正文 252 物理學之熱學 上 文 / 月之輪迴

    熱學是研究物質處於熱狀態時的有關性質和規律的物理學分支，它起源於人類對冷熱現象的探索。人類生存在季節交替、氣候變幻的自然界中，冷熱現象是他們最早觀察和認識的自然現象之一。

    對中國山西芮城西侯度舊石器時代遺址的考古研究，說明大約180萬年前人類已開始使用火；約在公元前二千年中國已有氣溫反常的記載；在公元前，東西方都出現了熱學領域的早期學說。中國戰國時代的鄒衍創立了五行學說，他把水、火、木、金、土稱為五行，認為這是萬事萬物的根本。古希臘時期，赫拉克利特提出：火、水、土、氣是自然界的四種**元素。這些都是人們對自然界的早期認識。

    1714年，華倫海特改良水銀溫度計，定出華氏溫標，建立了溫度測量的一個共同的標準，使熱學走上了實驗科學的道路。經過許多科學家兩百年的努力，到1912年，能斯脫提出熱力學第三定律後，人們對熱的本質才有了正確的認識，並逐步建立起熱學的科學理論。

    歷史上對熱的認識，出現過兩種對立的觀點。18世紀出現過熱質說，把熱看成是一種不生不滅的流質，一個物體含有的熱質多，就具有較高的溫度。與此相對立的是把熱看成物質的一種運動的形式的觀點，俄國科學家羅蒙諾索夫指出熱是分子運動的表現。

    針對熱質說不能解釋摩擦生熱的困難，許多科學家進行了各種摩擦生熱的實驗，特別是朗福德的實驗，他用鈍鑽頭鑽炮筒，因鑽頭與炮筒內壁摩擦，在幾乎沒產生碎屑的情況下使水沸騰；1840年以後。焦耳做了一系列的實驗，證明熱是同大量分子的無規則運動相聯繫的。

    焦耳的實驗以精確的數據證實了邁爾熱功當量概念的正確性，使人們擯棄了熱質說。並為能量守恆定律奠定了實驗基礎。與此同時，熱學的兩類實驗技術——測溫術和量熱術也得到了發展。

    熱學主要研究熱現象及其規律。它有兩種不同描述方法——熱力學和統計物理。熱力學是其宏觀理論，是實驗規律。統計物理學是其微觀描述方法，它通過物理簡化模型，運用統計方法找出微觀量與宏觀量之間的關係。本課程內容包括熱力學平衡和氣體分子運動論的基本概念、氣體分子速率及能量的分佈律、氣體中的輸運過程、熱力學第一定律和第二定律、固體、液體和相變。

    發展簡史

    人類對熱現象的認識首先源於對火的認識?一、古代物理學中的熱學

    古代西方：火、土、水、氣是構成萬物的四個主要元素。

    中國古代：金、木、水、火、土五行學說。

    實際古代物理學主要成就是古代原子論，人們用古代原子論解釋一切現象，其特點是猜測性的思辮。

    二、17、18世紀對熱的認識

    熱是物質內部分子運動的表現這一基本思想逐步確立，但由於缺乏精確實驗根據，尚未形成科學理論。

    18世紀中葉以後。系統的計溫學和量熱學的建立，使熱現象的研究走上實驗科學的道路，由於各種物理現象的相互聯繫尚未被揭示出來，「熱質」這一特殊的「物質」被臆想出來,在以「將錯就錯」的形式發揮一定作用後最終退出歷史舞台。

    三、19世紀的熱學

    在1644年笛卡兒在

    中就提出了運動不變的思想，但沒有給出具體反映這種不變性本質的物理概念。隨著人們對自然界認識的不斷加深和拓廣，逐步發現不同的物理現象之間存在著內在的聯繫。德國科學家邁耶從哲學角度首先確定了這種永恆性，他堅信「無不生有，又不變無」，通過對馬拉車運動過程進行了細緻地分析，指明輪子摩擦散熱和馬做功一定有確定的比例；後來英國科學家焦耳通過大量精確和嚴格的實驗。測量出熱功當量為4.18j/cal，確立了建立能量轉化與守恆定律的實驗基礎；德國科學家亥姆霍茲最終建立了能量守恆定律的數學表達。他從v=推出了mgh=1/2mv2,並建議用1/2mv2代替mv表示機械運動的強弱，用來度量能量的改變。能量轉化與守恆定律的建立過程說明了正確的哲學思想、嚴格的實驗和嚴密的數學推理是自然科學認知過程的三個基本要素。

    熱力學第一定律就是能量轉化與守恆定律在熱現象過程中的具體表現。在熱力學第一定律建立以後。德國物理學家克勞修斯和英國物理學家開爾通過分別對法國工程師卡諾關於理想熱機效率問題研究成果的細緻分析，各自**的發現了熱力學第二定律，並找到了反映物質各種性質的熱力學函數。

    1850年前後，物理學界普遍認識到了熱現象和分子運動的聯繫，但微觀結構和分子運動的物理圖像仍是模糊或未知的。憑藉著對分子運動的假設和運用統計方法，克勞修斯正確地導出了氣體實驗公式。另外，麥克斯韋和玻爾茲曼在研究分子分佈規律和平衡態方面也做出了卓有成效的工作。後來吉布斯把玻耳茲曼和麥克斯韋所創立的統計方法推廣而發展成為系統的理論，將平衡態和漲落現象統一起來並結合分子動理論一起構成統計物理學。

    四、現代物理中的熱學在1900年歐洲物理年會上，英國物理學家開爾發表過一段非常著名的講話。其中他不僅講道「19世紀已將物理學大廈全部建成，今後物理學家的任務就是修飾完善這座大廈了」。而且又講道「在物理學的天空中幾乎一片晴朗，只存在兩朵烏雲。」他所指的兩朵烏雲其實就是邁克爾遜—莫雷測量「以太風」實驗和測量黑體輻射實驗中用現有的經典物理無法解釋。後來對「以太」的測量的研究和愛因斯坦狹義相對論的建立。揭示了經典牛頓時空觀的嚴重缺陷；而對黑體輻射能譜分佈規律的研究及對熱容量的研究，揭示了經典統計物理學理論的重大缺陷，發現了微觀運動的新特性。1900年普朗克提出了能量量子化的假設，用這種假設成功地揭示了黑體輻射問題。與量子力學的有機結合使經典統計物理學發展成為量子統

    統計物理學。二十世紀五十年代以後，非平衡態熱力學和統計物理學得到迅速發展，其代表人物是比利時物理學家普裡高金。(未完待續)