热力学第一定律的建立-济南大学物理学院.PPT

热力学统计物理发展史 1.热学现象的研究 2 . 统计物理学的建立 1603年，伽利制成最早的验温度计： 总之，到了19世纪40年代前后，欧洲科学界已经普遍蕴含着一种思想气氛，以一种联系的观点去观察自然现象。正是在这种情况下，以西欧为中心，从事七八种专业的十多位科学家，分别通过不同途径，各自独立的发现了能量守恒原理。 贡献最为突出的有三位科学家，他们是：德国的医生迈尔，英国的实验物理学家焦耳,德国的生物学家、物理学家亥姆霍兹。 2.海尔曼?亥姆霍兹(Hermann Helmholtz,1821-1894) 1821年8月31日生于德国波茨坦，1838年考入柏林雷德里克?威廉皇家医学院，以优异成绩于1842年毕业，担任了军医，并开始进行物理学研究。1847年，在不了解迈尔等人工作的情况下，提出了能量守恒和转化定律。1855年最早测量了神经脉动速率，把物理方法应用于神经系统的研究，由此被称为生物物理学的鼻祖。1871年起，在柏林大学任物理学教授，培养了一大批优秀人才。赫兹、普朗克等人都是他的学生。 焦尔测量热功当量的一种实验装置 --------浆叶实验 1851年，开尔文在总结这些及其它一些实验经验的基础上提出了热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其他影响。 因此他根据热传导总是从高温热源传向低温物体，而不可能自发的逆转这一事实，于1850年提出了热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不可能自动的从低温物体传到高温物体而不发生其他任何变化。 麦克斯韦指出：在一定的宏观平衡条件下，处于各种不同速度范围内的分子数呈现出某种规律性的分布。因此如果知道任意时刻分子速度的分布规律，气体的大部分宏观性质都可以严格地运用统计的方法精确的计算出来。因此导出速度分布律是麦克斯韦运动理论的核心。 经过推导，得到著名的麦克斯韦速度分布律为： 图2－47 吉布斯著作的封面 量子统计的建立 1900年，普朗克提出了“能量子”概念，修改了能量连续的概念；1925-1926年又建立起研究微观粒子运动的量子力学理论，发展起了量子统计法。这种新的统计方法，以间断性的量子态代替经典物理中连续态的概念；并且由于相同粒子的全同性，相同粒子的交换并不产生新的量子态，于是就产生了两种量子统计法：玻色统计法和费米统计法。 1924年，印度物理学家玻色（S.N.Bose)发现了光子所服从的统计法则。爱因斯坦把它推广为自旋是整数的所有微观粒子所遵从的统计法则，即玻色-爱因斯坦统计法。其特点是可以有不止一个的粒子据有同一个量子态。 1924-1925年，奥地利的泡利提出不相容原理。1926年意大利的费米（E.Fermi)和英国的狄拉克（P.A.M.Dirac)各自独立的发现了自旋为半整数的微观粒子所服从的统计法则，即费米-狄拉克统计法。其特点是：不能有一个以上的粒子据有同一个量子态。从此量子统计物理学迅速建立起来。 热 力 学 第 二 定 律 的 建 立 1824年，卡诺出版了《关于火的动力思考》，总结了他早期的研究成果。他给自己提出的实际任务是：阐明热机工作的原理，找出热机不完善的原因，以提高热机的效率。 热力学第二定律的建立 但由于他的过早病逝（1832），使他未能继续热机的研究。 克劳修斯的贡献： 克劳修斯同样发现了卡诺的失误，因为热机从高温热源得到的热量Q1不等于热机传给低温热源的热量Q2。 熵的概念 熵增加原理 克劳修斯像 熵增加原理揭示了自然过程的不可逆性，或者说运动的转化对于时间、方向的不对称性。 自然系统中发生的一切自然过程总是沿着熵增加的方向进行。 1.克劳修斯明确引进了统计概念：他指出，单个分子的碰撞是由大量不同条件、错综复杂的因素的组合决定的，要精确确定每个分子的详尽过程是不可能的，也是无意义的；因为影响系统宏观性质的是大量分子运动的平均效果。 2. 说明了气体的压强与气体的分子数密度n以及分子的运动速度v的关系：p=nmv2/3 1857年发表《论热运动的类型》的文章，以十分明晰和信服的推理，建立了理想气体分子模型和压强公式，引入了平均自由程的概念。 1803年，英国化学家道尔顿(John Dalton,1766-1844)认为一切化学元素都是由不可分割的原子组成的；各种元素的原子以简单整数的比例相结合而形成各种化合物的原子。道尔顿把不同原子组成的分子称为“复杂原子” 克劳修斯的理想气体分子模型 分 子 运 动