【文章內容簡介】 死于霍亂。 熱動說 ? 倫福德 (17531814) 糾正了熱是一種無質流體的說法。 ? 倫福德出身于美國，后到歐洲慕尼黑管理一個兵工廠，他發(fā)現當鉆削制造炮筒的青銅坯料時，金屬坯料燙得象火一樣。 ? 當時傳統(tǒng)的解釋是，當金屬被切削成刨花時，熱質就從金屬中逸出。 ? 但是倫福德注意到，只要鏜鉆不停止，金屬就不停地發(fā)熱。 熱質 ? 倫福德在慕尼黑管理一個兵工廠，他發(fā)現當鉆削制造炮筒的青銅坯料時，金屬坯料燙得象火一樣。 ? 當時傳統(tǒng)的解釋是，當金屬被切削成刨花時，熱質就從金屬中逸出。 ? 但是倫福德注意到，只要鏜鉆不停止，金屬就不停地發(fā)熱。 機械運動轉化為熱 ? 倫福德得出結論，是鏜具的機械運動轉化為熱。 1798年倫福德向皇家學會報告了他在慕尼黑的實驗。 ? 他還試圖給出一定量的機械運動所能產生的熱量，這是首次給出了熱功當量的數值。不過他的數值偏高。 ? 1799年倫福德回到英國，當選為皇家學會會員。 1804年到巴黎定居，娶了拉瓦錫的遺孀并就熱質說與已故的拉瓦錫作對。 熱運動說的處境 ? 倫福德的報告引起巨大反響，對熱運動說有人支持也有人反對。熱質說的統(tǒng)治地位一時還難以動搖。 ? 當時以熱質守恒這一基本原理為基礎，熱學正穩(wěn)步地積累著實驗資料，并不斷帶來新的理論。相反，熱運動論缺乏定量的實驗基礎，沒有提出數學化的理論。 ? 必須等到能量守恒定律的確立，才能從更為廣闊的觀點來理解熱和運動的相互轉化。 能量守恒定律提出的背景 (1)由于十八世紀以來物理學前沿的擴大，形形色色的物理現象之間的轉化過程被陸續(xù)發(fā)現，引起人們注意。 (2)十八世紀下半葉在德國產生一種對機械論自然觀的不滿，萌發(fā)一種活力論。這種活力論在十九世紀初發(fā)展成為自然哲學：把整個宇宙看做是由某種根源性的力所引起的歷史發(fā)展的產物。自然界的各種力，電、磁、光、熱、化學親和力等等東西歸根結底是同一種東西。 德國人邁爾（ 18141878）作為隨船醫(yī)生在 1840年去爪哇的航行中，由于考慮動物熱的問題，邁爾對物理學產生興趣，多次著文闡述能量守恒的信念。 1841年他完成《 關于無機界各種力的意見 》一文，被一家物理學雜志退稿后，第二年發(fā)表在了李比希主編的 《 化學和藥學年鑒 》上。但是他的工作幾乎沒有引起人們注意。 英國的焦耳擅長實驗。他對所有他想得到的有熱量產生過程進行熱測量。 1840年他得出：電流產生的熱量與電流強度的平方和電阻的乘積成正比－－焦耳最后測量出做的功和產生的熱的關系為： 41,450,000爾格的功產生 1卡的熱量。 為了紀念焦耳的工作，后來規(guī)定一千萬爾格的功定義為一焦耳?，F在的熱功當量數值為 /卡。 成果無處發(fā)表 ? 當時人們沒有認識到焦耳工作的意義。各種學術刊物和皇家學會都拒絕發(fā)表他的文章。 ? 1847年焦耳獲得在英國科學促進會年會上宣讀他的論文的機會，當時幾乎沒有聽眾， ? 只有一位 23歲的年青人威廉 湯姆森，即后來的開爾文勛爵對他的報告感興趣。湯姆森對焦耳的成果作了十分精辟的評價，終于引起人們的注意。 ? 1849年在法拉第親自主持下，焦耳在皇家學會宣讀了他的論文，他的成果終于獲得完全承認。 ? 焦耳的工作為熱力學第一、第二定律的得出奠定了實驗基礎。 能量守恒定律的發(fā)現 對能量守恒，邁爾展開了大膽思辨，焦耳進行了扎實的實驗，而德國生理學家和物理學家赫姆霍茲（ 18211894）則立足于力學基礎之上，追求各種能量轉換過程的數學表述。最終被確認為能量守恒定律的確立者。 《 論“力”的守恒 》 ? 1847年赫姆霍茲獨立完成 《 論“力”的守恒 》 一文，并于 7月 23日在柏林物理學會的年會上宣讀 ? 1854年赫姆霍茲在 《 自然力的相互作用 》 一文中指出，“自然作為一個整體，是力的儲存庫，它不能以任何方法增加或減少。所以自然界中力的數量正象物質的數量一樣永存和不變。我曾將這個普遍的定律命名為‘力的守恒原理’”。這里明確表達了能量轉化和守恒的思想。 ? 以 18501851年間克勞修斯和湯姆森奠定熱力學基礎的工作為轉機，能量守恒定律才獲得普遍承認。 意義 能量守恒與轉化定律被認為是物理學的“最高定律”（法拉第），“宇宙的普遍的基本定律”（克勞修斯），恩格斯則稱之為 19世紀三大發(fā)現之一。該定律的發(fā)現標志著近代物理學第二次理論大綜合。 、第二定律的建立 ? 熱力學第一定律的建立 ? 熱功當量的發(fā)現揭示了熱和機械功之間存在著內在的定量關系。焦耳的實驗一方面證明了熱和機械功的作用效果是等價的，另一方面也證明了絕熱過程的功與過程進行的方式無關。 ? 在焦耳工作的基礎上，克勞修斯和開爾文各自深入研究了熱功轉化的機制和規(guī)律性問題，分別獲得了熱力學第一定律的各自表述。 第一定律的克勞修斯表述 1850年 4月克勞修斯在 《 物理和化學年鑒 》上發(fā)表了 《 論熱的動力和可由此推導熱學本身的定律 》 提出熱力學第一定律表述： “在一切熱做功的情況中，產生的功與消耗的熱量成比例。反之，通過消耗同樣大小的功，將能產生同樣數量的熱量。” 第一定律的開爾文表述 1851年開爾文發(fā)表 《 以焦耳先生的單位熱當量導出的大量結果和雷諾對蒸氣的觀察論熱的動力學理論 》一文 ， 提出了熱力學第一定律的開爾文說法： “物質系必須以熱的形式或以機械功的形式，給出同它得到的同樣多的能量”。 這里開爾文首次把能量一詞引入到了熱力學中，該表述也被稱為熱力學第一定律的能量表述。 熱力學第二定律的建立 ? 熱力學第一定律是關于孤立熱力學系統(tǒng)從熱源是否吸收熱量和內能與外功之間轉化守恒關系的規(guī)律，它并不涉及不同溫度的兩個熱源之間的熱量傳遞。 ? 然而卡諾熱機理論表明，為了從熱產生動力，需要有高溫物體和低溫物體。熱機的實踐也證明，熱機存在著普遍的熱耗散現象，總有一些熱譬如磨擦熱不能復返做功。 ? 事實上卡諾的理想熱機循環(huán)在實際中是不能實現的。對此，需要有一個新的普遍規(guī)律對這種普遍現象加以說明。 第二定律的克氏表述 在 1854年 《 物理和化學年鑒 》 上發(fā)表的 《 論機械熱理論第二基本定律的一個改變形式 》一文中，克勞修斯給出了通常所說的熱力學第二定律的“克氏表述”：“熱不可能由冷體傳到熱體，如果不因而同時引起其他關系的變化?！? 熵 ? 1865年 4月克勞修斯在 《 關于熱的動力理論的主要方程的各種應用的方便形式 》 中提出了一個與變化途徑無關的狀態(tài)函數 S。 ? 定義 dS=dQ/T， S表示物體的熱轉變含量，并用了一個與能量的德文字（ Energie）相近的從希臘文轉寫過來的詞 Entropie來命名 S。 ? 1923年普朗克到南京東南大學作熱力學第二定律方面的講學，胡復剛為之翻譯，首次把Entropie譯作熵。 “ 克氏表述”的精練形式 ? 在 1865年的論文中，克勞修斯把熱力學第二定律表述為：對于可逆過程而言，熵等于 0；對于不可逆過程而言，熵總是大于 0。 ? 1875年在 《 熱的動力理論 》 中又提出了熱力學第二定律“克氏表述”的更為精煉的形式：“熱不可能自發(fā)地從一冷體傳到一熱體”。 “ 宇宙熱寂說” 1867年在法蘭克福舉行的第 41屆德國自然科學家和醫(yī)生聯(lián)合會議上 ， 克勞修斯他把整個宇宙看做一個孤立的絕熱系統(tǒng) ， 然后把熱力學第一定律和第二定律應用于整個宇宙 ， 得出： (1)宇宙的總能量是一個常數； (2)宇宙的熵趨向某一個極大值 。 這就是后來引起很多爭議的 “ 宇宙熱寂說 ” 的正式提出 。 第二類永動機不存在 ? 在 1856年的 《 論動力的起源和轉變 》 中，開爾文把熱力學第二定律和制造一種自動機聯(lián)系起來，提出：不借助外部動因將熱從一物體傳遞到另一高溫物體來制成一個自動機，是不可能的。 ? 這種自動機也稱為永動機，后來人們把違反熱力學第一定律的永動機稱作第一類永動機，違反熱力學第二定律的永動機稱作第二類永動機。 ? 熱力學第二定律也等價地被表述為：第二類永動機是不存在的。 熱力學第三定律 熱力學第三定律的建立與低溫現象的研究直接相關， 1848年湯姆遜提出絕對零度可能是溫度下限的觀點， 1906年德國人斯特提出任何物體都不可能冷卻到絕對零度。 三． 電磁學的建立 ： 18世紀靜電學研究最重要的成就是美國富蘭克林提出的關于單電流體的一元論，并用著名風箏實驗加以證明； 18世紀末電學從靜電研究向流電研究發(fā)展，意大利伽伐尼發(fā)現動物電流、伏打在電堆實驗和發(fā)現原電池的基礎上提出了接觸理論。 1819年丹麥物理學家奧斯特（ Oersted, Hans， 17771851)在一次課堂實驗中發(fā)現： 讓一個羅盤靠近通電導線，羅盤指針發(fā)生轉動，指向與電流方向成直角的方向。 這次實驗是電與磁之間的聯(lián)系的第一次實驗演示。 1820年奧斯特發(fā)表這個實驗之后，引起了爆炸性的反響。 法拉第的電磁學研究 法拉第（ Michael Faraday 17911867）是一名鐵匠的兒子。 早年做裝訂工學徒（ 1805年），使他有機會接觸許多書，常翻大英百科全書中的電學文章和拉瓦錫的化學教程等。 戴維的助手、實驗天才 ? 1813年 22歲的法拉第成為戴維的助手，任務是刷洗瓶子。 ? 實驗室里的法拉第漸漸表現出他的天分，甚至遠遠超出了值得戴維提攜的程度。 ? 比如法拉第能熟練制備三氯化氮氣體，而戴維則不那么熟練，一次還讓它爆炸了，幾乎因此而失明。 讓磁力產生電流？ 法拉第在 1821年就設計了一個實驗裝置，把電力和磁力間的作用轉化成了連續(xù)的機械運動。 但這個裝置充其量只不過是一個科學玩具。 奧斯特讓電流產生了磁力，法拉第所想的是怎樣倒過來讓磁力產生電流。 讀不到電流 實驗經過了許多曲折和戲劇性的過程。 他用安培 (Amp232。re, Andr233。 17751836)發(fā)明的線圈來產生磁場，希望這個磁場能對第二個線圈產生影響。 第一個線圈固然產生了穩(wěn)定的磁場，