物理与文化物理与文化物理与文化 (20).pdf

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1、第四讲：冷热现象热学相关概念1目录热的本质0101熵的本质0303热力学第一定律和第二定律0202234.1 热的本质（上）4热力学的历史可追溯到热力学的历史可追溯到17世纪世纪。1592-1600年年，伽伽利略利略制作了人类第一个空气温度计制作了人类第一个空气温度计，开始对物体的开始对物体的冷热程度进行定量测定的研究冷热程度进行定量测定的研究。这可作为这可作为“测温学测温学”的开端的开端。1620年年，培根培根首先注意到首先注意到，两个物体摩擦所产生的两个物体摩擦所产生的热效应热效应，与物体的冷热程度是有区别的与物体的冷热程度是有区别的，他认为他认为“热是运动热是运动”。这可以看做是人们对这

2、可以看做是人们对“热量热量”的本的本质进行科学研究的开端质进行科学研究的开端。燧人氏钻木取燧人氏钻木取火火一一.热的本质热的本质1.从燃素到热质热的本质1667年，德国化学家贝歇尔（J.J.Becher）首先提出“燃素”理论。认为热是一种无色、无味、无臭和无质量的物质，在燃烧过程中被不同程度的释放出来。该理论被德国化学家斯塔尔（G.E.Stahl）于1703-1731年间进一步发展，认为“燃素”是一种气体，燃烧时从燃物中放出，与空气结合而发光发热。5近代化学之父、法国科学家拉瓦锡发现，物体燃烧时需要空气中的氧气，建立了“质量守恒定律”。认为燃素理论与实验结果不自洽，于1783年提出了“热质说”

3、。认为热是一种无色、无味、无重量、看不见的神秘流体，在宇宙中热质的总量是守恒的，但可从热的物体向冷的物体转移。热质说可以成功的解释许多物理现象，如热传导，热膨胀，还可以解释热辐射、物体不同温度下的相变化，甚至大部分的气体定律。不过无法解释一些只要持续作功就可以持续产生热的现象（如摩擦生热）。热质说对摩擦生热的解释是，摩擦并没有改变热质的总量，但物质在摩擦时比热降低了，从而使物体的温度升高。6第一个对热质说产生怀疑的人是英籍美国人伦福德(C.Rumford)。1798年，伦福德撰文指出：热的来源不是热质，而是一种运动形式。被21岁的戴维（H.Davy）看到了，这位未来的化学大师对此观点极为赞同。

4、通过摩擦发热实验，进一步论证：热质不存在，摩擦和碰撞引起了物体内部微粒的特殊运动或振动。7伦福德2.热动说8热动说是伴随着分子、原子的发现，特别是道尔顿的原子论而逐渐兴起的。热不是一种无质量的神秘流体，而是与有质量的原子、分子运动的动能相联系的“机械功”相互对应，即热和功一样是能量传递的一种方式，热与功之间应该有一个当量关系存在。热功当量：伦福德德国医生、物理学家迈耶（J.R.Mayer）丹麦工程师柯尔丁（L.A.Colding）9焦耳（J.P.Joule），英国物理学家，英国皇家学会会员。由于焦耳在热学、热力学和电方面的贡献，皇家学会授予他最高荣誉的科普利奖章（Copley Medal）。后

5、人为了纪念他，把能量或功的单位命名为“焦耳”，简称“焦”。焦耳T绝热壁温度计搅拌器101845年，焦耳设计了著名的桨叶搅拌实验。111849年，焦耳做了热功当量的报告。焦耳从事热功当量研究达30年，先后实验400多次。他几十年来始终如一的实验工作及所取得的成就得到科学界的称颂。1磅水升高1华氏度需要的机械功为772英尺.磅力。热功当量：4.15 J/cal(4.186 J/cal)12热功当量的测定奠定了热力学的基础，并直接导致热力学第一定律的建立。这一定律的实质是能量守恒定律的体现。使普遍的能量守恒与转化定律建立在牢固的实验基础之上。焦耳的热功当量，彻底宣告了热质说的破产，使人们认识到热是一种运动形式，是物体之间相互传递的一种能量，它与其它形式的能可以互相转换。