1、 热力学（thermodynamics），全称热动力学，是自然科学的一个分支。它是研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科，其中主要研究热量和功之间的转化关系。热力学主要是从能量转化的观点来研究物质的热性质，它揭示了能量从一种形式转换为另一种形式时遵从的宏观规律，不涉及物质的微观结构和微观粒子的相互作用。因此它是一种唯象的宏观理论，具有高度的可靠性和普遍性。热力学早期发展的概况热力学早期发展的概况 人们对热的本质及热现象的认识，经人们对热的本质及热现象的认识，经历了一个漫长的、曲折的探索过程。历了一个漫长的、曲折的探索过程。在原始社会人们钻木取火。在原始社会人们钻木取火。相当早的年代，人们加热
2、岩石再泼相当早的年代，人们加热岩石再泼冷水让它爆裂，从而制造出石头工具。冷水让它爆裂，从而制造出石头工具。热力学的历史可以追溯到热力学的历史可以追溯到17 世纪。在世纪。在1592 1600 年间，伽利略制作了人类第一个年间，伽利略制作了人类第一个空气温度计空气温度计，开始了对，开始了对物体的冷热程度（温度）进行定量测定的研究，这可作物体的冷热程度（温度）进行定量测定的研究，这可作为为“测温学测温学”的开端。的开端。1620 年培根首先注意到，两个物体之年培根首先注意到，两个物体之间的摩擦所产生的热效应，与物体的冷热程间的摩擦所产生的热效应，与物体的冷热程度（温度）是有区别的。他认为度（温度）
3、是有区别的。他认为“热是运热是运动动”。这可看作是，人们对这可看作是，人们对“热量热量”的本质进行科的本质进行科学学研究的开端。研究的开端。在整个在整个17 17 世纪中，并没有制作世纪中，并没有制作出复现性好的、可供正确测量的温出复现性好的、可供正确测量的温度计及温标。度计及温标。在在18 18 世纪中，世纪中，“测温学测温学”有较有较大的突破。其中最有价值的是，大的突破。其中最有价值的是，1714 1714 年年法伦海脱法伦海脱所建立的华氏温所建立的华氏温标，以及标，以及1742 1742 年年摄尔修斯摄尔修斯所建立所建立的摄氏温标（即百分温标）的摄氏温标（即百分温标）。1760 1830
4、 1760 1830 年间的工业革命，有力地推动了生产年间的工业革命，有力地推动了生产力的发展及社会的进步，力的发展及社会的进步，科技方面的成就也是空前辉科技方面的成就也是空前辉煌的。力学、热学、电磁学、光学及数学都有丰硕的煌的。力学、热学、电磁学、光学及数学都有丰硕的成果。特别是蒸汽机的发明和应用，直接促进了热机成果。特别是蒸汽机的发明和应用，直接促进了热机理论的研究。理论的研究。随着蒸汽机的广泛应用，随着蒸汽机的广泛应用，促使人们对促使人们对水蒸气热力水蒸气热力性质性质进行研究及对改善进行研究及对改善蒸汽机性能蒸汽机性能进行研究，从而进行研究，从而推动了热科学的发展推动了热科学的发展 18
5、48 年，开尔文根据卡诺原理，建立了与年，开尔文根据卡诺原理，建立了与工质性质无关的工质性质无关的热力学温标热力学温标，并提出采用一，并提出采用一个个定义点定义点的建议。开尔文温标的建立，使的建议。开尔文温标的建立，使“测测温学温学”与热力学基本定律之间建立了联系，是与热力学基本定律之间建立了联系，是“测温学测温学”的一个重要进展。的一个重要进展。热力学发展史，基本上就是热力学与统计力学的发展史，热力学发展史，基本上就是热力学与统计力学的发展史，约可分成四个阶段：约可分成四个阶段：一：一：17世纪末到世纪末到19世纪中叶世纪中叶 二：二：19世纪中到世纪中到19世纪世纪70年代末年代末 三：三
6、：19世纪世纪70年末到年末到20世纪初世纪初四：四：20世纪世纪30年代到今年代到今 此时期累积了大量的实验与观的结此时期累积了大量的实验与观的结果，并制造出蒸气机。果，并制造出蒸气机。这一阶段的热力学还留在描述热力这一阶段的热力学还留在描述热力学的现象上，并未引进任何的数学算式。学的现象上，并未引进任何的数学算式。第一个阶段：第一个阶段：1717世纪末到世纪末到1919世纪中叶世纪中叶 德国的斯塔尔提出热是一种燃素，后来荷兰的波哈维说热是一种物质 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 俄国的克拉夫特提出冷水、热水混合的公式。1750年理奇蒙也做了一系列热量测的研究，并
7、改进克拉夫特的公式。1755年，兰勃特将热量与温度的概念加以区别和澄清。英国的布雷克成功地澄清了温度和热量这两个概念，并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”。第二个阶段：第二个阶段：1919世纪中到世纪中到1919世纪世纪7070年年代末代末 此阶段热力学的第一定律和第二定律此阶段热力学的第一定律和第二定律已完全理论化。已完全理论化。卡诺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。1842年他提出热可以作功，功也可以产生热的能量等价观念 1848年，焦耳通过过实验证明，当物体所含的力学能转换为热能时，能
8、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”1850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，提出了第二定律。到了1865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，热能变化对温度的熵的积分值为零”。第三个阶段：第三个阶段：1919世纪世纪7070年末到年末到2020世纪初世纪初 这个时间内，热力学诞生这个时间内，热力学诞生 。吉布斯提出系统理论建立吉布斯提出系统理论建立统计力统计力学学的基础。的基础。这一时期的汤姆逊为热力学也做出了重大贡献。他研究卡诺循环也提出第
9、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。他在1851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。第四个阶段：第四个阶段：2020世纪世纪3030年代到今年代到今 主要是量子力学的引进而建立了量主要是量子力学的引进而建立了量力统计力学，同时非平衡态理论更进一力统计力学，同时非平衡态理论更进一步的发展，形成了近代理论与实验物理步的发展，形成了近代理论与实验物理学中最重要的一环。学中最重要的一环。热力学基本定律热力学基本
10、定律热力学第零定律热力学第零定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第二定律热力学第二定律热力学第三定律热力学第三定律热力学第零定律热力学第零定律 在在1919世纪早期，不世纪早期，不少人沉迷于一种神秘机少人沉迷于一种神秘机械械第一类永动机的第一类永动机的制造，因为这种设想中制造，因为这种设想中的机械只需要一个初始的机械只需要一个初始的力量使其运转，之后的力量使其运转，之后不再需要任何动力和燃不再需要任何动力和燃料，却能自动不断地做料，却能自动不断地做功。直至热力学第一定功。直至热力学第一定律发现后，第一类永动律发现后，第一类永动机的神话才不攻自破。机的神话才不攻自破。在一个热力学系统内，能量可转换，即可从一种形式转变成另一种形式，但不能自行产生，也不能毁灭。一般公式化为：一个系统内能的改变等于供给系统的热量减去系统对外环境所作的功。即：U=Q+W热力学第二定律热力学第二定律内容为不可能把内容为不可能把热从低温物体传热从低温物体传到高温物体而不到高温物体而不产生其他影响产生其他影响热力学第三定律绝对零度绝对零度不可达到不可达到但可以无但可以无限趋近。限趋近。
