【文章內(nèi)容簡介】 死于霍亂。 熱動說 ? 倫福德 (17531814) 糾正了熱是一種無質(zhì)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(xiàn)當(dāng)鉆削制造炮筒的青銅坯料時，金屬坯料燙得象火一樣。 ? 當(dāng)時傳統(tǒng)的解釋是，當(dāng)金屬被切削成刨花時，熱質(zhì)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(zhì) ? 倫福德在慕尼黑管理一個兵工廠，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)鉆削制造炮筒的青銅坯料時，金屬坯料燙得象火一樣。 ? 當(dāng)時傳統(tǒng)的解釋是，當(dāng)金屬被切削成刨花時，熱質(zhì)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(zhuǎn)化為熱 ? 倫福德得出結(jié)論，是鏜具的機械運動轉(zhuǎn)化為熱。 1798年倫福德向皇家學(xué)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(chǎn)生的熱量，這是首次給出了熱功當(dāng)量的數(shù)值。不過他的數(shù)值偏高。 ? 1799年倫福德回到英國，當(dāng)選為皇家學(xué)會會員。 1804年到巴黎定居，娶了拉瓦錫的遺孀并就熱質(zhì)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(zhì)說的統(tǒng)治地位一時還難以動搖。 ? 當(dāng)時以熱質(zhì)守恒這一基本原理為基礎(chǔ)，熱學(xué)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(chǔ)，沒有提出數(shù)學(xué)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(zhuǎn)化。 能量守恒定律提出的背景 (1)由于十八世紀(jì)以來物理學(xué)前沿的擴大，形形色色的物理現(xiàn)象之間的轉(zhuǎn)化過程被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，引起人們注意。 (2)十八世紀(jì)下半葉在德國產(chǎn)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(jì)初發(fā)展成為自然哲學(xué)：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(chǎn)物。自然界的各種力，電、磁、光、熱、化學(xué)親和力等等東西歸根結(jié)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(xué)產(chǎn)生興趣，多次著文闡述能量守恒的信念。 1841年他完成《 關(guān)于無機界各種力的意見 》一文，被一家物理學(xué)雜志退稿后，第二年發(fā)表在了李比希主編的 《 化學(xué)和藥學(xué)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(chǎn)生過程進行熱測量。 1840年他得出：電流產(chǎn)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(chǎn)生的熱的關(guān)系為： 41,450,000爾格的功產(chǎn)生 1卡的熱量。 為了紀(jì)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(xiàn)在的熱功當(dāng)量數(shù)值為 /卡。 成果無處發(fā)表 ? 當(dāng)時人們沒有認(rèn)識到焦耳工作的意義。各種學(xué)術(shù)刊物和皇家學(xué)會都拒絕發(fā)表他的文章。 ? 1847年焦耳獲得在英國科學(xué)促進會年會上宣讀他的論文的機會，當(dāng)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(xué)會宣讀了他的論文，他的成果終于獲得完全承認(rèn)。 ? 焦耳的工作為熱力學(xué)第一、第二定律的得出奠定了實驗基礎(chǔ)。 能量守恒定律的發(fā)現(xiàn) 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(xué)家和物理學(xué)家赫姆霍茲（ 18211894）則立足于力學(xué)基礎(chǔ)之上，追求各種能量轉(zhuǎn)換過程的數(shù)學(xué)表述。最終被確認(rèn)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(xué)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(shù)量正象物質(zhì)的數(shù)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(dá)了能量轉(zhuǎn)化和守恒的思想。 ? 以 18501851年間克勞修斯和湯姆森奠定熱力學(xué)基礎(chǔ)的工作為轉(zhuǎn)機，能量守恒定律才獲得普遍承認(rèn)。 意義 能量守恒與轉(zhuǎn)化定律被認(rèn)為是物理學(xué)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(jì)三大發(fā)現(xiàn)之一。該定律的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著近代物理學(xué)第二次理論大綜合。 、第二定律的建立 ? 熱力學(xué)第一定律的建立 ? 熱功當(dāng)量的發(fā)現(xiàn)揭示了熱和機械功之間存在著內(nèi)在的定量關(guān)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(guān)。 ? 在焦耳工作的基礎(chǔ)上，克勞修斯和開爾文各自深入研究了熱功轉(zhuǎn)化的機制和規(guī)律性問題，分別獲得了熱力學(xué)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(xué)年鑒 》上發(fā)表了 《 論熱的動力和可由此推導(dǎo)熱學(xué)本身的定律 》 提出熱力學(xué)第一定律表述： “在一切熱做功的情況中，產(chǎn)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(chǎn)生同樣數(shù)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(dāng)量導(dǎo)出的大量結(jié)果和雷諾對蒸氣的觀察論熱的動力學(xué)理論 》一文 ， 提出了熱力學(xué)第一定律的開爾文說法： “物質(zhì)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(xué)中，該表述也被稱為熱力學(xué)第一定律的能量表述。 熱力學(xué)第二定律的建立 ? 熱力學(xué)第一定律是關(guān)于孤立熱力學(xué)系統(tǒng)從熱源是否吸收熱量和內(nèi)能與外功之間轉(zhuǎn)化守恒關(guān)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(chǎn)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(xiàn)象，總有一些熱譬如磨擦熱不能復(fù)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(xiàn)的。對此，需要有一個新的普遍規(guī)律對這種普遍現(xiàn)象加以說明。 第二定律的克氏表述 在 1854年 《 物理和化學(xué)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(xué)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(guān)系的變化?！? 熵 ? 1865年 4月克勞修斯在 《 關(guān)于熱的動力理論的主要方程的各種應(yīng)用的方便形式 》 中提出了一個與變化途徑無關(guān)的狀態(tài)函數(shù) S。 ? 定義 dS=dQ/T， S表示物體的熱轉(zhuǎn)變含量，并用了一個與能量的德文字（ Energie）相近的從希臘文轉(zhuǎn)寫過來的詞 Entropie來命名 S。 ? 1923年普朗克到南京東南大學(xué)作熱力學(xué)第二定律方面的講學(xué)，胡復(fù)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)第一定律和第二定律應(yīng)用于整個宇宙 ， 得出： (1)宇宙的總能量是一個常數(shù)； (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(zhuǎn)變 》 中，開爾文把熱力學(xué)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?qū)釓囊晃矬w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(xué)第一定律的永動機稱作第一類永動機，違反熱力學(xué)第二定律的永動機稱作第二類永動機。 ? 熱力學(xué)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(xué)第三定律 熱力學(xué)第三定律的建立與低溫現(xiàn)象的研究直接相關(guān)， 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(xué)的建立 ： 18世紀(jì)靜電學(xué)研究最重要的成就是美國富蘭克林提出的關(guān)于單電流體的一元論，并用著名風(fēng)箏實驗加以證明； 18世紀(jì)末電學(xué)從靜電研究向流電研究發(fā)展，意大利伽伐尼發(fā)現(xiàn)動物電流、伏打在電堆實驗和發(fā)現(xiàn)原電池的基礎(chǔ)上提出了接觸理論。 1819年丹麥物理學(xué)家奧斯特（ Oersted, Hans， 17771851)在一次課堂實驗中發(fā)現(xiàn)： 讓一個羅盤靠近通電導(dǎo)線，羅盤指針發(fā)生轉(zhuǎn)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(xué)研究 法拉第（ Michael Faraday 17911867）是一名鐵匠的兒子。 早年做裝訂工學(xué)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(xué)文章和拉瓦錫的化學(xué)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(wù)是刷洗瓶子。 ? 實驗室里的法拉第漸漸表現(xiàn)出他的天分，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǎn)生電流？ 法拉第在 1821年就設(shè)計了一個實驗裝置，把電力和磁力間的作用轉(zhuǎn)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(xué)玩具。 奧斯特讓電流產(chǎn)生了磁力，法拉第所想的是怎樣倒過來讓磁力產(chǎn)生電流。 讀不到電流 實驗經(jīng)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(chǎn)生磁場，希望這個磁場能對第二個線圈產(chǎn)生影響。 第一個線圈固然產(chǎn)生了穩(wěn)定的磁場，