第四章热力学和统计物理学的发展教学目的和要求：掌握：几种温标的建立；热力学三定律的发现过程及内容；在分子运动论的建立中，克劳修斯作出的贡献；麦克斯韦、玻尔兹曼对统计力学的建立作出的贡献。熟悉：计温学与量热学的发展；关于热的本质的学说的发展；了解：气体运动定律；了解克劳修斯是如何得到熵概念和熵增加原理的；教学重点，难点：几种温标的建立；热力学三定律的发现过程及内容；在分子运动论的建立中，克劳修斯作出的贡献；麦克斯韦、玻尔兹曼对统计力学的建立作出的贡献教学内容：§1.热学现象的初期研究一蒸汽机的发明1690年巴本（FrnidPapin,1647-1712,法国，惠更斯助手）首先制成带有活塞和汽缸的实验性蒸汽机；1698年，托马斯•萨维里（ThomasSavery,1650-1715,英国军事工程师)制成一具蒸汽水泵；1705年，托马斯•纽可门（ThomasNewcomen,1663-1729,英国铁匠)在萨维里和巴本的基础上，研制了一个带有活塞的封闭的圆筒汽缸，活塞通过一杠杆和一排水泵相连。是一个广义的把热转变为机械力的原动机，是蒸汽机最早的雏形。并真正有效地应用于矿井排水。但活塞的每次下降都必须将整个汽缸和活塞同时冷却，热量的损失太大。1769年，詹姆斯•瓦特（JamesWatt,1736-1819,法国，格拉斯哥大学仪器维修工）改进了纽可门机，把冷凝过程从汽缸内分离出来，即在汽缸外单独加一个冷凝器而使汽缸始终保持在高温状态。1782年，又制造出了使高压蒸汽轮流的从两端进入汽缸，推动活塞往返运动的蒸汽机，使机器运作由断续变连续，从而蒸汽机的使用价值大大提高，导致了欧洲的工业革命。1785年，热机被应用于纺织；1807年，热机被美国人富尔顿应用于轮船；1825年被用于火车和铁路。二计温学的发展（一）温度计的设计与制造1603年，伽利略制成最早的验温计：一只颈部极细的玻璃长颈瓶，倒置于盛水容器中，瓶中装有一半带颜色的水。随温度变化，瓶中空气膨胀或收缩。1631年，法国化学家詹•雷伊（JeanRey,1582-1630)把伽利略的细长颈瓶倒了过来，直接用水的体积的变化来表示冷热程度，但管口未密封，水不断蒸发，误差也较大。1650年，意大利费迪男二世（G.D.FerdinandⅡ)用蜡封住管口，在瓶内装上红色的酒精，并在玻璃瓶细长颈上刻上刻度，制成现代形式的第一支温度计。1659年法国天文学家伊斯梅尔•博里奥（IsmaelBuolliau)制造了第一支用水银作为测温物质的温度计。（二）测温物质的选择和标准点的确定德国的格里凯（Guericke)曾提出以马德堡地区的初冬和盛夏的温度为定点温度；佛罗伦萨的院士们选择了雪或冰的温度为一个定点，牛或鹿的体温为另一个定点；1665年，惠更斯建议把水的凝固温度和沸腾温度作为两个固定点；1703年，牛顿把雪的熔点定为自己制作的亚麻子油温度计的零度，把人体温度作为12度等等。华伦海特（GabrielDanileFahrenheit，1686-1736，德国玻璃工人，迁居荷兰）制造了第一支实用温度计：他把冰、水、氨水和盐的混合物平衡温度定为00F，冰的熔点定为320F，人体的温度为960F，1724年，他又把水的沸点定为2120F。后来称其为华氏温标。列奥米尔（Reaumur,1683-1757,法国）以酒精和1/5的水的混合物作为测温物质，1730年制作的酒精温度计，取水的冰点为00R，水的沸点为800R，在两个固定点中间分成80等分，称为列氏温标。摄尔修斯（AndersCelsius,1701-1744,瑞典天文学家），用水银作为测温物质，以水的沸点为00C冰的熔点为1000C，中间100个等分。8年后接受了同事施特默尔（M.Stromer）的建议，把两个定点值对调过来。称为摄氏温标。至1779年全世界共有温标19种。热力学温标：开尔文注意到：既然卡诺热机与工作物质无关，那么我们就可以确定一种温标，使它不依赖于任何物质，这种温标比根据气体定律建立的温标更具有优越性。据此，1854年，开尔文提出开氏温标，T=272.3+t。又称热力学温标，它与测温物质的性质无关，即任何测温物质按这种温标定出的温度数值都是一样的。1954年国际计量大会决定将水的三相点的热力学温度定为273.16K，即热力学温度的单位—开尔文（K）就是水三相点热力学温度的1/273.16三量热学的建立1.不同物质放热能力不同的发现：17世纪，意大利的科学家在实验中发现，在同一温度下具有相同重量的不同液体分别与冰混合时，冰被融化的数量是不同的，这表明不同物质的放热能力是不同的。有人认为这种能力可能与物质密度有关，密度越大，吸热和放热的能力越大。华伦海特通过实验发现：