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第二章 热学基本定律的形成 ;§2.1 历史概述 ;§2.1 历史概述 ;§2.1 历史概述 ;§2.1 历史概述 ;§2.2 热力学第一定律的建立 ;图2－8 拉瓦锡夫妇合作做实验;图2－9 拉瓦锡和拉普拉斯的冰卡计; 图2－14 把豚鼠放在冰卡计中做实验;§2.2 热力学第一定律的建立 ; 图2－12 伦福德;图2－13 伦福德的大炮钻孔实验装置;§2.2 热力学第一定律的建立 ;2.2.2 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,迫切需要研究热和功的关系, 对蒸汽机“出力”作出理论上的分析。所以热与机械功的相互转化得到 了广泛的研究。 ;2.2.2 能量转化与守恒定律初步形成 埃瓦特(PeterEwart,1767—1842)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(L.Colding,1815—1888)对热、功之 间的关系也作过研究。 俄国的赫斯(G.H.Hess,1802—1850)在更早就从化学的研究得到了 能量转化与守恒的思想。 法国工程师萨迪·卡诺(SadiCarnot,1796—1832)早在 1830 年 就已确立了功热相当的思想。 ;2.2.3 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,1814—1878)、赫姆霍兹(Hermann von Helmholtz,1821—1894)和英国的焦耳。 ;2.2.3 能量转化与守恒定律的确立 1.迈尔的工作 迈尔在 1842 年发表的题为《热的力学的几点说明》中,宣布了热和 机械能的相当性和可转换性；接着迈尔用反证法,证明守恒性(不灭性) 。迈尔的结论是:“因此力(即能量)是不灭的、可转化的、不可秤 量的客体。” 迈尔这种推论方法显然过于笼统,难以令人信服,但他关于能量转 化与守恒的叙述是最早的完整表达。 ;2.2.3 能量转化与守恒定律的确立 1.迈尔的工作 迈尔在 1845 年发表了第二篇论文:《有机运动及其与新陈代谢的联系》,该文更系统地阐明能量的转化与守恒的思想。 ;2.2.3 能量转化与守恒定律的确立 1.迈尔的工作 接着迈尔又根据狄拉洛希(Delaroche)和贝拉尔德(Berard)以及杜 隆(Dulong)气体比热的实验数据 Cp=0.267 卡/克·度、Cv=0.188 卡/克·度 计算出热功，3597 焦耳/千卡,现在的精确值为 4187 焦耳/千卡。 ;2.2.3 能量转化与守恒定律的确立 1.迈尔的工作 迈尔还具体地考察了另外几种不同形式的力。他以起电机为例说明 了“机械效应向电的转化。”他认为:“下落的力”(即重力势能)可 以用“重量和(下落)高度的乘积来量度。”“与下落的力转变为运动或者运动转变为下落的力无关,这个力或机械效应始终是不变的常量。” 迈尔第一个在科学史中将热力学观点用于研究有机世界中的现象, 他考察了有机物的生命活动过程中的物理化学转变,确信“生命力”理 论是荒诞无稽的。他证明生命过程无所谓“生命力”,而是一种化学过 程,是由于吸收了氧和食物,转化为热。 ;2.2.3 能量转化与守恒定律的确立 1.迈尔的工作 1848 年迈尔发表了《天体力学》一书,书中解释陨石的发光是由于在大气中损失了动能。他还应用能量守恒原理解释了潮汐的涨落。 迈尔虽然第一个完整地提出了能量转化与守恒原理,但是在他的著 作发表的几年内,不仅没有得到人们的重视,反而受到了一些著名物理 学家的反对。 ; 图2－16 迈尔 ;;2.2.3 能量转化与守恒定律的确立 2.赫姆霍兹的研究 从多方面论证能量转化与守恒定律的是德国的海曼·赫姆霍兹。他 曾在著名的生理学家缪勒(Johannes Mu?ller)的实验室里工作过多年, 研究过“动物热。”他深信所有的生命现象都必得服从物理与化学规律。 他早年在数学上有过良好的训练,同时又很熟悉力学的成就,读过牛顿、 达朗贝尔、拉格朗日等人的著作,对拉格朗日的分析力学有深刻印象。 ;2.2.3 能量转化与守恒定律的确立 2.赫姆霍兹的研究 他认为如果自然界的“力”(即能量)是守恒的, 则所有的“力”都应和机械“力”具有相同的量纲,并可还原为机械“力”。 1847 年,26 岁的赫姆霍兹写成了著名论文《力的守恒》,充分论述了这 一命题1。这篇论文是 1847 年 7 月 23 日在柏林物理学会会议上的报告, 由于被认为是思辨性、缺乏实验研究成果的一般论文,没有在当时有国 际声望的《物理学年鉴》上发表,而是以小册子的形式单独印行的。 ;2.2.3 能量转化与守恒定律的确立 2