热力学和统计物理学的发展45页PPT课件.ppt

1、指导教师：仲扣庄指导教师：仲扣庄汇汇 报报 人：李婷婷人：李婷婷学学 号：号：81080108内容导览内容导览热现象的早期研究热现象的早期研究热力学定律的发现热力学定律的发现分子动理论的发展分子动理论的发展统计物理学的建立统计物理学的建立热现象的早期研究热现象的早期研究一、蒸汽机的发明与改进一、蒸汽机的发明与改进二、温度计的发明与改进二、温度计的发明与改进三、量热学的发展三、量热学的发展 四、热本质的认识四、热本质的认识蒸汽机的发明与改进蒸汽机的发明与改进welcome to use these PowerPoint templates,New Content design,10 years

2、experience公元一二世纪之间公元一二世纪之间：埃及人：埃及人希龙希龙发明发明蒸汽动力旋转的玩蒸汽动力旋转的玩具具。其中包含了利用反冲作用和蒸汽做功的物理思想。其中包含了利用反冲作用和蒸汽做功的物理思想。1960年惠更斯的助手法国人年惠更斯的助手法国人巴本巴本发明了带有发明了带有活塞和气缸活塞和气缸的蒸汽机。的蒸汽机。1698年英国年英国托马斯托马斯 萨维里萨维里制造了人类历史上第一部可制造了人类历史上第一部可以以实际应用的蒸汽机实际应用的蒸汽机1705年年托马斯托马斯 纽可门纽可门在总结萨维里蒸汽机和巴本蒸汽在总结萨维里蒸汽机和巴本蒸汽机的基础上发明了机的基础上发明了空气蒸汽机空气蒸汽

3、机。1782年瓦特制造出了使高压蒸汽轮流地从两端进入气缸年瓦特制造出了使高压蒸汽轮流地从两端进入气缸推动活塞往返运动的推动活塞往返运动的蒸汽机蒸汽机，并增加了飞轮和离心调速，并增加了飞轮和离心调速装置，从而非常接近现代的形式。装置，从而非常接近现代的形式。温度计的发明与改进温度计的发明与改进伽利略伽利略首先利用热胀冷缩的原理制作了首先利用热胀冷缩的原理制作了验温计验温计。法国化学家法国化学家詹詹 雷伊雷伊对伽利略验温计做了改进，他将伽利对伽利略验温计做了改进，他将伽利略的玻璃泡倒转过来，直接用水的体积变化来表示冷热程略的玻璃泡倒转过来，直接用水的体积变化来表示冷热程度。度。意大利意大利费迪南二

4、世费迪南二世在此基础上继续改进，用啦封住管口，在此基础上继续改进，用啦封住管口，在玻璃泡里装了染有红色的酒精，并且在玻璃管上标上刻在玻璃泡里装了染有红色的酒精，并且在玻璃管上标上刻度，制成了具有现代形式的度，制成了具有现代形式的第一支温度计第一支温度计。伽利略验温器伽利略验温器一、定标一、定标二、寻找合适的二、寻找合适的 测温物质测温物质德国玻璃工华伦海特制成了第一支实用温度计德国玻璃工华伦海特制成了第一支实用温度计水水银温度计（华氏温标）。银温度计（华氏温标）。瑞典天文学家摄尔修斯用水银作为测温物质，把水的瑞典天文学家摄尔修斯用水银作为测温物质，把水的沸点定为沸点定为100，冰的熔点定为，冰

5、的熔点定为0摄氏温标。摄氏温标。温度计的制作和改进温度计的制作和改进量热学的发展量热学的发展量热学的奠基人量热学的奠基人彼得堡科学院院士赫曼认为，热是彼得堡科学院院士赫曼认为，热是按照体积均匀分配的，并取质量和温度的乘积作为物体按照体积均匀分配的，并取质量和温度的乘积作为物体中热量的量度，提出了热量的公式：中热量的量度，提出了热量的公式：式中式中m1、m2、m n为均匀液体的质量，为均匀液体的质量，t1、t2tn为这些液体的起始温度，为这些液体的起始温度，t为混合温度。为混合温度。1757年英国化学家年英国化学家布莱克布莱克第一次慎重的提出，热和温度是两个不同的第一次慎重的提出，热和温度是两个

6、不同的概念。概念。热量：热的分量热量：热的分量；温度：热的强度温度：热的强度。同质量而不同温度的两种物质混合在一起时，他们的温度变化是不相同质量而不同温度的两种物质混合在一起时，他们的温度变化是不相同的，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同的，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“亲和性亲和性”或接受或接受“热的能力热的能力”。伊尔文伊尔文正式引进了正式引进了“热容量热容量”的概念，并测定了一些物质的比热容。的概念，并测定了一些物质的比热容。法国的法国的拉瓦锡拉瓦锡和和拉普拉斯拉普拉斯把一磅水升高或降低一摄氏度时所需要的热把一磅水升高或降低一摄氏度时所需要的热

7、作为热的单位，称作作为热的单位，称作卡卡。1777年制造了经典仪器年制造了经典仪器冰量热器冰量热器。1783年测定了一些物质的比热容，并发现物质的比热容在不同温度下年测定了一些物质的比热容，并发现物质的比热容在不同温度下是略有差别的。是略有差别的。热本质的认识热本质的认识热是运动的表现热是运动的表现热是一种特殊的物热是一种特殊的物质，是质，是“无重物质无重物质”即即“热质热质”18世纪世纪热质说的否定热质说的否定：1798年年，英籍物理学家，英籍物理学家伦福德伦福德在在关于摩擦生热的来关于摩擦生热的来源的调研源的调研一文中介绍了机械功生热的实验，得出结一文中介绍了机械功生热的实验，得出结论：热

8、是物质的一种运动形式，是粒子振动的宏观表论：热是物质的一种运动形式，是粒子振动的宏观表现。现。1799年年，英国化学家，英国化学家戴维戴维做了真空容器中两块冰摩擦做了真空容器中两块冰摩擦而熔解为水的实验，而熔解为水的实验，“热质守恒热质守恒”的观点无法成立，的观点无法成立，由此断言，热质是不存在的。由此断言，热质是不存在的。卡诺卡诺大胆纠正自己利用热质说建立的卡诺定理这一错大胆纠正自己利用热质说建立的卡诺定理这一错误，强烈支持热动说，以及在能量守恒定律确立之后，误，强烈支持热动说，以及在能量守恒定律确立之后，热质说最终被否定。热质说最终被否定。伦福德像伦福德像法国物理学家卡诺法国物理学家卡诺热

9、力学定律的发现热力学定律的发现能量守恒定律的确立能量守恒定律的确立热力学第二定律的建立热力学第二定律的建立热力学第三定律的建立热力学第三定律的建立处于思辨时期处于思辨时期的古代哲学中的古代哲学中就存在守恒的就存在守恒的思想思想16世纪的许多世纪的许多哲学家认为哲学家认为“宇宙中运动量宇宙中运动量是不灭的是不灭的”守恒思想的守恒思想的 历史渊源历史渊源力学中的功和能力学中的功和能 在经典力学的发展历程中，人们逐渐形成了在经典力学的发展历程中，人们逐渐形成了“功功”和和“能能”的概念。的概念。功的概念起源于早期工业革命中工程师们需功的概念起源于早期工业革命中工程师们需要一个用来比较蒸汽机的效率的办

10、法，在实践中要一个用来比较蒸汽机的效率的办法，在实践中他们逐渐同意用他们逐渐同意用机器举起的物体的重量与行程之机器举起的物体的重量与行程之积来量度机器的输出，并称之为功。积来量度机器的输出，并称之为功。能，首先是由托马斯能，首先是由托马斯 杨提出的，他在杨提出的，他在自然自然哲学讲义哲学讲义中指出：中指出：产生运动所必要的功与这个产生运动所必要的功与这个功所引起的能量成正比。功所引起的能量成正比。能量转化现象的普遍发现能量转化现象的普遍发现18世纪到世纪到19世纪的初期，人们逐渐发现了自然想象之间的世纪的初期，人们逐渐发现了自然想象之间的普遍联系，科学家们开始以一种联系的观点去研究物理学，普遍

11、联系，科学家们开始以一种联系的观点去研究物理学，从而为能量守恒定律的建立奠定了坚实的基础。从而为能量守恒定律的建立奠定了坚实的基础。例如：机械能例如：机械能内能内能内内 能能 电能电能磁磁电电化学能化学能电能电能第一类永动机第一类永动机 永动机是人们设想的一种理想机械，他在不消耗任何永动机是人们设想的一种理想机械，他在不消耗任何燃料和动力的情况下，能源源不断地对外做功。燃料和动力的情况下，能源源不断地对外做功。13世纪法国人亨内考世纪法国人亨内考提出来的，也是早期提出来的，也是早期最著名的永动机。最著名的永动机。达达芬奇也制造过永动机，同样得到失败的结果。芬奇也制造过永动机，同样得到失败的结果

12、。他经过仔细研究之后认为任何永动机的尝试注定要失他经过仔细研究之后认为任何永动机的尝试注定要失败的。他写道：败的。他写道：“永恒运动的幻想家们！你们的探索永恒运动的幻想家们！你们的探索何等徒劳无功！还是去做淘金者吧！何等徒劳无功！还是去做淘金者吧！”随后人们提出随后人们提出的各种各样的永动机在科学的检验下都失败了。的各种各样的永动机在科学的检验下都失败了。永动机的失败启示人们想到，永动机的失败启示人们想到，自然界不允许人类自然界不允许人类无中生有的获得能量，也就是说自然界中各种能量之无中生有的获得能量，也就是说自然界中各种能量之间存在着一定的转化关系。间存在着一定的转化关系。1.德国的迈尔德国

13、的迈尔 罗伯特罗伯特 迈尔（迈尔（Robert Robert Mayer,1814-1878)Mayer,1814-1878)迈尔，迈尔，18141814出出生于德国海尔布隆一个药剂师家生于德国海尔布隆一个药剂师家庭，庭，18321832年进入蒂宾根大学医学年进入蒂宾根大学医学系学习，系学习，18371837年因参加一个秘密年因参加一个秘密学生团体而被捕并被学校开除，学生团体而被捕并被学校开除，18381838年完成医学博士学位论文答年完成医学博士学位论文答辩，获医师执照而开始行医。辩，获医师执照而开始行医。18401840年年-1841-1841年担任开往东印度年担任开往东印度的荷兰轮船的随

14、船医生。的荷兰轮船的随船医生。迈尔像迈尔像迈尔的贡献迈尔的贡献一般认为最早发现能量守恒定律的是德国人迈尔，一般认为最早发现能量守恒定律的是德国人迈尔，他从事有关能量守恒与转化问题的研究是从对生理他从事有关能量守恒与转化问题的研究是从对生理现象的分析开始的。现象的分析开始的。1841年年7月月迈尔写成了第一篇论文迈尔写成了第一篇论文论力的量和质的论力的量和质的确定确定，指出机械运动、热、电等可以归结为一种，指出机械运动、热、电等可以归结为一种“力力”（那是把能统称为（那是把能统称为“力力”）的现象，按一定）的现象，按一定规律相互转化。规律相互转化。1842年年迈尔写了迈尔写了论无机界的力论无机界

15、的力一文，从无中生有，有一文，从无中生有，有有无不变的哲学思考提出了有无不变的哲学思考提出了“力就是不灭的，能转化的、力就是不灭的，能转化的、无重量的客体无重量的客体”的结论。的结论。1845年年迈尔写了迈尔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一文，一文，进一步指出进一步指出“力的转化与守恒定律是支配宇宙的普遍规力的转化与守恒定律是支配宇宙的普遍规律律”。并具体的考察了。并具体的考察了5种不同形式的力：运动的力种不同形式的力：运动的力（动能）；下落力（重力势能）；（动能）；下落力（重力势能）；热；磁、电（电热；磁、电（电流）化学力（化学能）。流）化学力（化学能）。焦耳的贡献

16、焦耳的贡献1840年年焦耳和俄国物理学家楞次分别独立的发现了导电导焦耳和俄国物理学家楞次分别独立的发现了导电导体放出的热量同电阻及电流平方之积成正比，这就是体放出的热量同电阻及电流平方之积成正比，这就是焦耳焦耳定律定律。1843年年进行了感应电流产生的热效应和电解时热效应的实进行了感应电流产生的热效应和电解时热效应的实验，写了两篇关键性的论文验，写了两篇关键性的论文论磁电的热效应和热机值论磁电的热效应和热机值和和论谁水解时产生的热论谁水解时产生的热。明确提出。明确提出“自然界的能是不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，热只能消灭的，哪里消耗了机械能，总能得到相应的热，热

17、只是能的一种形式是能的一种形式”。1844年年，焦耳做了把水压入毛细管的实验和压缩空气实验，焦耳做了把水压入毛细管的实验和压缩空气实验，测出热功当量分别为测出热功当量分别为424.9千克力米千克力米/千卡和千卡和443.8千克力米千克力米/千卡千卡。1847年年焦耳完成了下降重物带动放在液体中的浆产生摩擦热焦耳完成了下降重物带动放在液体中的浆产生摩擦热的实验，测得热功当量为的实验，测得热功当量为428.9千克力米千克力米/千卡千卡。焦耳对热功当量的实验研究持续了焦耳对热功当量的实验研究持续了30余年，它不但精心设计余年，它不但精心设计了精密的仪器装置，形成了完整的实验方法，还得到了精确了精密的

18、仪器装置，形成了完整的实验方法，还得到了精确地实验数据。地实验数据。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 -浆叶实验浆叶实验焦耳像焦耳像亥姆霍兹的贡献亥姆霍兹的贡献1847年年发表的发表的论力的守恒论力的守恒提出了普遍性的原理：不能提出了普遍性的原理：不能无中生有的创造一个永久的运动力。无中生有的创造一个永久的运动力。能量守恒定律的发能量守恒定律的发现是现是19世纪物理学世纪物理学最重要的发现。最重要的发现。热力学第一定律的表达式热力学第一定律的表达式热力学第二定律的建立热力学第二定律的建立 卡诺的热机理论：对于理想的热机，如果在同样卡诺的热机理论：对于理想的热机，如果

19、在同样温度的两热源之间工作，就会具有同样的效率。温度的两热源之间工作，就会具有同样的效率。绝对温标的建立：绝对温标的建立：T=272.85+t 热力学第二定律的两种表述：热力学第二定律的两种表述：热量不可能自动地从低温物体传到高温物体而不热量不可能自动地从低温物体传到高温物体而不发生其他任何变化。发生其他任何变化。第二类永动机是不可能的。第二类永动机是不可能的。热力学第三定律的建立热力学第三定律的建立 18世纪末到世纪末到19世纪初世纪初，人们实现了氨、氯气等气体的，人们实现了氨、氯气等气体的液化，到了液化，到了1845年，除了氢、氧、氮等几种气体外，当时年，除了氢、氧、氮等几种气体外，当时所

20、知的其他气体都能被液化，于是这几种气体被称为所知的其他气体都能被液化，于是这几种气体被称为“永永久气体久气体”。英国物理学家英国物理学家安德鲁斯安德鲁斯认为认为“永久气体永久气体”也是可以被也是可以被液化的，关键问题是要实现更低的温度，使之低于其液化的，关键问题是要实现更低的温度，使之低于其“临临界温度界温度”。随后的科学家们通过各种方法实现了。随后的科学家们通过各种方法实现了永久气体永久气体的液化的液化。1702年年，法国物理学家阿蒙顿首先提出，法国物理学家阿蒙顿首先提出绝对零度的概念。绝对零度的概念。1848年年，威廉威廉 汤姆孙汤姆孙利用卡诺循环中利用卡诺循环中热量与温度的关系，确立了热

21、力学温标热量与温度的关系，确立了热力学温标即绝对温标，明确提出了即绝对温标，明确提出了绝对温度零度绝对温度零度是温度的下限。是温度的下限。1906年年，德国化学家，德国化学家能斯特能斯特把热力学的原理应把热力学的原理应用到低温现象和化学反应过程中，发现了一条新用到低温现象和化学反应过程中，发现了一条新的规律，当时表述为：的规律，当时表述为：“当绝对温度趋于零度时，当绝对温度趋于零度时，凝聚系统的熵在等温过程中的改变趋于零。凝聚系统的熵在等温过程中的改变趋于零。”1912年年，能斯特又把这一定律表述为：，能斯特又把这一定律表述为：“不可不可能拥有限的手段，使一个物体的温度达到绝对零能拥有限的手段

22、，使一个物体的温度达到绝对零度度。”热力学第三定律热力学第三定律分子动理论的发展分子动理论的发展 原子论的复兴原子论的复兴 分子动理论的实验检验分子动理论的实验检验 分子动理论的提出分子动理论的提出 克劳修斯对分子动理论的贡献克劳修斯对分子动理论的贡献 范德瓦尔斯方程的建立范德瓦尔斯方程的建立分子动理论的提出分子动理论的提出英国化学家英国化学家道尔顿道尔顿创立了创立了近代原子论近代原子论。英国物理学家英国物理学家约翰约翰赫拉帕斯极力提倡分子动理论赫拉帕斯极力提倡分子动理论，在道，在道尔顿的影响下提出下列假设：组成物质的原子是不可穿透尔顿的影响下提出下列假设：组成物质的原子是不可穿透的刚性小球；

23、气体的原子可以以很大的速度在各个方向作的刚性小球；气体的原子可以以很大的速度在各个方向作直线运动；热是由原子的运动引起的，并且正比于原子的直线运动；热是由原子的运动引起的，并且正比于原子的动量。动量。赫拉帕斯赫拉帕斯推导了理想气体定律，提出温度与分子速度有关推导了理想气体定律，提出温度与分子速度有关的观点，并根据其假设定性解释物质的相变和扩散现象，的观点，并根据其假设定性解释物质的相变和扩散现象，并试图计算气体的比热容。并试图计算气体的比热容。焦耳在焦耳在1847年发表的论文年发表的论文论物质、活力和热论物质、活力和热中中指出，热一定是分子运动的动能或分子间的相互作用的指出，热一定是分子运动的

24、动能或分子间的相互作用的能量（势能），并认为这个势能是与相变联系的潜热的能量（势能），并认为这个势能是与相变联系的潜热的基础。基础。1856年德国化学家伦尼希年德国化学家伦尼希在在物理学年鉴物理学年鉴上发表上发表了一篇题为了一篇题为气体理论原理气体理论原理的论文，他认为热是运动的论文，他认为热是运动的一种形式。他提出理想气体模型：分子都是弹性小球，的一种形式。他提出理想气体模型：分子都是弹性小球，他们在没有相互作用时做匀速直线运动，只有在碰撞时他们在没有相互作用时做匀速直线运动，只有在碰撞时才有相互作用。才有相互作用。克劳修斯对分子动理论的贡献克劳修斯对分子动理论的贡献 在早期的热学论文中，他

25、就曾指出：在早期的热学论文中，他就曾指出：“热不是一种热不是一种物质，而是来自物体中个最小部分的运动物质，而是来自物体中个最小部分的运动。”气体分子的平移运动同器壁的碰撞产生了气体的压气体分子的平移运动同器壁的碰撞产生了气体的压强。强。在推导气体压强公式时，克劳修斯明确的将统计的在推导气体压强公式时，克劳修斯明确的将统计的概念引进了物理学。概念引进了物理学。克劳修斯认为，分子运动速度不变时压强与密度成正克劳修斯认为，分子运动速度不变时压强与密度成正比。比。推导出气体的压强公式：推导出气体的压强公式：p=1/3nmv2并且利用这一公并且利用这一公式推导了波意耳定律和盖式推导了波意耳定律和盖吕萨克

26、定律，初步显示了分子吕萨克定律，初步显示了分子动理论的威力。动理论的威力。克劳修斯提出了克劳修斯提出了理想气体分子动理论的模型理想气体分子动理论的模型：分子本身的：分子本身的体积与体积所占的整个空间相比是无限小的；分子每次碰体积与体积所占的整个空间相比是无限小的；分子每次碰撞经历的时间比起两次碰撞之间的时间间隔是无限小；分撞经历的时间比起两次碰撞之间的时间间隔是无限小；分子的影响力也是无限小的。子的影响力也是无限小的。根据其压强公式和理想气体状态方程，就可以得到气根据其压强公式和理想气体状态方程，就可以得到气体分子的平均动能与温度之间的关系，并计算出在体分子的平均动能与温度之间的关系，并计算出

27、在0，氧气分子的均方根速率为氧气分子的均方根速率为461米米/秒，氮为秒，氮为402米米/秒，氢为秒，氢为1844米米/秒。秒。尽管分子很小，但还是有一定的大小，这是因为分子尽管分子很小，但还是有一定的大小，这是因为分子间存在相互作用力。间存在相互作用力。克劳修斯指出：扩散过程与其说是取决于费克劳修斯指出：扩散过程与其说是取决于费脑子的速度，不如说是取决于分子的平均自脑子的速度，不如说是取决于分子的平均自由程。由程。克劳修斯最终得到气体分子的平均自由程为克劳修斯最终得到气体分子的平均自由程为:范德瓦尔斯方程的建立范德瓦尔斯方程的建立 范德瓦尔斯对理想气体状态方程从两个方面范德瓦尔斯对理想气体状

28、态方程从两个方面进行修正，得出实际气体的状态方程。进行修正，得出实际气体的状态方程。一一.考虑分子的大小而引起的修正考虑分子的大小而引起的修正研究研究 1 mol的理想气体，的理想气体，P0 为理想气体的压强，为理想气体的压强，V0为为 1 mol 气体的体积。气体的体积。RTVP00V V0为分子运动的空间体积，由于分子要占据一定体积，对为分子运动的空间体积，由于分子要占据一定体积，对V V0进行修正，进行修正，V V0修正为修正为V V0 b。修正值修正值 b为分子体积的为分子体积的4倍倍：302344dNbN0为为1mol气体的分子数气体的分子数-阿伏加德罗常数阿伏加德罗常数。RTbVP

29、)(0 由于分子间的引力存在，当一些分子对器壁碰撞时器壁附由于分子间的引力存在，当一些分子对器壁碰撞时器壁附近的一些分子对它们近的一些分子对它们 存在吸引力，这个吸引力减小了它们对器存在吸引力，这个吸引力减小了它们对器壁的冲力。壁的冲力。跟踪的分子除了受器壁的作跟踪的分子除了受器壁的作用力外用力外-外压强外压强P，还要受，还要受到内部气体分子的引力到内部气体分子的引力-内压强内压强Pi 对于理想气体只对于理想气体只有外压强有外压强P。器壁器壁内部内部PiPPi 为器壁内表面上单位面积上所受内部分子的引为器壁内表面上单位面积上所受内部分子的引力力-内压强内压强。iPPP理1.Pi 与器壁附近单位

30、面积上的相碰气体分子数成正比，而与器壁附近单位面积上的相碰气体分子数成正比，而这个分子数与容器中分子数密度这个分子数与容器中分子数密度 n 成正比，成正比，考虑到气体分子间的引力作用后，气体的压强为外压强考虑到气体分子间的引力作用后，气体的压强为外压强 P 与内压强与内压强 Pi 之和。对压强进行修正，之和。对压强进行修正，2.Pi 又与内部的吸引分子数成正比，而这个分子数也正比又与内部的吸引分子数成正比，而这个分子数也正比于分子数密度于分子数密度 n。由比例式由比例式VVM0有有VMV0代入代入RTbVVaP)(020整理后得整理后得RTMbMVVaMP)(222不同气体在不同条件下，不同气体在不同条件下，a、b值是不同的。值是不同的。范德瓦尔斯方程范德瓦尔斯方程统计物理学的建立（略）统计物理学的建立（略）麦克斯韦气体分子速率分布律的建立麦克斯韦气体分子速率分布律的建立波尔兹曼分布的建立波尔兹曼分布的建立热力学第二定律的统计解释热力学第二定律的统计解释系综理论的建立系综理论的建立