熱學基本定律的形成探究

照日格圖

（呼和浩特民族學院 數(shù)學系，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

熱力學是熱學理論的一個方面.熱力學主要是從能量轉(zhuǎn)化的觀點來研究物質(zhì)的熱性質(zhì)，它揭示了能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式時遵從的宏觀規(guī)律.熱力學是總結(jié)物質(zhì)的宏觀現(xiàn)象而得到的熱學理論，不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和微觀粒子的相互作用.因此它是一種唯象的宏觀理論，具有高度的可靠性和普遍性.熱力學三定律是熱力學的基本理論.

1 熱力學第一定律

1.1 熱力學第一定律概述

能量守恒與轉(zhuǎn)換定律是自然界最普遍、最基本的規(guī)律之一.自然界中的一切物質(zhì)都具有能力，能量有各種不同的形式，這種不同形式的能量都可以轉(zhuǎn)移（從一個物體傳遞到另一個物體），也可以相互轉(zhuǎn)換 (從一種能量形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N能量形式)，但在轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)換過程中，它們的總量保持不變.這一規(guī)律成為能量守恒與轉(zhuǎn)換定律.能量守恒與轉(zhuǎn)換定律應用在熱力學中，或者說應用在伴有熱效應的各種過程中，便是熱力學第一定律.熱力學第一定律是人類在實踐中積累的經(jīng)驗總結(jié)，它的發(fā)現(xiàn)和建立，打破了人們企圖制造一種可以不消耗能量而能連續(xù)做功的永動機.因此，熱力學第一定律也可以表述為：第一類永動機是造不出來的[1].

其基本公式可以表述為公式（1），它表明向系統(tǒng)輸入的熱量Q，等于質(zhì)量為m的流體流經(jīng)系統(tǒng)前后焓H的增量、動能v的增量以及系統(tǒng)向外界輸出的機械功W之和.

1.2 熱力學第一定律形成史

1.2.1 羅伯特·邁爾

熱力學第一定律與能量守恒定律有著極其密切的關(guān)系.德國物理學家、醫(yī)生邁爾發(fā)現(xiàn)體力和體熱來源于食物中所含的化學能，提出如果動物體能的輸入同支出是平衡的，所有這些形式的能在量上就必定守恒.他由此受到啟發(fā)，去探索熱和機械功的關(guān)系.1842年他發(fā)表了《論無機性質(zhì)的力》的論文，表述了物理、化學過程中各種力（能）的轉(zhuǎn)化和守恒的思想.邁爾是歷史上第一個提出能量守恒定律并計算出熱功當量的人.

1.2.2 焦耳

英國科學家焦耳(J.P.Joule，1818-1889)關(guān)于熱功當量的測定，為最終確立熱力學第一定律奠定了堅實的實驗基礎.1850年，焦耳在他的《論熱功當量》的論文中，已經(jīng)將熱功當量值總結(jié)為：以水做實驗為773石4磅/卡(424千克米/千卡)，以水銀作實驗為776.30磅/卡(425.77千克米/千卡)，后來又經(jīng)過一系列極為精確的實驗，焦耳又將J值確定為423.85千克米/千卡(4.153焦耳/卡)，這已和現(xiàn)代精確實驗極為接近了.他和邁爾分別從不同的方面和不同的途徑達到了對能量轉(zhuǎn)化與守恒的證明.

1.2.3 亥姆霍茲

德國物理學家亥姆霍茲從多方面論證了能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，其中最主要的是從否定永動機的存在這一途徑來完成的.1842年，他在關(guān)于《力的守恒》的論文中，就論述了他的能量轉(zhuǎn)化與守恒的基本思想，論證了“活力”與“張力”之和是一個常數(shù)，稱之為“力的守恒原理”，并把這種“力”的保守性同永動機之不可能聯(lián)系起來.他的這一工作從理論上對能量守恒原理作出了重要概括.

2 熱力學第二定律

2.1 熱力學第二定律概述

熱力學第二定律有兩種表述，第一種是“不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起其它變化”，另一種為“不可能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓奔吹诙愑绖訖C是造不出來的[2].

其基本公式可以表述為公式（2），式中，對不可逆過程應取用不等號，δQ指系統(tǒng)實際過程熱，T指環(huán)境溫度，對可逆過程應取用等號，δQ指可逆過程熱，T為系統(tǒng)溫度.

2.2 熱力學第二定律形成史

十八、十九世紀，由于科學技術(shù)迅猛發(fā)展，蒸氣機在英國煤礦業(yè)得到了普遍的使用，這同時給物理學家提出了許多急待解決的理論問題，比如：熱現(xiàn)象的產(chǎn)生原理、提高熱機效率的方法、熱機效率上限的存在與否、永動機的存在與否等等.

正式提出熱力學第二定律的是英國物理學家湯姆遜·開爾文(WilliamThomson，1524-1907)和德國物理學家克勞修斯在研究熱現(xiàn)象的過程中，發(fā)現(xiàn)按能量守恒與轉(zhuǎn)化定律，于是開爾文提出了“不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓?，而不產(chǎn)生其它影響”.

而克勞修斯在提出熱力學第二定律的表述后，于1854年發(fā)表了題為“論熱的機械理論的第二定律的變化了的形式”論文，文中對熱力學第二定律又作了補充.至此，經(jīng)過眾多物理學家的努力，熱力學第二定律才完整地建立起來.

3 熱力學第三定律

3.1 熱力學第三定律概述

20世紀初，人們通過對低溫下熱力學現(xiàn)象的研究，確定了物質(zhì)熵值的零點，逐步建立起了熱力學第三定律，進而提出了規(guī)定“熵”的概念，為解決一系列的熱力學問題提供了極大的方便.熱力學第三定律可以準確簡潔地表述為：0K時，任何完美晶體的熵值為0.也可以表達為，絕對零度不能達到[3].

其公式可以按照公式（3）來表示，說明ΔG和ΔH隨著T變化，而當T趨向于0時，ΔG和ΔH近似相等.

3.2 熱力學第三定律形成史

3.2.1 T·W·Richards

1902年，T·W·Richards研究了低溫下電池反應的△G、△H與溫度的關(guān)系，得出這樣一個結(jié)論：當溫度降低時，△G、△H逐漸趨于相等.Richards的研究為熱力學第三定律的提出提供了必要的理論和實驗基礎.

3.2.2 普朗克

1912年，德國人普朗克在能斯特的熱定理基礎上，進一步假設：0K時，純凝聚體系的熵值為零[4].3.2.3 路易斯和蘭德爾

1920年，Lewis和Gibson發(fā)現(xiàn)指出普朗克的假設S(0k)=0只適用于完美晶體.因為0K時一些物質(zhì)可能有多種晶體形態(tài)，但其中只有完美晶體熵可能為零.普朗克、路易斯和蘭德爾對普朗克假設作了修正，得出如下說法：如果溫度為0k的每一種元素處于結(jié)晶狀態(tài)的熵值都為零，則一切物質(zhì)的熵值都具有一定的正值，但溫度為0k時其熵值可變?yōu)榱悖瑢τ谕昝谰w來說確實如此.

至此，人們就建立起了比較完整、準確的熱力學第三定律.

4 結(jié)語

熱力學三個定律是無數(shù)經(jīng)驗的總結(jié)，至今尚未發(fā)現(xiàn)熱力學理論與事實不符合的情形，因此它們具有高度的可靠性.熱力學理論對一切物質(zhì)系統(tǒng)都適用，具有普遍性的優(yōu)點.這些理論是根據(jù)宏觀現(xiàn)象得出的，因此稱為宏觀理論，也叫唯象理論.

熱力學是熱學理論的一個方面.熱力學主要是從能量轉(zhuǎn)化的觀點來研究物質(zhì)的熱性質(zhì)，它揭示了能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式時遵從的宏觀規(guī)律.熱力學基本定律是人類在長期生產(chǎn)經(jīng)驗和科學實驗的基礎上總結(jié)出來的，他們雖不能用其他理論方法加以證明，但由它們出發(fā)得出的熱力學關(guān)系及結(jié)論都與事實或經(jīng)驗相符，這有力地說明了熱力學定律的正確性.縱觀熱力學定律的發(fā)展史，科學是一個集觀察、思考、實驗、總結(jié)、學習、于一體的事物，只有以謹慎的態(tài)度對待它，才會迎來科學事業(yè)的飛躍.

〔1〕魏蔚,吳建琴,馬曉棟.關(guān)于熱力學第一定律的講述 [J].新疆師范大學學報 (自然科學版),2011（04）:59-62.

〔2〕李復,高炳坤.熱力學第二定律理論體系的討論[J].大學物理,2000（04）:19-22.

〔3〕祁學永,畢言鋒.淺談熱力學第三定律的建立和規(guī)定熵的求算[J].山東教育學院學報,2003（06）:97-98+102.

〔4〕劉美希,詹業(yè)宏,王小涓.量子論與熱力學第三定律的發(fā)展[J].廣東工業(yè)大學學報,2001（02）:93-97.

〔5〕何宗強.對熱力學基本定律的論證[J].長沙水電師院學報(自然科學版),1986（02）:95-96.