高中物理常识总结
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发布时间：2022-04-21 20:45
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二．热力学第一定律理论探讨
2.1．产生的历史背景 2.2．第一类永动机 2.3．原子论与唯能论的争论 能量是否守恒的争论
2.1．产生的历史背景
17世纪末，惠更斯研制火药爆炸的燃气，推动活塞在缸筒中运动。
1783年，瓦特为了确定它的蒸汽机的性能，提出“马力”这个概念。
1802年，特里维西克（Richard Trevithick）制成“高压蒸汽机”。
19世纪20年代初，卡诺深入研究蒸汽机原理，从热素说的观念探讨热与热机作功和热效率。
1834年，克拉佩隆运用彭西列提出的功概念表示卡诺所说的动力，把卡诺的理想热机可逆循环过程中热与功的关系，绘成两个绝热过程和两个定温过程形成的封闭热功可逆循环曲线，即后来所说的示功图，因而形成理想热机的热功可逆循环。
1842年，迈尔在发表的第一篇论文中提到计算热功当量的原理和结果。
1843年，焦耳宣读第一次发表热功当量实验结果的论文。
热力学第一定律的发现，是在当时工程技术的迫切需要下出现的。在1798-1849年间热动说取代了热素说和热功当量的发现与精确确定的基础上，由于研究热机原理和能量转化守恒关系的迫切需要，在理论和实践条件基本成熟后，应运而生。
2.2．第一类永动机
真正可以称之为近代意义上的永动机，最早的应是帕莱格林努斯（Peter Peregrinnus）于1256年把磁力转化为动能的扭轴罗盘，他称之为“永动机”。1518年兹马拉 （Zimara）利用阿基米德螺旋制造的抽水机将水提升，并且使其余力驱动上冲式水轮，以推动磨旋转。在美国专利局现存的档案中，发现英国的第一个永动机专利是在1635年申请的，期限为14年。18世纪60年代伦敦钟表匠科克斯（James Cox）和他的助手梅尔林（Joseph Merlin）利用气压机的压力变化，推动钟运转，直至19世纪30年代永未停过，十分著名。
在水轮机和蒸汽机在生产上的作用日益增大的情况下，使一些能工巧匠企图研制不需再供给能量而能工作的机器，并不奇怪。面临“永动机”发明申请逐渐增多的情况，法国科学院于1775年宣布不再接受关于永动机发明的专利申请。但是，永动机在美国仍在盛行。
据统计，美国至1904年有600个以上的永动机发明专利许可证 。英国从1855年之后有575个永动机专利。热力学第一定律在理论上得出第一类永动机不可能制成的结论。本世纪以来，虽然能量守恒定律和热力学第一、第二定律已深入人心，但是永动机的设想并未完全停止。甚至在70年代还出现过永动机的设计 。但是，至今的科学发展已使永动机的设想一个个成为泡影。
2.3．原子论与唯能论的争论
随着热力学的不断发展和物质组成层次的深入研究，从19世纪末至20世纪30年代初，出现了围绕能是否是万物的本原，在原子论学派和唯能论学派之间展开了争论，曾经引起学术界的很大关注。
以奥斯特瓦尔德为首的唯能论学派，和以玻尔兹曼为代表的原子论学派，在德国酝酿的激烈斗争，在15年在吕贝克举行的第67届年会上达到了*。唯能论的斗士是海尔姆，奥斯特瓦尔德的干将还有杜恒等人，杜恒的得意学生和助手能斯特在唯能论的问题上，倾向于相信原子论。普朗克在13年以前倾向于马赫和奥斯特瓦尔德的观点，一年后他对热力学第二定律和熵的解释不再从任何特殊假设出发，而是从不可逆的经验进行考虑，因而反对唯能论并转向原子论的观点。年轻的数学家全站在玻尔兹曼一边。
奥斯特瓦尔德在1902年发表的“自然哲学讲演录”一书中指出：“如果把物质和精神这两个概念包含在能量概念之中，就会简单地，自然而然地排除掉那种使这两个概念结合在一起的困难，那是一个很大的收获”。他又写道：“一切外界现象都可以说是能量之间的过程，其原因非常简单：我们的意识本身就是能量的过程，它把自己的这种特性传给一切外界现象”。他认为从唯能论观点出发，存在两个唯能论定律，热力学第一、二定律是由这两个定律得出。并从唯能论的这两个定律，可以了解意识或精神现象。
普朗克曾指出，摆在未停时在平衡点附近左右摆动，电火花在正负电体间振动，而热却不可能在不同温度的导体之间传递。他认为：“唯能论学派认为上述根本区别是无关紧要的，而置之不理”。
1910年之后，原子论由于电子和原子的发现，以及量子论的出现和发展，居于统治地位。但是，原子论和唯能论的斗争，同时也提出了能是否是万物本原的问题。这个问题并没有因奥斯特瓦尔德企图用唯能论方程和他的唯能论第一、二定律取代热力学第一、二定律等观点的失败，而真正得到解决。爱因斯坦、海森堡等相当数量的科学家，仍持质量是能量的一种表现形式和能是万物本原的观点。这个问题既是一个科学问题，也是一个哲学问题，它有待自然哲学家们，根据科学的不断发现，做出更深刻的概括。
.4．能量是否守恒的争论
围绕能量守恒定律是否正确而出现的第一次争论，是镭放射的巨大能量的来源和如何解释的问题。彭加勒在1906年发表的《科学的价值》一书中，提出镭放射的能量“推翻了能量守恒定律”和发现电子的静质量为0“推翻了质量守恒定律”，因而使19世纪末的物理学遇到了严重的危机。在维护能量守恒原理的科学家之中，又分为两种。一种认为放射性的巨大能量是放射性物质从外部空间中的以太、气体或其他射线中长期吸收和积聚起自己的能量。开尔文在1903年就提出镭的放射性能来自于其原子长期吸收空间的以太形成的，并在1904年召开的大英科学促进会上与瑞利打赌。也有科学家主张能量守恒定律在放射性过程中仍然正确，并从原子内部自发*方面寻找辐射的根源。
关于能量守恒是否正确的第二次争论,是B衰变过程中能量是否守恒问题。由于问题的实质关系到能量守恒定律在核物理中是否适用的原则问题，并且又是由玻尔这样的物理权威提出和由鲍利加以反对，自然引起物理学家的极大关注。
关于能量守恒定律的争论，尽管学术界出现过这样或那样的看法和评价，但是应该说它们都从正反两个方面使科学家和哲学家得到很深的教益。其共同的结果是证明了能量守恒定律在微观和宏观世界两方面都是正确的。已成为自然科学和自然哲学上的一个牢固的基石。
2005年10月16日20:10 热力学第二定律理论探讨 [补记]
三．热力学第二定律理论探讨
3.1．说法的产生和演变 3.2．热寂说的起源 3.3．关于热寂说的争论 3.4．负绝对温度
3.1．说法的产生和演变
在科学史上，公认克劳修斯最早提出了热力学第二定律。克劳修斯、开尔文和朗肯在1850－1851年间从不同的角度提出了各自不同的说法和论证。
马赫作为一个具有哲学头脑的重要的科学史学家评价克氏说法和开氏说法实际上是等价的。
王竹溪教授曾说：“热力学第二定律通常是指开尔文说法，这个提法非常深刻。”
热力学第二定律既然是一个经验性很强的定律，那么它的发现必然首先从宏观的大量存在的热和机械功转化现象，特别是热机作功过程开始的。克氏说法和开氏说法虽然都从热机作功的基本假设出发，但没有明确提出“孤立的系统”的前提条件；他们没有也不可能从微观的分子运动观点深入探讨这个定律的含义和作用，以及对这个定律的熵增原理说法作深入和细致的探讨，甚至把它无限推广到宇宙，得出后来引起激烈争论的结论。由于这些原因，热力学第二定律在提出之后，出现了许多深入而更严格的探讨、争论和说法的演化过程。
麦克斯韦、玻尔兹曼、奥斯特瓦尔德、马赫和普朗克等著名科学家，都一致指出，热力学第二定律只有在一个孤立系统条件下才成立。
关于热力学第二定律在微观方面的解释和说法，主要是由玻尔兹曼提出的，他是在克劳修斯和麦克斯韦工作的基础上，用分子运动的统计观点对熵增原理进行新的表述。玻尔兹曼提出的H定理或克劳修斯提出的熵增原理，与牛顿力学和能量守恒定律不考虑时间的方向性是矛盾的，这使大多数科学家难以接受。先后出现“可逆佯谬”和“循环佯谬”来反对分子运动理论.玻尔兹曼对此进行了有力的反驳.关于热力学第二定律的几率说法,经过19世纪末的争论后,很快得到国际科学界的公认.今天,它已作为热力学第二定律的更加深刻和准确的新说法，在科学史上占有很重要的地位.
3.2．热寂说的起源
热寂说是开尔文和克劳修斯从机械能的不断耗散观点出发，认为各种形态的能量最终都会在与机械能的转化过程中，以热量的形式趋于平衡。开尔文认为机械能等于各种能，都要以热的形式最终耗散掉，这种能量转化在自然界中是不可逆的。这是他在1852年之后至1862年之间，逐步形成的一种看法，至1862年正式作为一种科学假说提出来的。克劳修根据类似的考虑，于1865年将热力学第二定律推广到宇宙，得出宇宙熵趋于极大值，并于1867年正式提出热寂说。认为：
“在一切自然现象中，熵的总值永远只能增加而不能减少。于是到处不断进行的变化过程，可以下面的定律简短地表述：宇宙的熵趋于极大。宇宙越是接近于这个熵是极大的极限状态，那就任何进一步的变化都不会发生了，这时宇宙就会进入一个死寂的永恒状态”。
3.3．关于热寂说的争论
宇宙热寂说是自然哲学史上的一个重要问题，也是科学上无法用观测和验证作出最后判决的学术问题，它的出现注定会引起国际科学界和哲学界的极大关注和争论。这种争论虽然因种种原因而时起时落，但至今已延续120多年，首先对热寂说提出异议的，是麦克斯韦在它出现不久后提出的“麦克斯韦妖”。
麦克斯韦提出了他的著名的理想实验--“麦克斯韦妖”：
“现在让我们假定这一容器被一个带有一个小孔的间隔分成两部分，A和B，并且能看见单个分子的一个小生物打开和关闭这个小孔，以至于仅仅允许较快的分子从A通到B，和仅仅允许较慢的分子从B通到A。于是，它将不消耗功便能提高B的温度和降低A的温度，而与热力学第二定律矛盾。”
“麦克斯韦妖”的提出，大大促进了对热力学第二定律的正确程度和应用范围的研究。
“麦克斯韦妖”曾困惑了人们达半多世纪，直到1929年西拉德把信息和熵联系起来研究“麦克斯韦妖”之后，才逐渐进入比较明朗的阶段，在这个阶段中许多人先后作出了努力，但是被认为基本上予以解决的则是布里渊。
布里渊在1949－1956年间深入研究了信息和熵的关系，认为麦克斯韦理想实验的熵减过程，是由于信息对小妖的作用引起的。信息应该看作系统的熵的负项，即信息是负的熵。“麦克斯韦妖”假想实验只能而且必须是一个可从外部引入负熵的开放系统，正因为这样，它并不违反热力学第二定律。
虽然很多人认为布里渊基本上解决了“麦克斯韦妖”问题，但是关于宇宙热寂问题的研究还有很长的道路。
3.4．负绝对温度
工程热力学中提到的绝对温度，都是绝对温度零度以上的正绝对温度。但是，在20世纪50年代以后，在核磁共振和激光效应的研究，发现核自旋系统和激光系统中，粒子只具有基态和激发态两种能量形态。在正绝对温度条件下，激发态的粒子数多于基态的粒子数。但是，在核自旋系统和激光系统中则相反，基态的粒子数却超过了激发态的粒子数。根据玻尔兹曼的粒子分布函数表示式，如果基态粒子（原子或分子）数大于激发态的粒子数，则绝对温度应该为负值，即能够出现负的绝对温度。
既然近几十年的科学发展已经证明，负绝对温度是确实存在的，那么至今沿用的热力学第二定律的克氏说法和开氏说法是否仍然适用呢？
克氏说法在负绝对温度情况下，仍然适用，并且熵增原理也是适用的。
在负绝对温度条件下，开氏说法必须改为：
“不可能从一个正绝对温度热源取热，使之完全变为有用功，而不产生其他影响”。
这是由于根据玻尔兹曼的粒子分布函数表达式，当绝对温度高于无穷大时，才能实现激发态粒子数超过基态的粒子数，才能出现负绝对温度。也就是说，负绝对温度系统的能量大于无穷大绝对温度的能量，导致负绝对温度实际上高于正绝对温度。
