第一节课 热学导论.ppt

相信 ??相信你做得到，你一定会做到。? ?不断告诉自己某一件事，即使不是真的，最后也会让自己相信。?----哈佛校训 ? 《热学》第一课： 序言 题外话 1、学习热学有什么用？热学与后续课程（热力学.统计物理）的联系。 2、大学的目的是什么？什么是真正的大学？ 3、如何学习? 热学的由来和构成 Calorifics？ Thermal-dynamics！ 学习这门课可以带给我们什么样的认识？ 热学的由来以及对人类生活的改变： 热学的内容 学习方法 学习时间安排及推荐书目 热学的发展 第一个阶段：十七世纪末到十九世纪中叶 热学的早期史，开始于十七世纪末到十九世纪中叶，这个时期累积了大量的实验和观察结果，并制造出了蒸汽机，对「热」的本质展开了研究和争论，为热力学理论的建立做好了准备。 蒸汽汽车 “热”本质的争论 人们长久以来对温度和热量的概念混淆不清，多数人以为物体冷热的程度代表着物体所含热的多寡。 首先德国斯塔尔（Georg Ernst Stahl）教授提出热是一种燃素，后来荷兰波哈维（Hermann Boerhaave）教授甚至说热是一种物质。 虽然热是一种物质的说法不正确，但波哈维教授把华氏40度的冷水与同质量华氏80度的热水相混而得华氏60度的水，却隐约地得到热量守恒的一个简单定则；不过对于不同质量，甚至不同物质的冷热物体的混合，他就难以解释了。 另一类的人如虎克，认为热是物质各部分激烈的运动，牛顿也认为热是粒子的运动。 一七四○年左右，俄国圣彼得堡科学院院士克拉夫特（Baron Richard von Krafft-Ebing）提出冷水、热水混合的公式。 一七五○年由德国移民到圣彼得堡的理奇蒙（Richmann）院士也做了一系列热量的研究，他将不同温度的水混合，研究热量的损失，并改进克拉夫特的公式。 此公式虽不正确，但他却指出混合前后，热量要相等的概念。 （插曲，理奇蒙在重覆富兰克林的实验时，不幸被闪电电死。）一七五五年，兰勃特（Johann Heinrich Lambert）院士才将热量与温度的概念加以区别和澄清。 一七八九年出生于美国后到英国又到德国而受封的伦福伯爵（Count Rumford）（原名Benjamin Thompson）在慕尼黑兵工厂监督大炮钻孔，发现热是因摩擦而产生，因而断言，热不是物质而是来自运动。 一七九九年英国化学家，即后来的首任皇家研究院院长戴维（Sir Humphry Davy）在维持冰点的真空容器中进行摩擦的实验，发现即使是两块冰相互摩擦也有些冰熔化成水，所以他认为摩擦引起物体微粒的振动，而这种振动就是热。 虽然有伦福和戴维教授极力否定热是一种物质说法，但是仍无法改变人们认为热是一种物质的概念。 直到十九世纪中叶后，卡诺（Nicolas Leonard Sadi Carnot）死后50年其理论才被人们重视，加上德国梅耶（Julius Bobert Mayer）医师和英国物理学家焦耳的努力才改变了人们的观念，促使了第一定律和第二定律成熟地产生。 第二个阶段：十九世纪中到十九世纪七○年代末  这个时期发展了热力学和分子运动论，这些理论的诞生与热功相当原理有关。 热功相当原理奠定了热力学第一定律的基础，而第一定律和卡诺理论结合，又导致热力学第二定律的形成；热功相当原理跟微粒说结合则导致了分子运动论的建立，另一方面，以牛顿力学为基础的气体动力论也开始发展，而在这段时期内人们并不了解热力学与气体动力论之间的关连，热力学和分子运动论彼此还是隔绝的。 能量守恒与功能互换──著名的卡诺循环 卡诺（Nicolas Leonard Sadi Carnot，1796.6.1-1832.8.24）是法国拿破仑时代末期人，享年36岁。 他自小矢志科学，进理工科学校，再进工兵科。 一八一九年，卡诺退伍，专心研究科学及艺术，一八三二年他先罹患猩红热，又得了脑膜炎，最后死于霍乱，因此所有研究资料几乎都被烧毁了。 卡诺循环 卡诺是以「卡诺循环」留名于科学史的，这件事在一八二四年出版的《关于火的动力考察》里面有详细的说明。 开始时，卡诺研究促进蒸汽机发展所需要的理论，他的理论基础是「热素的保存」和「永动机械不可能」这两个原理，他指出热从高温物体移到低温物体时才会产生动力，并认为最理想的机械应该具备： 由带着活塞的汽缸里面的气体所产生的等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩等四种循环过程 （又称卡诺循环 ）。 关于这个过程和相反过程合并的系统，他用永动机械不可能的原理证明了「 在理想的机械，由于同量热素的移动会产生同量的工作，而其量只由温度决定 」，这个「 卡诺定律 」成为热力学的基础。  卡诺放弃热素说，转为热的运动说，几乎到达「能量守恒定律」。 但可能因为他不属于物理学家集团，故直到一八三四年