工程热力学热力学发展简史.docx
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工程热力学热力学发展简史
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（NicolasCopernicus），在一五四三年提出「日心说」，其理论经伽利略（GalileoGalilei）、开普勒（JohannKepler）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（RogerBacon）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（ReneDescartes），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（SirIssacNewton）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（RudolfJuliusEmmanuelClausius）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──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）──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）──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──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（RobertBoyle）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○年凯尔文（WilliamThompsonBaronKelvin）及克劳修斯（RudolfJuliusEmmanuelClausius）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（HermannWalterNernst）在一九○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○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（JeanRey），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○年到一七○○年期间：
博伊尔和其助理虎克（RobertHooke），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○二年：
阿蒙顿（GuillaumelAmontons）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（GabrielDannielFahrenheit）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℉。
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（AndersCelsius）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（GeorgErnstStahl）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○年左右，俄国圣彼得堡科学院院士克拉夫特（BaronRichardvonKrafft-Ebing）提出冷水、热水混合的公式。
一七五○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（JohannHeinrichLambert）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（JosephBlack），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（AntoineLaurentLavoisier）和拉普拉斯（PierreSimonMarquisdeLaplace）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（FerdinandMagellan）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（CountRumford）（原名BenjaminThompson）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（SirHumphryDavy）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（NicolasLeonardSadiCarnot）死后50年其理论才被人们重视，加上德国梅耶（JuliusBobertMayer）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○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──著名的卡诺循环
卡诺（NicolasLeonardSadiCarnot，1796.6.1-1832.8.24）是法国拿破仑时代末期人，享年岁。
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」留名于科学史的，这件事在一八二四年出版的《关于火的动力考察》里面有详细的说明。
开始时，卡诺研究促进蒸汽机发展所需要的理论，他的理论基础是「热素的保存」和「永动机械不可能」这两个原理，他指出热从高温物体移到低温物体时才会产生动力，并认为最理想的机械应该具备：
由带着活塞的汽缸里面的气体所产生的等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩等四种循环过程（又称卡诺循环）。
关于这个过程和相反过程合并的系统，他用永动机械不可能的原理证明了「在理想的机械，由于同量热素的移动会产生同量的工作，而其量只由温度决定」，这个「卡诺定律」成为热力学的基础。
在这些研究的备忘录中，卡诺放弃热素说，转为热的运动说，几乎到达「能量守恒定律」。
但可能因为他不属于物理学家集团，故直到一八三四年，其研究才由克莱培伦（BenoitPierreEmileClapeyron）介绍于世。
十年后，英国的凯尔文（WilliamThompsonBaronKelvin）利用他的研究提倡绝对温度的观念。
接着由克劳修斯完成了热力学的基础。
其弟在卡诺死后46年（即一八七八年）将其部分手稿交给法国科学院，这些数据显示他还计算了热功当量的数值，约每千卡365kgw．m（凯尔文计算的数值每卡约为3.577焦耳，与现今用的数值每卡4.187焦耳，误差约14.6％）。
卡诺明白指出热不是一种物质而是一种能量的形式，虽然他是最早有热力学能量守恒概念的人，但由于晚了近五十年，其间又有梅耶（JuliusRobertMayer,1814-1878）和焦耳提出功能互换的原理，故一般都不把卡诺视为能量守恒定律的创始人，况且在一八七八年时，第一定律和第二定律皆已完成了。
梅耶是德国的医生，但对行医兴趣不大，他没有实验设备，更没有从当代物理学家取得任何帮助，是一个独立的研究工作者。
一八四○年左右，他的第一篇论文寄给德国物理年鉴，文中提出能量守恒和转换的概念，认为运动、热、电等都可以归结为一种力的现象，它们有一定的规律转换，但此论文被退回未能发表。
一八四二年他不死心又投稿到化学和药学年鉴上，除了重述能量守恒的概念，并提出热可以作功，功也可以产生热的能量等价观念，并根据比热实验推出热功当量为1千卡约为365kgw．m，此文也未受重视。
于是在一八四五年他自费印发了第三篇论文，且明确指出，热功当量即是气体在等压膨胀过程中所作的功，其值等于定压下所吸收的热量与定容下所吸收的热量之差，后来称为梅耶公式。
焦耳奠定热力学基础
英国物理学家焦耳奠定了「能量守恒定律」，为热力学的发展确立基础，同时，其理论亦造就了冷冻系统的发展，改善了普罗大众的生活素质。
焦耳花了将近四十年的时间来证明功转换成热时，功和所产生热的比是一个恒定的值，即热功当量。
他是第一位研究热能、机械能与电能的相互关系的科学家，也是第一位发现气体自由膨胀时四周温度会随之下降的科学家。
焦耳在一八一八年出生于英国曼彻斯特一个酿酒厂家庭，自小体弱，虽然没有上过小学，但他极为好学，在家自学化学及物理学，十六岁上剑桥大学与著名的英国化学家道耳吞（JohnDalton）学习，在完成教育后，回到家中即开始建立专属的实验室，并进行独立的研究。
在一八四○年发表的论文中，他率先把热能与其它能量连上关系，指出电流所生的热，跟电阻和电流平方的乘积成正比，这称为「焦耳效应」。
一八五二年，他又发现气体迅速自由膨胀时，温度会下降，这效应被后人广泛用以建立冷冻系统，促成了日后冷气机与电冰箱的发明。
焦耳最为人称颂的成就是：
能量的测定与各种能量间相互转换关系的研究。
他最初的研究兴趣是电学，制造了许多不同形式的发电机，希望能改善发电机的效率，由于这项企图，他开始思索电能、热能与机械能间的转换关系。
一八四八年，他透过实验证明，当物体所含的力学能转换为热能时，整体能量会保持不变，能的形式可以互相转变，但是总能量永远不变。
在这个基础上逐渐发展出「能量守恒定律」，这是物理学的基本定律之一，焦耳可说是主要的贡献者。
他从一八四三年发表了一系列论文描述如何测热功当量，在一八七八年得到当量值为每千卡423.85kgw．m，可换算得每卡
4.154焦耳，此值与现今的标准值误差在1％之内。
与焦耳同时期的德国著名数学和物理学家赫姆霍滋（Helmholtz）也对能量守恒和转换定律有重要贡献，他亦将能量形式及守恒的概念做了一些整合。
第一定律的形成
因为功能互换及能量守恒的概念在一八四五年左右已形成，故第一定律的数学式也呼之欲出。
克劳修斯（RudolfJuliusEmmanuelClausius）是第一位把热力学第一定律用数学形式表达出来的人，接着又提出热力学第二定律，一八五四年首次引入「熵」的概念，一八六五年发现「熵增加原理」，一八五一年第一次运用统计概念导出气体的压力公式，一八五八年又引进自由程概念，导出了平均自由程公式，一八七九年获英国皇家学会的科普利奖。
卡诺的热机理论与第二定律的发现
热力学第二定律的发现与提高热机效率的研究有密切的关系。
蒸汽机在十八世纪就已发明了，一七六五和一七八二年瓦特（JamesWatt,1736-1819）两次改进蒸汽机的设计，但效率不高。
一八二四年，二十四岁的卡诺发表著名的卡诺定理，对于第二定律的热机理论有重要影响，此论文提出可逆的理想引擎，及所谓的「卡诺循环」，得知理想引擎效率取决于热质在转移时与两个温度的差有关，同时推论出永动机械是不可能实现的，并证明卡诺循环是具有最大效率的循环。
一八五○年克劳修斯在揭示第一定律的论文中，他也以能量守恒和转换的观点重新验证了卡诺定理，而提出第二定律。
在其一八五四年的论文中提到「如果没有外界作功，热永远不能由冷的物体传向热的物体」，到了一八六五年第二定律概念更加成熟，熵的概念被克劳修斯提出，而写出另一种形式的第二定律，即在所有可逆循环过程中，热能变化对温度的商的积分值为零。
第三个阶段：
十九世纪七○年末到二十世纪初
这个时期内，波兹曼（LudwigEdwardBoltzmann）结合热力学与分子动力学的理论，而导致统计热力学的诞生，同时他也提出非平衡态的理论基础，至二十世纪初吉布斯（J.Willard
Gibbs）提出系统理论建立了统计力学。
热力学之父──威廉?
汤姆逊（凯尔文勋爵）有人说，上帝要给人类科学，于是「牛顿」走上了历史的舞台；又有人说，上帝要给人类工程，于是来了「凯尔文」，从此产生了电机工程、资讯工程与机械工程。
凯尔文又称为「热力学之父」，一八二四年生于北爱尔兰，父亲詹姆士是贝尔法斯特皇家学院的数学教授。
威廉?
汤姆逊（WilliamThomson；授勋时改名为凯尔文BaronKelvin）一家在威廉八岁时迁往苏格兰的格拉斯哥，而詹姆士则任教格拉斯哥大学。
汤姆逊10岁便入格拉斯哥大学，在14岁开始学习大学程度的课程，15岁时凭一篇题为〈地球形状〉的文章获得大学的金奖章，文章论及的一些重要概念，汤姆逊在往后还常常用到。
汤姆逊后来到剑桥大学升学，以全级第二名的成绩毕业，毕业后到了巴黎，在勒尼奥的指导下进行了一年实验研究。
一八四六年，汤姆逊再回到格拉斯哥大学担任自然哲学（即现在的物理学）教授，直到一八
九九年退休为止。
他在学校建立起全英国大学中第一个物理研究实验室，他认为物质和电动力学的理论结果，必须用实验来证明。
他带领学生进行各种实验来检定和发展新的物理理论。
此外，他还利用实验室的精密测量结果协助拟定大西洋海底电缆的铺设工程，使英国与美洲之间的通讯得到突破性的发展，他可说是第一代的电讯工程师呢！
汤姆逊也是热力学的开创者之一，他对热力学第一及第二定律的建立做出重大的贡献。
在十九世纪，物理学界仍然普遍相信热是一种不生不灭的物质，汤姆逊本来也坚信这种说法，他研究过焦耳多篇关于电流生热的论文后，便改变想法，并和焦耳合作研究，他们的研究结果为热力学第一定律（即能量守恒定律）提供有力的实验支持；汤姆逊对热力学第二定律的贡献更大，几乎与克劳修斯同时间，凯尔文（即汤姆逊）研究卡诺循环也提出第二定律，同时更由此订定绝对温标，又称凯氏温标K。
他利用卡诺循环建立绝对温标，他重新设定水的
冰点为273.7度；沸点为373.7度，为了纪念他的贡献，绝对温度的单位以凯尔文来命名。
他在一八五一年发表题为〈热动力理论〉的论文，写出热力学第二定律的凯尔文表述：
我们不可能从单一热源取热，使它完全变为有用的功而不产生其它影响。
近代物理虽然修正了很多古典物理理论的错误，但是热力学定律仍然是正确而普遍的宏观物理定律。
凯尔文这位天才，十岁进大学，二十二岁剑桥大学就想礼聘他去当物理系主任，绝对温度K就来自于他姓氏的缩写，热力学第二定律是他提出的，液态氮是他首先压缩制出的，环球信息的第一条电缆是他铺的，电子检流器是他发明的，同位素放射理论是他先想出来的。
因为他的发现，世界上每一个要念工程与理科的学生，打开课本，就会发现「能量」的观念贯穿了每一个物理与化学的公式，解释了每一个热、电、磁的运动，成为近代科技的基石。
一九○○年初，凯尔文在英国物理学界最权威的皇家学会的新年致辞中，发表了题为〈笼罩在热和光的动力理论上的十九世纪之云〉的著名演讲，他认为物理世界晴空万里，动力理论
尚待解决。
正
相对论和
可以解释一切物理问题；唯有两个小问题：
即以太理论和黑体辐射理论，是这两朵小乌云所引起的讨论和研究，发展出二十世纪物理学两个最重要的范畴：
量子力学。
热力学发展史
火的发明是人类文明史上重要的里程碑．人类从此告别茹毛饮血的原始生活走向文明．在古代各民族的语言里，火与热几乎是同义语．热学这一门科学就起源于人类对冷与热本质的思考．
18世纪的欧洲，资本主义日益扩张，生产大革命的到来导致对动力机械的需要，蒸气机由此发明。
1695年法国人巴本第一个发明了有气缸有活塞的蒸气机，英国工程师瓦特对蒸气机进行改造，增添了冷凝器，飞轮与离心节速器，发明了活塞阀，使机器由断续动作改为连续作用，第一部现代蒸气机问世。
蒸气机的发明，促进了对热学理论的研究，如热机的效率问题，热量与功的关系的研究，首先发展的是热学的一些基本概念。
热学中最核心的概念是温度，它来自于日常生活，冷热的感觉靠肢体的触摸．当物体的温度发生变化时，物体的性质（力学、电学、化学性质）会发生变化，物体的状态（固态、液态、气态）也可以在一定条件下发生转变（即相变）．这些通称为热现象．
温度的测量需要温度计，历史上，伽利略、波义耳、阿蒙顿、华伦海特等人对此都作过贡献。
关于热的本性，当时有两种观点，一种认为热是一种物质，即热质说。
另一种认为热是物体粒子的内部运动。
代表人物有笛卡尔、胡克、罗蒙诺索夫，伦福德等。
他们认为：
“尽管看不到，也不能否定分子运动是存在的。
”随着人们进一步的研究，发现与热质说矛盾的事实越来越多，当能量守恒定律
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