第2章热学的发展.docx

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1、第2章热学的发展2.3热力学第一定律的建立2.3.1 认识热的本质热与分子运动联系紧密。我们现在知道，热其实就是大量分子无规则运动的结果。但是在历史上，对于热的本质却有两种对立的观点，一种是把热看成某种特殊物质（热质），叫热质说；另一种是把热看成物体内部分子的运动，叫运动说，后来逐步形成为分子动理论。两种观点进行过长期的争论。为了鉴别这两种观点孰是孰非，人们开展了大量实验研究和理论思考。可以说，热学早期发展史的一条主线就是如何科学地认识热的本质。在18世纪末到19世纪中叶，科学家从三个方面对热质说作出了明确的否决，热学才逐渐形成严密的理论体系。在这个体系中，占有特殊地位的就是大家所熟知的能量转

2、化与守恒定律，这个定律在热学中也叫热力学第一定律。18世纪，热质说之所以兴盛是因为它能成功地解释量热学实验，而分子动理论却只能定性地说明少数热学现象，当时大多数物理学家都相信热质说。然而热质说毕竟似是而非，人们只要联系到更多的现象，认真地加以思考，就会看出其中的漏洞，甚至可以发现这是一个十分荒唐的理论。首先，关于热质是否具有重量的问题，引起了人们的怀疑。伦福德伯爵（CountRumford,原名本杰明汤普森，BenjaminThompson,17531814）对热的本质作过周密的考查。他为了驳斥热质说，在1799年公布了他做过的一个实验，这个实验的目的是测量“热质的重量”，看看一定重量的物质在

3、温度变化前后重量有何变化。他用三个完全一样的瓶子分别装有等量的水、酒精和水银，放在一间恒温（16）的大房间内，搁置24小时后，用当时欧洲最精密的天平（灵敏度达百万分之一）来称重量。为了保证三个瓶子重量严格相等，他在较轻的瓶颈上挂一小段极细的银丝。然后将三个瓶子都移到0的房子里，保持完全静止不受扰动，48小时后再称其重量，结果是重量丝亳也没有变化，这时水己结成了冰。再将瓶子移回温室，即使冰又化成了水，重量仍无变化。伦福德宣称，他证明了热对物体的重量没有任何影响。图2-12伦福德当然，伦福德仅仅靠热与重量无关的实验还不足以否定热质的存在，因为热质说者还可以假设热质不具重量就可以解释这个事实。伦福德

4、接着又叙述了一个实验，无可辩驳地证明热质说的荒谬01797年，伦福德在德国一家兵工厂监制大炮镖孔，他注意到铜炮被钻削时会产生大量的热，切下的铜屑更热，用水冷却，竟可使水立即沸腾。这个现象其实不稀罕，摩擦生热自古尽人皆知。热质说者对这个现象也作了自圆其说的解释，说是因为物体在摩擦时，热质被拉曳，金属屑在从金属块中切削下来时带去了大量热质，因此显得特别热。伦福德爱好思索、喜欢钻研，他从年轻时代起就对热学中的疑难问题十分关心。他亲自做过许多热学实验，早就对热质这一套说法产生了怀疑，为了要从根本上作出判决，他就作了如下几个实验。伦福德先比较金属屑和金属片的比热，从量热实验判定：它们的比热是一样的，于是

5、就驳斥了热质说的金属屑比热大的论点。接着，伦福德做了一个专门设计的大炮钻孔实验，如图2-13o他取一只重约113磅（约51公斤）的圆简铸件，放在钻孔机上，故意拿已经磨钝了的钻头钻孔，经过30分钟，铸件温度从16升到55C0他在炮孔里共收集到切削下来的金属屑约54克，只占圆筒的1/944图2-13伦福德的大炮钻孔实验装置伦福德问道：难道炮筒升温39所需的热质是金属屑提供的吗？如果是这样，那么金属屑要降温3.7万度才能达到上述情况。伦福德又做了一个水箱实验。他把圆筒放在一只水箱中，水重18.77磅（即8.5公斤），让马带动钝钻头在圆筒中旋转，经过2个半小时竟使水沸腾了。周围的观众人人都惊讶起来。这

6、么多的水不用火烧，居然能沸腾，真是个奇迹。伦福德自己也简直无法抑制自己的喜悦心情。伦福德想：这些热量从哪里来的？从金属切削的微粒里来的吗？事实证明不可能。从空气里来的吗？也不可能！因为有的实验是在水箱中做的，和空气隔离。从水里来的吗？更不对！水本身也热了，而且也没有发生任何化学变化。既不是空气，又不是水，只要继续摩擦，热会源源不断地产生，永无止境。那就证明，热的来源不是别的，而是运动。1798年1月25日伦福德在英国皇家学会宣读他的论文，文中写道：“最近我应约去慕尼黑兵工厂领导钻制大炮的工作。我发现，铜炮在钻了很短的一段时间后，就会产生大量的热；而被钻头从大炮上钻下来的铜屑更热（像我用实验所证

7、实的，发现它们比沸水还要热伦福德分析这些热是由于摩擦产生的，他说：“我们一定不能忘记在这些实验中，由摩擦所生的热的来源似乎是无穷无尽的JT伦福德的报告在1798年发表，立即得到英国化学家戴维（HUmPhryDaVy,17781829）的响应,戴维也对热质说持怀疑态度。他在1799年发表了自己的摩擦生热的实验，并且致力于宣传热的运动说。戴维所描述的实验考虑得非常周到。其中有一个是把两块温度为-2C的冰，固定在由时钟改装的机构上，使两块冰不停地互相摩擦。整个装置放在大玻璃罩内再抽成真空。经过几分钟的剧烈摩擦，冰几乎全化成了水，温度达到+20C,戴维根据这一类的实验论证说：热质是不存在的，摩擦和碰撞

8、引起了物体内部微粒的特殊运动或振动，这种运动或振动就是热的本质。伦福德和戴维的实验为热的运动说提供了有力的支持，成了建立能量转化与守恒定律的前奏。19世纪40年代以前，自然科学的发展为能量转化与守恒原理奠定了基础。除了在热学上对热的本质建立了正确的认识之外，还从以下几个方面做了准备。1 .力学方面的准备机械能守恒是能量守恒定律在机械运动中的一个特殊情况。早在力学初步形成时就已有了能量守恒思想的萌芽。例如，伽利略研究斜面问题和摆的运动，斯梯芬研究杠杆原理，惠更斯研究完全弹性碰撞等都涉及能量守恒问题。17世纪法国哲学家笛卡儿已经明确提出了运动不灭的思想。以后德国哲学家莱布尼茨引进活力的概念，首先提

9、出活力守恒原理，他认为用，加2度量的活力在力学过程中是守恒的，宇宙间的“活力”的总和是守恒的。D.伯努利的流体运动方程（伯努利方程）实际上就是流体运动中的机械能守恒定律。至19世纪20年代，力学的理论著作强调“功”的概念，把它定义成力对距离的积分，澄清了功和“活力”概念之间的数学关系，这就提供了一种机械“能”的度量，为能量转换建立了定量基础。1835年哈密顿发表了论动力学的普遍方法一文，提出了哈密顿原理。至此能量守恒定律及其应用已经成为力学中的基本内容（参看1.8节）。2 .化学、生物学方面的准备法国的拉瓦锡和拉普拉斯曾经用冰卡计测量物质在化学反应过程中所放出的热量以及物体燃烧或动物呼吸时所散

10、发的热量。他们把燃烧物或待测动物放在冰卡计的内室中，如图2-14中的豚鼠。然后比较燃烧和动物呼吸所放出的热量与放出的二氧化碳之比，发现这两个比值近似相等。这个结果对能量转化与守恒定律的建立有重要意义，因为它启示了动物热的来源和呼吸的本质，从而为能量转化与守恒提供了不可多得的佐证。德国化学家莫尔（F.Mohr,1806-1879）从许多事例领悟到，不同形式的“力”（即能量）都是机械“力”的表现，他写道：MagieWF.ASourceBkinPhysics.McGraw-Hi11,1935.151“除了54种化学元素外，自然界还有一种动因，叫做力。力在适当的条件下可以表现为运动、化学亲和力、凝聚、

11、电、光、热和磁，从这些运动形式中的每一种可以得出一切其余形式。”图2-14把豚鼠放在冰卡计中做实验他明确地表述了运动不同形式的统一性和相互转化的可能性。3 .电磁学方面的准备19世纪二三十年代，随着电磁学基本规律的陆续发现，人们自然对电与磁、电与热、电与化学等关系密切注视。法拉第(MiChae1Faraday,17911867)尤其强调各种“自然力”的统一和转化，他认为“自然力”的转变，是其不灭性的结果。“自然力”不能从无生有，一种“力”的产生是另一种“力”消耗的结果。法拉第的许多工作都涉及转化现象，如电磁感应、电化学和光的磁效应等。他在1845年发表一篇讨论磁对光的作用的论文，表述了他对“力

12、”的统一性和等价性的基本看法，他写道：“物质的力所处的不同形式很明显有一个共同的起源，换句话说，是如此直接地联系着和互相依赖着，以至于可以互相转换，而在其行动中，力具有守恒性。”正是在“力”的转化这一概念的基础上，法拉第做出了许多重要发现。在电与热的关系方面，1821年塞贝克(T.J.Seebeck)发现的温差电现象可以说是“自然力”互相转化的又一重要例证。后面还将提到，焦耳(J.P.Jou1e,1818-1889)在1840年研究电流的热效应中发现了i2R定律。这是反映能量转化的一个定量关系，对能量转化与守恒定律的建立有重要意义。4 .永动机的历史教训永动机不可能实现的历史教训，从反面提供了

13、能量守恒的例证。2.3.2能量转化与守恒定律初步形成19世纪初，由于蒸汽机的进一步发展，迫切需要对蒸汽机“出力”作出理论分析，因此，热与机械功的相互转化得到了广泛的研究。其中突出的事例有：埃瓦特(PeterEWart,17671842)对煤的燃烧所产生的热量和由此提供的“机械动力”之间的关系作了研究，建立了定量联系。丹麦工程师和物理学家柯尔丁(1.Co1ding,18151888)对热、功之间的关系也作过研究。他从事过摩擦生热的实验，1843年丹麦皇家科学院对他的论文签署了如下的批语：“柯尔丁的这篇论文的主要思想是由于摩擦、阻力、压力等造成的机械作用的损失，引起了物体内部的如热、电以及类似的动

14、作，它们皆与损失的力成正比。”2俄国的赫斯(G.H.Hess,1802-1850)比他们更早就从化学的研究得到了能量转化与守恒的思想。他原是瑞士人，3岁时到俄国，当过医生，在彼得堡执教，以热化学研究著称。1836年赫斯向彼得堡科学院报告：“经过连续的研究，我确信，不管用什么方式完成化合，由此发出的热总是恒定的，这个原理是如此之明显，以至于如果我不认为已经被证明，也可以不假思索就认为它是一条公理。”3在以后的岁月里，赫斯认识到上述原理的巨大意义，从各方面进行了实验验证，于1840年3月27日在一次科学院演讲中提出了一个普遍的表述：“当组成任何一种化学化合物时，往往会同时放出热量，这热量不取决于化

15、合是直接进行还是经过几道反应间接进行。”4以后他把这条定律广泛应用于他的热化学研究中。2 转弓I自：ejibepMM.HeToPH灯HMeTOnOnOrH兄TePMo;IHHaMHKHHeTaTHCTHIIeCKOah3hkh.BbICUJag1Uoja,1981.1363 转引自：E1kanaY.TheDiscoveryoftheConservationofEnergy.Harvard.1974.1194同注2赫斯的这一发现第一次反映了热力学第一定律的基本原理：热和功的总量与过程途径无关，只决定于体系的始末状态。它体现了系统的内能的基本性质与过程无关。这一定律不仅反映守恒的思想，也包括了“力

16、”的转变思想。至此，能量转化与守恒定律己初步形成。2.3.3能量转化与守恒定律的确立对能量转化与守恒定律作出明确叙述的，首先要提到三位科学家。他们是德国的迈尔(RobertMayer,181411878)赫姆霍兹(HermannVonHeImhoItz,182111894)和英国的焦耳。1 .迈尔的工作迈尔是一位医生。1840年左右，迈尔作为随船医生前往印度尼西亚，在给生病的船员放血时，得到了重要启示，发现静脉血不像生活在温带国家中的人那样颜色暗淡，而是像动脉血那样新鲜当地医生告诉他，这种现象在辽阔的热带地区是到处可见的。他还听到海员们说，暴风雨时海水比较热。这些现象引起了迈尔的沉思。他想到，食物中含有化学能，它像机械能一样可以转化为热。在热带高温情况下，机体只需要吸收食物中较少的热量，所以