物理世界（三十六）

刘文旺

热学发展的时间节点

要真正了解一个学科，最好研究一下他的发展史。这里不但有一些小故事，他能给你一个这个学科的时空框架结构。尤其让你认识一些智者。

一、温度的定义和热机的研制

伽利略
    1593年，伽利略利用空气热胀冷缩的性质，制成了温度计的雏形。
    1702年，阿蒙顿制成空气温度计，但不准确。
    1724年，荷兰工人华伦海特在他的论文中，建立了华氏温标，首先使用水银代替酒精。
    1742年瑞典的摄尔修斯定义水的沸点为零度，冰的熔点为100度，后施勒默尔将两个固定点倒过来，建立了摄氏温标。

    1779年，全世界有温标19种。
    1854年，开尔文提出开氏温标，得到世界公认。
     “蒸汽机是一个真正的国际发明，而这个事实又证实了一个巨大的历史进步。”
    1695年，法国人巴本第一个发明蒸汽机，但操作不便，不安全。
    1705年，钮科门和科里制造了新蒸汽机，有一定实用价值，但用水冷却气缸，能量损失很大。
     1769年，英国技工瓦特改进了钮科门机，加了冷凝器，使机器运作由断续变连续，从而蒸汽机的使用价值大大提高，导致了欧洲的工业革命。

  1785年，热机被应用于纺织。
  1807年，热机被美国人富尔顿应用于轮船，1825年被用于火车和铁路。
      在18世纪前半叶，人们对什么是温度，什么是热量的概念含糊不清，热学要发展，有关热学的一系列概念就需要有科学的定义。
  经彼得堡院士里赫曼于1744年开始，英国人布拉克和他的学生伊尔文等逐步工作，终于在1780年前后，温度、热量、热容量、潜热等一系列概念都已形成。

      热本性说的争论
  1）认为热是一种物质，即热质说。
    代表人物：伊壁鸠鲁、付里叶、卡诺。
  2） 认为热是物体粒子的内部运动。
    代表人物：笛卡尔、胡克、罗蒙诺索夫，伦福德。
  他们认为：“尽管看不到，也不能否定分子运动是存在的。”
 二、热力学第一定律的建立
      热力学第一定律建立的成因
  1）理论——迈尔
  迈尔是明确提出“无不能生有”，“有不能变无”的能量守恒与转化思想的第一人。而这理论正是建立热力学第一定律的基础。
  2）实验——焦耳
     由于焦耳精心严谨地进行了热功当量测定等一系列实验，奠定了热力学第一定律的实验基础，得到了人们的认同。
  3）一批科学家的不懈努力
     亥姆霍兹将能量守恒定律第一次以数学形式提出来，而卡诺、赛贝等人也都有过这方面的见解。

亥姆霍兹
  4）说明了客观条件成熟，相应的自然规律一定会发现。

    热力学第二定律的建立：在实际情况中，并不是所有满足热力学第一定律的过程都能实现，比如热不会自动地由低温传向高温，过程具有方向性。这就导致了热力学第二定律的出台。克劳修斯、开尔文、玻尔兹曼等科学家为此做了重要贡献。1917年，能斯特进一步提出“绝对零度是不可能达到的”热力学第三定律。

人类对热现象的认识首先源于对火的认识 古代西方：火、土、水、风是构成万物的四个主要元素。
    中国古代：金、木、水、火、土五行学说。
     实际古代物理学主要成就是古代原子论，人们用古代原子论解释一切现象，其特点是猜测性的思辫。 热是物质内部分子运动的表现这一基本思想逐步确立，但由于缺乏精确实验根据，尚未形成科学理论。
    18世纪中叶以后，系统的计温学和量热学的建立，使热现象的研究走上实验科学的道路，由于各种物理现象的相互联系尚未被揭示出来，“热质”这一特殊的“物质”被臆想出来,在以“将错就错”的形式发挥一定作用后最终退出历史舞台。 在1644年笛卡儿在《哲学原理》中就提出了运动不变的思想，但没有给出具体反映这种不变性本质的物理概念。随着人们对自然界认识的不断加深和拓广，逐步发现不同的物理现象之间存在着内在的联系。德国科学家迈耶从哲学角度首先确定了这种永恒性，他坚信“无不生有，有不变无”，通过对马拉车运动过程进行了细致地分析，指明轮子摩擦散热和马做功一定有确定的比例；后来英国科学家焦耳通过大量精确和严格的实验，测量出热功当量为4.18J/cal，确立了建立能量转化与守恒定律的实验基础.

德国科学家亥姆霍兹最终建立了能量守恒定律的数学表达。他从v=推出了mgh=1/2mv^2,并建议用1/2mv^2代替mv表示机械运动的强弱，用来度量能量的改变。能量转化与守恒定律的建立过程说明了正确的哲学思想、严格的实验和严密的数学推理是自然科学认知过程的三个基本要素。
    热力学第一定律就是能量转化与守恒定律在热现象过程中的具体表现。在热力学第一定律建立以后，德国物理学家克劳修斯和英国物理学家开尔文通过分别对法国工程师卡诺关于理想热机效率问题研究成果的细致分析，各自独立的发现了热力学第二定律，并找到了反映物质各种性质的热力学函数。
    1850年前后，物理学界普遍认识到了热现象和分子运动的联系，但微观结构和分子运动的物理图像仍是模糊或未知的。凭借着对分子运动的假设和运用统计方法，克劳修斯正确地导出了气体实验公式。另外，麦克斯韦和玻尔兹曼在研究分子分布规律和平衡态方面也做出了卓有成效的工作。后来吉布斯把玻耳兹曼和麦克斯韦所创立的统计方法推广而发展成为系统的理论，将平衡态和涨落现象统一起来并结合分子动理论一起构成统计物理学。

    卡诺

在1900年欧洲物理年会上，英国物理学家开尔文发表过一段非常著名的讲话，其中他不仅讲道“19世纪已将物理学大厦全部建成，今后物理学家的任务就是修饰完善这座大厦了”，而且又讲道“在物理学的天空中几乎一片晴朗，只存在两朵乌云。”他所指的两朵乌云其实就是迈克尔逊—莫雷测量“以太风”实验和测量黑体辐射实验中用现有的经典物理无法解释。后来对“以太”的测量的研究和爱因斯坦狭义相对论的建立，揭示了经典牛顿时空观的严重缺陷；而对黑体辐射能谱分布规律的研究及对热容量的研究，揭示了经典统计物理学理论的重大缺陷，发现了微观运动的新特性。

    1900年普朗克提出了能量量子化的假设，用这种假设成功地揭示了黑体辐射问题。与量子力学的有机结合使经典统计物理学发展成为量子统计物理学。二十世纪五十年代以后，非平衡态热力学和统计物理学得到迅速发展，其代表人物是比利时物理学家普里高金。

以往的研究发现，一个热力学系统总是从优续道无序演化，而且不可逆转。比如，把蜂蜜倒在水杯中，蜂蜜会慢慢散开，但是你永远也不要期待这自动散开的蜂蜜，会同样自动地恢复到刚倒入水杯中时的独立存在状态。

我们的宇宙经历了大爆炸过程：

大爆炸开始时：约138亿年前，体积极小，密度极高，温度极高，称为奇点。

大爆炸后10-43秒：约10³²度，宇宙从量子涨落背景出现。

大爆炸后10-35秒：约1027度，引力分离，夸克、玻色子、轻子形成。

大爆炸后10-10秒：约1015度，质子和中子形成。

大爆炸后0.01秒：约1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。

大爆炸后0.1秒后：约300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。

大爆炸后1秒后：约100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。

大爆炸后13.8秒后：约30亿度，氢、氦类稳定原子核（化学元素）形成。

大爆炸后35分钟后：约3亿度，原初核反应过程停止，尚不能形成中性原子。

大爆炸后30万年后：约3000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。

             宇宙大爆炸

夕阳无限好，只惜近黄昏。我们每个人都在不断成长着。好端端的一树绿叶，不可逆转地变黄、脱落；掉在地上的水杯不会连同水一起自动跳回到桌子上。这一切，还充分体现在热力学系统中：熵增原理阐述了物理过程总是沿熵增加的方向进行。

可没有人能逆转这一过程。

但是，在热力学中这一问题并不是这样简单。

以普里高津为首的布鲁塞尔自由大学的科学家提出了耗散理论，认为有序可以从无序中自发产生。一个鲜明的事实是，生命现象从无序中自发地产生了。

普里高津因此获得了诺贝尔奖。为人类文明线上一朵美丽的鲜花，在这美丽的鲜花下，雕刻下了他灿烂的人生。

这就是科学、这就是科学的魅力。

（未完待续）