新概念物理教程（热学）.pdf

第一章 热学基本概念和物质聚集态 我国古代传说，燧人氏钻木取火以化腥臊，奉为千古圣皇；古希腊神话， 普罗米修斯（Prometheus ）盗天火开罪于主神而泽惠天下，崇为世间英雄。 在古代各民族的语言里，“火”与“热”几乎是同义语。热学这一门科学起源 于人类对于热与冷现象本质的追求。由于史前人类已经发明了火，我们可以 想象到，追求热与冷现象本质的企图可能是人类最初对自然界法则的追求之 一。 热学中最核心的概念是“温度”，另一重要概念是“热量”。在科学史上 长期以来这些基本概念是混淆不清的，“但是一经辨别清楚，就使得科学得到 1 飞速的发展。”（爱因斯坦语）。的确，这些概念都是相当深刻的，在本课里 也不能一下子把问题说透彻。我们先对它们作些初步的介绍和分析，随着课 程的进展，读者将会对这些概念有逐步深入的理解。 1 ① 爱因斯坦，英费尔德．物理学的进化．上海：上海科技出版社．1962．24 §1．温度 1．1 温度计和温标 朴素的温度概念来自于日常生活，冷热的感觉靠身体触摸。南北朝贾思 勰的《齐民要术》中谈：制酪的温度要“小暖于人体”，作豉则“令温如腋下 为佳”，即人们自身的体温是衡量温度的标准。这种方法当然很不可靠，例如 数九寒天在室外用手触摸铁器和木柄，则感前者比后者冷，其实二者的温度 一样，感觉的不同是导热性能的差异造成的。测温需要有客观的手段。 除化学成分外，在物理方面影响物质性能的因素，恐怕莫过于温度了。 热胀冷缩，蒸腾凝聚，乃至电阻的增减，焰色的变化，任何一种与温度有关 的物理效应，原则上都可用来作为测温的手段。古人睹瓶水之冰释而识天下 之寒暑，观炉火之纯青乃知金汁之可铸，可以说是客观测温方法的萌芽。 现在较公认的看法认为，温度计的发明者是伽利略。他取细长玻璃管一 根，一端连有玻璃泡，另一端开口，倒插于盛有着色水的容器中（见图1－1）， 由管中水柱的升降来表示“热度”（那时还没有温度的概念）。伽利略的装置 （1659 年）没有刻度，且与气压变化有关，很不精确，只能称做验温器，说 不上是温度计。伽利略之后约180 年内，经众多人的努力，出现了愈来愈完 善的温度计，并创立了几种温标。建立一种温标（temperature scale ）需要三 个要素：测温物质、测温属性和固定标准点。一般说来此三要素都与物质的 选择有关，故称经验温标。仅就固定标准点而言，早年建立而目前还在使用 的温标有： （1）华氏温标 单位是“华氏度”，记作°F ，是从德国迁居荷兰的华伦海特 （G．D ．Fahrenheit ）1714 年建立的。他起初把盐水混合物的冰点定为0 度， 把人体的正常温度定为96 度，后来又添了两个固定点，把无盐的冰水混合物 的温度定为32 度，把大气压下水的沸点定为212 度。现今使用的华氏温标只 保留后二者为标准点，在这样规定的温标里，人体正常温度较准确的数值是 98.6 °F ．目前只有英美在工程界和日常生活中还保留华氏温标，除此之外较 少有人使用了。 （2 ）摄氏温标 单位是“摄氏度”，记作℃，是瑞典天文学家摄尔修斯（A ．Celsius）1742 年建立的。他原来把水的冰点定为100 度，沸点定为0 度，这很不合人们的 习惯。他的同事斯特雷默（M ．Strömer ）建议倒过来，把水的冰点定为0 度， ① 沸点定为100 度，这便是现在使用的摄氏温标。摄氏温标目前在生活中和科 技中使用得最普遍。国际单位制（SI ）所规定的热力学温标中温度的单位为 “开尔文”。现摄氏度已按热力学温标重新定义得与开尔文一致了（详见第四 章2 ．1 节）。 最初的温度计以酒精或水银为测温物质，选它们的热膨胀作为测温属性。 水银温度计仍是目前在常温下最常使用的温度计。以气体为测温物质的温度 计有两种：定体气体温度计（以压强为测温属性）和定压气体温度计（以体 积为测温属性）。此外，金属的电阻温度计和温差电偶温度计适用于从低到高 很宽的温度范围，在科学技术中有着广泛的应用。 设某经验温标所用的物质测温属性为 X ，它在摄氏温标的固定点0℃和 100℃下的数值分别为X0 和X100 ，在某个其它温度t 下其读数为