物理学史----热力学发展史概要

• 物理学史----热力学与统计力学发展史

• 热学的建立

  • 温度计与温标
    • 1603年，伽利略制成最早的验温计
    • 华伦海特(Gabriel Danile Fahrenheit，1686-1736，德国玻璃工人，迁居荷兰)制造了第一支实用温度计
    • 荷兰的马森布罗克(Musschenbrock)在1747年利用金属杆的热胀冷缩性质制造了金属温度计
    • 19世纪50年代，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
  • 潜热的发现
    • 1757年英国化学家布莱克(Joseph Black)
      • 在冰溶解实验中观察到。他将这种不表现为温度升高的热叫做"潜热"
  • 热的本质
    • 热是运动的表现
    • 热质说：热是一种看不见无质量的物质
      • 1799年，英国化学家戴维作了在真空容器中两块冰摩擦而融化的实验。按热质说观点，热量来自摩擦挤出的潜热而使系统的比热变小，但实际上水的比热比冰的还要大。有力得否定了热质说

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• 热力学第一定律的建立
  • 能量转换
    • 热能和机械能
    • 热和电
      • 1821年德国物理学家塞贝克实现了热向电的转化----温差电
    • 电和磁
      • 1820年奥斯特：电流的磁效应
      • 1831年法拉第：电磁感应现象
    • 电能和化学能
      • 1800年伏打：伏打电堆；利用伏打电流进行电解
    • 热能与化学能
      • ......
  • 确立能量转化与守恒定律
    • 罗伯特•迈尔 德国
    • 海尔曼•亥姆霍兹 德国
    • 焦耳 英国
      • 热功当量的测定

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• 热力学第二定律的建立
  • 卡诺 法国 热机理论
    • 任何实际热机的效率都不可能大于在同样两热源之间工作的卡诺热机的效率
  • 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
  • 克劳修斯表述：热量不可能自发的从低温物体传到高温物体而不发生其他任何变化。
  • 熵：
    • 1854年，克劳修斯指出：虽然热机在循环过程中Q1≠Q2，但热量Q与热源温度T之比值是一定的
    • 1865年，克劳修斯指出："对于任何一个封闭系统...在一个循环过程中出现的所有熵的代数和，必须为正或在极限情况下等于零。（熵增加原理）
    • 1877年，玻尔兹曼指出：熵是分子无序的量度，熵与无序度W之间的关系式为：S=klnW。

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• 低温物理学
  • 临界温度
  • 焦耳-汤姆逊效应
    • 1875-1880年间，德国工程师林德利用焦汤效应，制成了气体压缩式制冷机。
    • 1898年，英国杜瓦实现了氢的液化
    • 1908年，荷兰物理学家昂乃斯实现了氦的液化
  • 超导电性的发现
    • 1911年，昂内斯等发现当温度降到一定值时，汞、铅、锡等金属的电阻会突然降到10-9Ω以下
  • 超流性的发现
    • 1938年，苏联的卡皮查和英国的阿伦和迈申纳分别同时发现液氦在2.2K以下，可以无摩擦地经窄管流出
  • 绝热去磁冷却法
    • 1926-1933年加拿大青年物理学家吉奥克等先后独立的发现了这一方法并利用这一方法将温度降到0.25K和0.13K。

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• 绝对零度

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• 分子运动论
• 克劳修斯的理想气体分子模型
  • 气体分子的平均自由程
  • 影响系统宏观性质的是大量分子运动的平均效果
• 范德瓦尔斯方程的建立

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• 统计物理学的建立

• 麦克斯韦

  • 1860年，麦克斯韦发表了《气体动力论的说明》，第一次用概率的思想，建立了麦克斯韦分子速度分布律

• 玻尔兹曼

  • 在麦氏速度分布律的基础上，第一次考虑了重力对分子运动的影响，建立了更全面的玻尔兹曼分布律
  • 玻尔兹曼熵公式

• 吉布斯

  • 1902年美国第一位理论物理学家吉布斯出版了《统计力学的基本理论》，建立了完整的"系综理论"
    • 相密度守恒原理
    • 正则系综
    • 微正则系综
    • 巨正则系综

• 量子统计

  • 1900年，普朗克提出了"能量子"概念
  • 1924年，印度物理学家玻色发现了光子所服从的统计法则
  • 1924-1925年，奥地利的泡利提出不相容原理

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• 物态
  • 液晶态
  • 等离子态
  • 超导态
  • 超流态
  • 中子态