工程热力学-热力学发展简史.docx

科学思维的发展 自然科学溯源于古希腊，十五世纪时勃兴于欧洲，当时欧洲刚经历千年「黑暗时代」，文艺 复兴开始，而地中海沿岸贸易兴旺，为开拓市场需要，遂推动天文、地理、数学和力学的发 展而波兰人哥白尼(Nicolas Copernicus),在一五四三年提出「日心说」，其理论经伽利略(Galileo Galilei)、开普勒(Johann Kepler)的论证与发展，使西方的自然观，由笼统、模 糊的认识，进入到深入、细致的研究十六、十七世纪，英国人培根(Roger Bacon)大力 提倡「科学方法」，即通过实验、列表、比较、排除、归纳而逐步上升到公理，奠定了西方 科学严谨的研究方法和传统与培根同时代的法国人笛卡儿(Rene Descartes)，把整个自然界看作一架大机器，试图以机 械运动说明自然界的一切，并且主张要从错综复杂的事物中区别出最简单事物，然后予以有 秩序的研究他的《方法谈》标示了西方知识传统的「分析还原原理」，认为总体可以分解 为部分；复杂、非线性系统，也可以分解为简单线性系统来理解故奠定了追求简单性和线 性解的西方科学及人文思维基础英国人牛顿(Sir Issac Newton)在一六八六年提出《自然哲学的数学原理》巨著，创立了以「万有引力」及「运动三定律」为基础的古典力学。

他把整个自然界描述成一个秩序井然的 大机械钟，只要这个钟上紧发条，便能自动运转，但这机械论仍要请上帝做「第一推动」， 为这大钟上紧发条到十八世纪下半叶，由国家支持的科学机构已在欧美各国普遍建立，故 自然科学分门别类而迅速发展，十九世纪自然科学由分门别类的材料收集，进到对经验材料 的综合整理和理论概括在牛顿的古典力学基础上，热力学大师克劳修斯(Rudolf Julius Emmanuel Clausius) 在一 八六七年提出热力学第二定律，说明 一个孤立系统，总由有序而朝向均匀、简单、消灭差 别的无序方向发展，即「熵」(entropy)增加，从而得出「宇宙总体走向退化、死亡」的 结论热力学的基本定律热力学是专门探讨能量内涵、能量转换以及能量与物质间交互作用的科学，尤其专注在系统 与外在环境间能量的交互作用，是结合工程、物理与化学的一门学问早期物理中，把研究 热现象的部分称为热物理，后来称为热学，近代则称之为热力学，被许多理工相关科系列为 必修的基础课程许多工程科学都是由热力学所衍生的或与其有密切关联，例如热传学、流 体力学、材料科学等顾名思义，热力学和 「热」 有关，和「力」 也有关广义而言，热力学主要是研究有关 能量的科学，因此物质的特性也是其必须探讨的范围。

热力学的应用范围很广，主要包括： 引擎、涡轮机、压缩机、帮浦、发电机、推进器、燃烧系统、冷冻空调系统、能源替代系统、 生命支持系统及人工器官等热是一种传送中的能量物体的原子或分子透过随机运动，把能量由较热的物体传往较冷的 物体•热力学第零定律一一把两物体放在一绝热系统中，亦即在没有热量的进入及流出下，经 过一段时间后，两物体必达到温度相同的状态，也就是 热平衡 的状态热力学第一定律(能量守恒定律) 一一能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，只能从一 种形式转化成另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而总量保持不变•热力学第二定律(方向定律) 一一单向不可逆过程，亦即无法靠着环境的微小变化就能 反向的过程，就是在系统历经刺激，朝着熵增加的方向变化的过程熵是系统的状态函数， 亦即与系统的状态有关，而与如何到达此状态的过程无关，虽然在封闭系统内的某个部分的 熵也许会减少，但在系统另一部分的熵永远会增加相同的量或更多，因此整个系统的总熵绝 不减少，只会往最大的乱度方向进行•热力学第三定律 一一完美晶体在绝对零度时，其熵为零热力学的萌芽人类很早就对热有所认识，并加以应用，例如在相当早的年代，就知道加热岩石，再泼冷水 让它爆裂，从而制造出石头工具。

但是将热力学当成一门科学且定量地研究，则是由十七世 纪末开始，也就是在温度计制造技术成熟，并知道如何精密地测量温度以后，才真正开启了 热力学的研究十七世纪时伽利略曾利用气体膨胀的性质制造气体温度计，博伊尔(Robert Boyle)在一六 六二年发现在定温下，定量气体的压力与体积成反比；十八世纪，经由准确的实验建立了摄 氏及华氏温标，其标准目前我们仍在使用；一七八一年查理发现了在定压下气体体积会随着 温度改变的现象，但对于热本质的了解则要等到十九世纪以后焦耳自一八四三年起经过一连串的实验，证实了热是能量的另一种形式，并定出了热能与功 两种单位换算的比值，此一能量守恒定律被称为热力学第一定律，自此人类对于热的本质才 算了解一八五O年凯尔文(William Thompson Baron Kelvin)及克劳修斯(Rudolf Julius Emmanuel Clausius)说明热机输出的功一定少于输入的热能，称为热力学第二定律这 两条定律再加上能士特(Hermann Walter Nernst)在一九O六年所提出的热力学第三定律： 即在有限次数的操纵下无法达到绝对零度 ，构成了热力学的基本架构。

热学在十九世纪的 另外一个发展方向是一八五O年前后，由焦耳及克劳修斯所推广的气体动力论，这个理论把 热学的微观基础建立了起来综观而言，所谓热力学发展史，其实就是热力学与统计力学的发展史，基本上约可划分成四 个阶段，分别叙述如下：第一个阶段：十七世纪末到十九世纪中叶实质上是热学的早期史，开始于十七世纪末到十九世纪中叶，这个时期累积了大量的实验和 观察，并制造出蒸汽机，关于「热」的本质展开了研究和争论，为热力学理论的建立做了准 备在十九世纪前半叶首先出现的卡诺理论、热机理论(第二定律的前身)和热功相当互换 的原理(第一定律的基础)已经包含了热力学的基本思想，这一阶段的热力学还留在热力学的现象描述，并未引进任何数学算式温度计的发展一五九三年 ：意大利伽利略制造了第一支温度计， 以空气为测温物质，由玻璃泡内空气的 热胀冷缩来指示冷暖一六三二年：法国珍.雷（Jean Rey）,将伽利略的温度计倒转过来，并注入水，以水为测 温物质，利用水的热胀冷缩来表示温度高低，但管子是开口的，因而水会不断蒸发一六五七年 ：意大利佛罗伦萨的西门图科学院的院士，改用酒精为测温物质，并将玻璃管 的开口封闭，制造出除了避免酒精蒸发，也不受大气压力影响的温度计，同时选择了最高和 最低的温度固定点。

一六五九年：巴黎天文学家布利奥（Boulliau）把西门图院士传到法国的温度计充以水银， 而制造出第一支水银温度计一六六O年到一^ OO年期间：博伊尔和其助理虎克（Robert Hooke）,甚至牛顿本人均体 认到制定温标的重要性，虽然他们没有对温度计制定温标，但对温度计发展的贡献却是非常 重要的一七O二年：阿蒙顿（Guillaumel Amontons）仿伽利略的方法制出一个装有水银的U型且 与大气压力无关的气体温度计，与现今标准气体温度计相近一七一四年：荷兰气象学家华伦海特（Gabriel Danniel Fahrenheit）制作出第一批刻度可靠 的温度计（有水银的，也有酒精的）他选定三个温度固定点：（1）零度是冰水和氯化铵混 合物的温度，（2） 32度是冰水混合的温度，（3） 96度是人体的温度这就是华氏温标°F 一七二四年他测量水的沸点为 212 度，同时他还证明了沸点会随大气压力变化，现代人把 标准气压下水的冰点和沸点之间标以 180 刻度，就是华氏温标一七四二年：瑞典天文学家摄耳修斯（Anders Celsius）引进百分刻度法，他把水的沸点定 为零度，水的冰点定为100度，此即所谓摄氏温标，其同事斯特莫（Stromer）把这两温度 值倒过来即成为近代所用的摄氏温标，到此为止，温度计算是定型了。

热量概念的演进人们长久以来对温度和热量的概念混淆不清，多数人以为物体冷热的程度代表着物体所含热 的多寡首先德国斯塔尔（Georg Ernst Stahl）教授提出热是一种燃素，后来荷兰波哈维（Hermann Boerhaave）教授甚至说热是一种物质虽然热是一种物质的说法不正确，但波哈维教授把 华氏 40 度的冷水与同质量华氏 80 度的热水相混而得华氏 60 度的水，却隐约地得到热量 守恒的一个简单定则；不过对于不同质量，甚至不同物质的冷热物体的混合，他就难以解释 了另一类的人如虎克，认为热是物质各部分激烈的运动，牛顿也认为热是粒子的运动 一七 四O年左右，俄国圣彼得堡科学院院士克拉夫特(Baron Richard von Krafft-Ebing)提出冷水、 热水混合的公式一七五O年由德国移民到圣彼得堡的理奇蒙(Richmann)院士也做了一 系列热量测的研究，他将不同温度的水混合，研究热量的损失，并改进克拉夫特的公式此 公式虽不正确，但他却指出混合前后，热量要相等的概念插曲，理奇蒙在重复富兰克林 的实验时，不幸被闪电电死)一七五五年，兰勃特(Johann Heinrich Lambert)院士才将 热量与温度的概念加以区别和澄清。

真正对热量测量工作有巨大贡献的是英国化学教授布雷克(Joseph Black)，他不仅成功地澄 清了温度和热量这两个概念，同时提出相变时潜热的概念，并暗示出不同物质具有不同的「热 容量」而他的学生尔湾(W. Irvine)更是正确地提出热容量的概念一七七七年化学家拉瓦锡(Antoine Laurent Lavoisier)和拉普拉斯(Pierre Simon Marquisde Laplace)设计了一个所谓「拉普拉斯冰量热器」，可以正确测出热容量和潜热一七八四 年麦哲伦(Ferdinand Magellan)引进比热的术语，同一时期威尔克(Wilcke)提出若把水的 比热定为 1，则可以定出其它物质的比热， 但是在这段期间人们依然认为热是一种物质是 正确的一七八九年出生于美国后到英国又到德国而受封的伦福伯爵( Count Rumford) (原名 Benjamin Thompson)在慕尼黑兵工厂监督大炮钻孔，发现热是因摩擦而产生，因而断言， 热不是物质而是来自运动一七九九年英国化学家，即后来的首任皇家研究院院长戴维(Sir Humphry Davy)在维持冰 点的真空容器中进行摩擦的实验，发现即使是两块冰相互摩擦也有些冰熔化成水，所以他认 为摩擦引起物体微粒的振动，而这种振动就是热。

虽然有伦福和戴维教授极力否定热是一种物质说法，但是仍无法改变人们认为热是一种物质 的概念直到十九世纪中叶后，卡诺(Nicolas Leonard Sadi Carnot)死后50年其理论才被 人们重视，加上德国梅耶(Julius Bobert Mayer)医师和英国物理学家焦耳的努力才改变了 人们的观念，促使了第一定律和第二定律成熟地产生第二个阶段：十九世纪中到十九世纪七O年代末这个时期发展了热力学和分子运动论，这些理论的诞生与热功相当原理有关热功相当原理 奠定了热力学第一定律的基础，而第一定律和卡诺理论结合，又导致热力学第二定律的形成 热功相当原理跟微粒说结合则导致了分子运动论的建立，另一方面，以牛顿力学为基础的气 体动力论也开始发展，而在这段时期内人们并不了解热力学与气体动力论之间的关连，热力 学和分子运动论彼此还是隔绝的能量守恒与功能互换一一著名的卡诺循环卡诺(Nicolas Leonard Sadi Carnot，1796.6.1-1832.8.24)是法国拿破仑时代末期人，享年 36 岁他自小矢志科学，进理工科学校，再进工兵科一八一九年，卡诺退伍，专心研究科学 及艺术，一八三二年他先罹患猩红热，又得了脑膜炎，最后死于霍乱，因此所有研究数据几 乎都被烧毁了。

卡诺是以「卡诺循环」留名于。