学运动和电运动的相互转化运动。动。电和磁：电和磁：18201820年奥斯特关于电流的磁效应的发现和年奥斯特关于电流的磁效应的发现和18311831年年法拉第关于电磁感应现象的发现完成了电和磁间的相互转化法拉第关于电磁感应现象的发现完成了电和磁间的相互转化卡卡诺诺像像热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立能量转化与守恒思想的萌发能量转化与守恒思想的萌发俄国的俄国的黑斯黑斯18301830年，法国萨迪年，法国萨迪卡诺卡诺：“准确地说，它既不会创生也不会准确地说，它
27、既不会创生也不会消灭，实际上，它只改变了它的消灭，实际上，它只改变了它的形式。形式。”但卡诺患了猩红热，脑膜炎，但卡诺患了猩红热，脑膜炎，不幸又患了流行性霍乱，于不幸又患了流行性霍乱，于18321832年去世，享年年去世，享年3636岁。卡诺的这一岁。卡诺的这一思想，在思想，在18781878年才由其弟弟整理年才由其弟弟整理发表，但热力学第一定律已建立发表，但热力学第一定律已建立2727年。年。总之总之，到了，到了1919世纪世纪4040年代前后，欧洲科学年代前后，欧洲科学界已经普遍蕴含着一种思想气氛，以一种联系的界已经普遍蕴含着一种思想气氛，以一种联系的观点去观察自然现象。正是在这种情况下，
28、以西观点去观察自然现象。正是在这种情况下，以西欧为中心，从事七八种专业的十多位科学家，分欧为中心，从事七八种专业的十多位科学家，分别通过不同途径，各自独立的发现了能量守恒原别通过不同途径，各自独立的发现了能量守恒原理。理。贡献最为突出的有三位科学家，他们是：德贡献最为突出的有三位科学家，他们是：德国的医生国的医生迈尔迈尔，英国的实验物理学家，英国的实验物理学家焦耳焦耳,德国德国的生物学家、物理学家的生物学家、物理学家亥姆霍兹亥姆霍兹。热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立1.德国的德国的迈尔迈尔 罗伯特罗伯特迈尔（迈尔（Robert Robert Mayer,1814-18
29、78)Mayer,1814-1878)迈尔，迈尔，18141814出生出生于德国海尔布隆一个药剂师家庭，于德国海尔布隆一个药剂师家庭，18321832年进入蒂宾根大学医学系学习，年进入蒂宾根大学医学系学习，18371837年因参加一个秘密学生团体而年因参加一个秘密学生团体而被捕并被学校开除，被捕并被学校开除，18381838年完成医年完成医学博士学位论文答辩，获医师执照学博士学位论文答辩，获医师执照而开始行医。而开始行医。18401840年年-1841-1841年担任开年担任开往东印度的荷兰轮船的随船医生。往东印度的荷兰轮船的随船医生。热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立
30、迈迈尔尔像像二二.确立能量转化与守恒定律的三位科学家确立能量转化与守恒定律的三位科学家在在一一次次驶驶往往印印度度尼尼西西亚亚的的航航行行中中，给给生生病病的的船船员员做做手手术术时时，发发现现血血的的颜颜色色比比温温带带地地区区的的新新鲜鲜红红亮亮。经经过过思思考考，他他认认为为，在在热热带带高高温温情情况况下下，机机体体消消耗耗食食物物和和氧氧的的量量减减少少，所所以静脉血中流下了较多的氧。以静脉血中流下了较多的氧。18411841年年航航行行结结束束后后，撰撰写写了了论论力力的的质质和和量量的的测测定定，并并18411841年年7 7月月寄寄给给当当时时的的德德国国物物理理学学杂杂志志主
31、主编编波波根根道道夫夫(J.C.PoggendorffJ.C.Poggendorff)，但但被被认认为为迈迈尔尔的的文文章章引引入入了了思思辩辩性性内内容容且缺少精确的实验根据而未发表。且缺少精确的实验根据而未发表。热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立18421842年年撰撰文文论论无无机机界界的的力力，被被一一向向注注意意各各种种力力之之间间关关系系的李比希发表于他主编的的李比希发表于他主编的化学和药学年刊化学和药学年刊上。上。在在这这篇篇文文章章中中，迈迈尔尔从从“无无中中生生有有，有有中中生生无无”和和“原原因因等等于于结结果果”等等哲哲学学观观点点出出发发，表表达
32、达了了物物理理、化化学学过过程程中中的的力力（能能量量）的的守守恒恒思思想想。考考察察了了用用“下下落落力力”转转化化为为运运动动来来论论证力的转化和守恒。证力的转化和守恒。在在这这篇篇文文章章的的末末尾尾，提提出出了了建建立立不不同同的的力力之之间间数数值值上上的的当当量量关关系系的的必必要要性性。“例例如如我我们们应应确确定定，为为把把与与该该物物体体重重量量相相等等的水从的水从00加热到加热到11，应该把这个重物生起多高，应该把这个重物生起多高”。18451845年写了年写了与有机运动相联系的新陈代谢与有机运动相联系的新陈代谢。但这篇文章。但这篇文章也被拒绝发表，迈尔只好以小册子的形式自
33、费发行。文中写也被拒绝发表，迈尔只好以小册子的形式自费发行。文中写道：道：“力的转化与守恒定律是支配宇宙的普遍规律。力的转化与守恒定律是支配宇宙的普遍规律。”并并具体考察了具体考察了5 5种不同形式的力：种不同形式的力：第一种，运动的力：第一种，运动的力：实际为动能，他以弹性碰撞为例，指出实际为动能，他以弹性碰撞为例，指出在弹性碰撞过程中在弹性碰撞过程中“活力守恒活力守恒”。第二种力：下落力，第二种力：下落力，即重力势能。迈尔指出，即重力势能。迈尔指出，“下落力的大下落力的大小以重量和这个高度的乘积来量度小以重量和这个高度的乘积来量度”。第三种力：热。第三种力：热。“热力是能够转化为运动的力热
34、力是能够转化为运动的力”。蒸汽机车。蒸汽机车就是例证。并具体计算了热功当量：气体在定压膨胀时，温就是例证。并具体计算了热功当量：气体在定压膨胀时，温度每改变度每改变11，体积体积约增大，体积体积约增大1/2741/274，所以，所以在这个过程中气在这个过程中气体对外做的功体对外做的功相当于反抗相当于反抗1.0331.033千克的力移动千克的力移动1/2741/274厘米时的厘米时的功。即功。即A=1.033A=1.0331/27400kgm=3.781/27400kgm=3.781010-5-5kgmkgm。第四种力：磁和电；第五种力：化学力。第四种力：磁和电；第五种力：化学力。并列举了这些并
35、列举了这些“力力”之间相互转化的之间相互转化的2525种形式。种形式。19481948年出版了年出版了天体动力学天体动力学。就在这一年，由于许多人的工作，能量守恒原理已得就在这一年，由于许多人的工作，能量守恒原理已得到普遍承认，但却发生了到普遍承认，但却发生了“能量守恒定律能量守恒定律”发现优先权的发现优先权的争论。焦耳等英国学者否定其工作，认为他只是预见了在争论。焦耳等英国学者否定其工作，认为他只是预见了在热和功之间存在一定的数值关系，但没有完成热功当量的热和功之间存在一定的数值关系，但没有完成热功当量的计算。迈尔则发表文章进行反驳，并指出自己在计算。迈尔则发表文章进行反驳，并指出自己在18
36、421842年就年就已经公布了热和活力的等价性及其数值关系。但英国杂志已经公布了热和活力的等价性及其数值关系。但英国杂志上只出现批评迈尔的文章，而不刊登迈尔的答辩文章。一上只出现批评迈尔的文章，而不刊登迈尔的答辩文章。一部分德国物理学家讥笑他不懂物理，而在此期间他的两个部分德国物理学家讥笑他不懂物理，而在此期间他的两个孩子夭折，孩子夭折，18481848年德国革命时由于他观点保守而被起义者年德国革命时由于他观点保守而被起义者逮捕，致使其于逮捕，致使其于18491849年年5 5月跳楼自杀未遂，造成终身残疾，月跳楼自杀未遂，造成终身残疾，18511851年患脑炎被人当作疯子送进疯人院。直到年患脑
37、炎被人当作疯子送进疯人院。直到18621862年才恢年才恢复科学活动。复科学活动。热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 迈尔是将热学观点用于有机世界研究的第一人。迈尔是将热学观点用于有机世界研究的第一人。恩格斯对迈尔的工作给予很高的评价。恩格斯对迈尔的工作给予很高的评价。2.海尔曼海尔曼 亥姆霍兹亥姆霍兹(Hermann Helmholtz,1821-1894)18211821年年8 8月月3131日生于德国波茨坦，日生于德国波茨坦，18381838年考入柏林雷德年考入柏林雷德里克里克威廉皇家医学院，以优异成绩于威廉皇家医学院，以优异成绩于18421842年毕业，担任了年
38、毕业，担任了军医，并开始进行物理学研究。军医，并开始进行物理学研究。18471847年，在不了解迈尔等年，在不了解迈尔等人工作的情况下，提出了能量守恒和转化定律。人工作的情况下，提出了能量守恒和转化定律。18551855年最年最早测量了神经脉动速率，把物理方法应用于神经系统的研早测量了神经脉动速率，把物理方法应用于神经系统的研究，由此被称为究，由此被称为生物物理学的鼻祖生物物理学的鼻祖。先后担任波恩大学、。先后担任波恩大学、柯尼斯堡大学、海德尔贝格大学等校的生理学教授，柯尼斯堡大学、海德尔贝格大学等校的生理学教授，18711871年起，在柏林大学任物理学教授，年起，在柏林大学任物理学教授，18
39、881888年任夏洛腾堡物理年任夏洛腾堡物理技术研究所所长。著有技术研究所所长。著有生物光学手册生物光学手册、音乐理论的音乐理论的生理基础生理基础、论力的守恒论力的守恒等书。培养了一大批优秀人等书。培养了一大批优秀人才。赫兹、普朗克等人都是他的学生。才。赫兹、普朗克等人都是他的学生。热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 亥姆霍兹认为，大自然是统一的，亥姆霍兹认为，大自然是统一的，自然力是守恒的。自然力是守恒的。18471847年，发表著名论年，发表著名论文文力的守恒力的守恒，阐述了有心力作用下，阐述了有心力作用下机械能守恒原理：机械能守恒原理：“当自由质点在吸力当自由质点
40、在吸力和斥力作用下而运动的一切场合，所具和斥力作用下而运动的一切场合，所具有的活力和张力总是守恒的。有的活力和张力总是守恒的。”这里活这里活力是动能，张力是势能。但同样由于论力是动能，张力是势能。但同样由于论文中含有思辩性内容而未能发表，因此文中含有思辩性内容而未能发表，因此亥姆霍兹也以小册子的形式在柏林单独亥姆霍兹也以小册子的形式在柏林单独出版了这篇论文。出版了这篇论文。但亥姆霍兹并没有参与优先权的但亥姆霍兹并没有参与优先权的问题，后来他了解了迈尔的论文后说问题，后来他了解了迈尔的论文后说“我们必须承认，迈尔不依赖于别人而独我们必须承认，迈尔不依赖于别人而独立发现了这个思想。立发现了这个思想
41、。”热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立亥亥姆姆霍霍兹兹像像3.焦耳焦耳(James Prescott Joule,1818-1889)的实验研究的实验研究 焦耳焦耳(1818-1889)(1818-1889)是英国著名的实验物理学家，家境富裕。是英国著名的实验物理学家，家境富裕。1616岁在名家道尔顿处学习，使他对科学浓厚兴趣。岁在名家道尔顿处学习，使他对科学浓厚兴趣。当时电机刚出现，焦耳注意到电机和电路中的发热现象，当时电机刚出现，焦耳注意到电机和电路中的发热现象，通过实验，焦耳于通过实验，焦耳于18401840年发现年发现:“:“产生的热量与导体电阻和电产生的热量与
42、导体电阻和电流平方成正比流平方成正比”并发表于并发表于论伏打电所产生的热论伏打电所产生的热论文中，这论文中，这就是著名的焦耳就是著名的焦耳楞次定律。楞次定律。18431843年进行了感应电流产生的热效应和电解时热效应的实年进行了感应电流产生的热效应和电解时热效应的实验，写了两篇关键性论文验，写了两篇关键性论文论磁电的热效应和热的机械值论磁电的热效应和热的机械值和和论水电解时产生的热论水电解时产生的热，明确指出：，明确指出：“自然界的能是不能自然界的能是不能消灭的，哪里消耗了机械能，总能得到相应的热，热只是能的消灭的，哪里消耗了机械能，总能得到相应的热，热只是能的一种形式。一种形式。”焦焦耳耳使
43、使一一个个线线圈圈在在电电磁磁体体的的两两极极之之间间转转动动产产生生感感应应电电流流，线线圈圈放放在在量量热热器器内内，证证实实了了热热可可以以由由磁磁电电机机产产生生。从从这这个个实实验验焦焦耳耳立立即即领领悟悟到到热热和和机机械械功功可可以以互互相相转转化化，在在转转化化过过程程中中遵遵从从一定的当量关系。一定的当量关系。热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立为为了了测测定定机机械械功功和和热热之之间间的的转转换换关关系系，焦焦耳耳设设计计了了“热热功功当当量量实实验验仪仪”，焦焦耳耳在在磁磁电电机机线线圈圈的的转转轴轴上上绕绕两两条条线线，跨跨过过两两个个定定滑滑轮
44、轮后后挂挂上上几几磅磅重重的的砝砝码码，由由砝砝码码的的重重量量和和下下落落的的距距离离计计算算出出所所做做的的功功。测测得得热热功功当当量量为为428.9428.9千千克克力力米米/千千卡卡。18441844年年又又做做了了把把水水压压入入毛毛细细管管的的实实验验和和压压缩缩空空气气实实验验，测测出出了了热热功功当当量量分分别别为为424.9424.9千千克克力力米米/千千卡卡和和443.8443.8千千克克力力米米/千卡。千卡。18491849年发表年发表论热功当量论热功当量。热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立焦焦耳耳测测定定热热功功当当量量的的工工作作一一直直进进
45、行行到到18781878年年，先先后后采采用用不不同同的的方方法法做做了了400400多多次次实实验验。以以精精确确的的数数据据为为能能量量守守恒恒原原理理提提供供了了无无可可置置疑疑的的实实验验证证明明。18501850年年焦焦耳耳当当选选为为英英国国皇皇家家学学会会会员。会员。18781878年年发发表表热热功功当当量量的的新新测测定定，最最后后得得到到的的数数值值为为423.85423.85千克千克米米/千卡。千卡。焦尔测量热功当量的一种实验装置焦尔测量热功当量的一种实验装置 -浆叶实浆叶实验验焦焦耳耳像像 由于当时热质说占主导地位，焦耳的研究和当时法国工由于当时热质说占主导地位，焦耳的
46、研究和当时法国工程师们所建立的热机理论相矛盾，因此焦耳的研究也并不顺程师们所建立的热机理论相矛盾，因此焦耳的研究也并不顺利。利。18431843年焦耳证实了热是一种能量交换的形式，遭到了一年焦耳证实了热是一种能量交换的形式，遭到了一些大物理学家的怀疑和不信任，些大物理学家的怀疑和不信任，18441844年，他要求在皇家学会年，他要求在皇家学会宣读自己的论文，遭到拒绝。宣读自己的论文，遭到拒绝。18471847年在牛津举行的英国科学年在牛津举行的英国科学促进会上，会议主席以会议内容太多为由，要求他只将其实促进会上，会议主席以会议内容太多为由，要求他只将其实验做简单介绍。结果当时著名的物理学家验做
47、简单介绍。结果当时著名的物理学家W.W.汤姆逊汤姆逊对焦耳的对焦耳的实验和观点提出质疑，从而引起人们对焦耳工作的注意。此实验和观点提出质疑，从而引起人们对焦耳工作的注意。此后，焦耳继续努力，后，焦耳继续努力，18501850年当选为英国皇家学会会员，这也年当选为英国皇家学会会员，这也标志着英国科学界观点的明显转变。标志着英国科学界观点的明显转变。但是关于这一原理的表述并不完善，恩格斯指出，运动但是关于这一原理的表述并不完善，恩格斯指出，运动的不灭性不能仅仅从数量上去把握，还应从质的转化上去理的不灭性不能仅仅从数量上去把握，还应从质的转化上去理解。于是恩格斯将这一原理称之为解。于是恩格斯将这一原
48、理称之为“能量转化和守恒定律能量转化和守恒定律”。永动机的研究永动机的研究 永动机的研究是导致能量守恒原理建立的另一个重要线永动机的研究是导致能量守恒原理建立的另一个重要线索。索。早期最著名的一个永动机设计方案，是十三世纪的法国早期最著名的一个永动机设计方案，是十三世纪的法国人人亨内考亨内考(Villard de Honnecourt)设计的。如下图设计的。如下图(左左)所示。所示。后来后来列奥多列奥多也设计了一台类似的装置，如下图也设计了一台类似的装置，如下图(右右)。永动机永动机4 热力学第一定律的表述热力学第一定律的表述热力学第一定律即能量守恒和转化定律，其热力学第一定律即能量守恒和转化
49、定律，其第第一一种种表表述述为为：自自然然界界一一切切物物质质都都具具有有能能量量，能能量量有有各各种种不不同同的的形形式式，能能够够从从一一种种形形式式转转化化为为另另一一种种形形式式，从从一一个个物物体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数量不变。体传递给另一个物体，在转化和传递中能量的数量不变。热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 能量守恒和转化定律是自然界基本规律，恩格斯曾将能量守恒和转化定律是自然界基本规律，恩格斯曾将它它和进化论、细胞学说并列为和进化论、细胞学说并列为1919世纪的三大发现世纪的三大发现。第二种表述为第二种表述为：第一种永动机是不可能造成的。
50、：第一种永动机是不可能造成的。数学表达式为：数学表达式为：U U2 2-U-U1 1=Q+A=Q+A U U内能，状态函数内能，状态函数5.5.热力学第一定律建立的成因热力学第一定律建立的成因1 1）理论）理论迈尔迈尔2 2）实验）实验焦耳焦耳3 3）一批科学家的不懈努力）一批科学家的不懈努力4 4）说说明明了了客客观观条条件件成成熟熟，相相应应的的自自然然规规律律一一定定会会发现。发现。热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立热热 力力 学学 第第 二二 定定 律律 的的 建建 立立3 3 热力学第二定律的建立热力学第二定律的建立 热力学第一定律确定了一个封闭系统的能热力学