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神探贝斯特-第65部分
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焦耳的实验以精确的数据证实了迈尔热功当量概念的正确性，使人们摈弃了热质说。并为能量守恒定律奠定了实验基础。与此同时，热学的两类实验技术——测温术和量热术也得到了发展。
热学主要研究热现象及其规律。它有两种不同描述方法——热力学和统计物理。热力学是其宏观理论，是实验规律。统计物理学是其微观描述方法，它通过物理简化模型，运用统计方法找出微观量与宏观量之间的关系。本课程内容包括热力学平衡和气体分子运动论的基本概念、气体分子速率及能量的分布律、气体中的输运过程、热力学第一定律和第二定律、固体、液体和相变。
发展简史
人类对热现象的认识首先源于对火的认识？一、古代物理学中的热学
古代西方：火、土、水、气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。
二、17、18世纪对热的认识
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。
三、19世纪的热学
在1644年笛卡儿在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，又不变无”，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=1/2mv2；并建议用1/2mv2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。
四、现代物理中的热学在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。（未完待续）
253 物理学之热学 中
五、热力学
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。热力学是总结物质的宏观现象而得到的热学理论，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。
热力学三定律是热力学的基本理论。热力学第一定律反映了能量守恒和转换时应该遵从的关系，它引进了系统的态函数——内能。热力学第一定律也可以表述为：第一类永动机是不可能造成的。
热学中一个重要的基本现象是趋向平衡态，这是一个不可逆过程。例如使温度不同的两个物体接触，最后到达平衡态，两物体便有相同的温度。但其逆过程，即具有相同温度的两个物体，不会自行回到温度不同的状态。
这说明，不可逆过程的初态和终态间，存在着某种物理性质上的差异，终态比初态具有某种优势。1854年克劳修斯引进一个函数来描述这两个状态的差别，1865年他给此函数定名为熵。
1850年，克劳修斯在总结了这类现象后指出：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化，这就是热力学第二定律的克氏表述。几乎同时，开尔文以不同的方式表述了热力学第二定律的内容。
用熵的概念来表述热力学第二定律就是：在封闭系统中，热现象宏观过程总是向着熵增加的方向进行，当熵到达最大值时，系统到达平衡态。第二定律的数学表述是对过程方向性的简明表述。
1912年能斯脱提出一个关于低温现象的定律：用任何方法都不能使系统到达绝对零度。此定律称为热力学第三定律。
热力学的这些基本定律是以大量实验事实为根据建立起来的，在此基础上，又引进了三个基本状态函数：温度、内能、熵。共同构成了一个完整的热力学理论体系。此后，为了在各种不同条件下讨论系统状态的热力学特性，又引进了一些辅助的状态函数。如焓、亥姆霍兹函数（自由能）、吉布斯函数等。这会带来运算上的方便，并增加对热力学状态某些特性的了解。
从热力学的基本定律出发。应用这些状态函数，利用数学推演得到系统平衡态各种特性的相互联系，是热力学方法的基本内容。
热力学理论是普遍性的理论，对一切物质都适用，这是它的优点，但它不能对某种特殊物质的具体性质作出推论。例如讨论理想气体时，需要给出理想气体的状态方程；讨论电磁物质时，需要补充电磁物质的极化强度和场强的关系等。这样才能从热力学的一般关系中。得出某种特定物质的具体知识。平衡态热力学的理论已很完善，并有广泛的应用。但在自然界中，处于非平衡态的热力学系统（物理的、化学的、生物的）和不可逆的热力学过程是大量存在的。因此，这方面的研究工作十分重要，并已取得一些重要的进展。
目前，研究非平衡态热力学的一种理论是在一定条件下，把非平衡态看成是数目众多的局域平衡态的组合，借助原有的平衡态的概念描述非平衡态的热力学系统。并且根据“流”和“力”的函数关系，将非平衡态热力学划分为近平衡区（线性区）和远离平衡区（非线性区）热力学。这种理论称为广义热力学，另一种研究非平衡态热力学的理论是理性热力学。它是以热力学第二定律为前提。从一些公理出发，在连续媒质力学中加进热力学概念而建立起来的理论。它对某些具体问题加以论证，在特殊的弹性物质的应用中取得了一定成果。
非平衡态热力学领域提供了对不可逆过程宏观描述的一般纲要。对非平衡态热力学或者说对不可逆过程热力学的研究。涉及广泛存在于自然界中的重要现象，是正在探讨的一个领域。如平衡态的热力学和统计力学的关系一样，从微观运动的角度研究非平衡态现象的理论是非平衡态统计力学。
第二定律
热力学第二定律主要内容？1。热传导的方向性
热传导的过程是有方向性的，这个过程可以向一个方向自发地进行，但是向相反的方向却不能自发地进行。
2。第二类永动机
只有单一的热源，它从这个单一热源吸收的热量，可以全部用来做功，而不引起其他变化。人们把这种想象中的热机称为第二类永动机。第二类永动机不可能制成，表示机械能和内能的转化过程具有方向性。
3。热力学第二定律
热力学第二定律有多种表述。下面给出常见的两种。
一种表述是：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化。这是按照热传导的方向性来表述的。
另一种表述是：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功。而不引起其他变化。这是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的，它也可以表述为：第二类永动机是不可能制成的。
4。能量耗散
能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有的方向性。
研究对象
自然界物质运动形式具有多样性；除了存在如汽车、火车的运行。车床飞轮的飞转，天体运动等一类现象之外；还有物质的热胀冷缩、热传导、扩散；导体电阻率随温度变化及物质可进行固、液、汽三种状态的变化等另外一类现象。前者的特征是物体的空间位置发生变化；被称为机械运动现象，力学研究其规律；仔细分析后一类现象，会发现存在一共同的特点，即都与温度有关。我们将这一类的物质物理性质随温度变化的现象称为热现象。
热现象的产生是物质内部大量分子无规则运动导致的。当讨论和研究热现象规律时，物体的整体宏观机械运动已不再属于讨论的范畴；人们将目光投向物质内部大量分子运动上。区别于机械运动物理概念，人们将由大量无规则运动的分子所组成的宏观物质以热现象为主要标志的运动形态称为热运动。
热现象是热运动的宏观表现；热运动是热现象的微观本质。
热运动不是孤立，往往在一定条件下可向其它运动形态转化。如摩擦生热、挥发降温、气缸内气体吸热对外做功、电流通过电阻发热和温差电池等。因此研究热运动同其它运动形态转化的规律也是热学研究的另一个重要基本内容。
热学是研究物质热现象、热运动规律以及热运动同其它运动形式之间转化规律的一门学科。（未完待续）
254 物理学之声学 上
声学是物理学一个分支，多科性的学科。是研究媒质中机械波的产生、传播、接收及其效应的科学。媒质包括物质各态（固体、液体和气体等），可以是弹性媒质也可以是非弹性媒质。机械波包括振动，声音，超声和次声。声学在现代社会的各方面都有重要的应用；最显著的例子是无线电波和噪音的控制工业。
声学是研究媒质中机械波（即声波）的科学，研究范围包括声波的产生，接受，转换和声波的各种效应。同时声学测量技术是一种重要的测量技术，有着广泛的应用。声学是物理学分支学科之一，是研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的科学。媒质包括物质各态（固体、液体和气体等），可以是弹性媒质也可以是非弹性媒质。机械波是指质点运动变化（包括位移、速度、加速度中某一种或几种的变化）的传播现象。机械波就是声波。
声音的产生
最简单的声学就是声音的产生和传播，这也是声学研究的基础。
声音是由物体振动产生的。
声音的传播需要介质，它可在气体、液体和固体中传播，但真空不能传声。声音在不同物质中的传播速度也是不同的，一般在固体中传播的速度最快，液体次之，在气体中传播得最慢。并且，在气体中传播的速度还与气体的温度和压强有关。
声音的特点
有规律的悦耳声音叫乐音，没有规律的刺耳声音叫噪音。响度、音调和音色是决定乐音特征的三个因素。
响度。物理学中把人耳能感觉到的声音的强弱称为响度。声音的响度大小一般与声源振动的幅度有关，振动幅度越大，响度越大。分贝（db）则长用来表示声音的强弱。
音调。物理学中把声音的高、低称为音调。声音的音调高低一般与发生体振动快慢有关，物体振动频率越大，音调就越高。
音色。音色又叫音品。它反映了声音的品质和特色。不同物体发出的声音，其音色是不同的，因此我们才能分辨不同人讲话的声音、不同乐器演奏的声音等。
另外。有许多声音是正常人的耳朵听不到的。因为声波的频率范围很宽，由10hz到10hz。但正常人的耳朵只能听到20hz到20000hz之间的声音。通常把高于20000hz的声音称为超声波，低于20hz的声音称为次声波，在20hz到20000hz之间的声音称为可闻声。
研究历史
声音是人类最早研究的物理现象之一，声学是经典物理学中历史最悠久而当前仍在前沿的唯一分支学科。从上古起直到19世纪，都是把声音理解为可听声的同义语。世界上最早的声学研究工作在音乐方面。对声学的系统研究是从17世纪初伽利略研究单摆周期和物体振动开始的。从那时起直到19世纪，几乎所有杰出的物理学家和数学家都对研究物体振动和声的产生原理作过贡献。
1635年就有人用远地枪声测声速，假设闪光传播不需时间。以后方法不断改进，到1738年巴黎科学院用炮声测量。测得结果折合到0°c时，声速为332m/s，与最准确的数值331。45m/s只差1。5‰。牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中根据推理：振动物体要推动邻近媒质，后者又推动它的邻近媒质，等等，经过复杂而难懂的推导求得声速应等于大气压与密度之比的二次方根。l。欧拉在1759年根据这个概念提出更清楚的分析方法，求得牛顿的结果。但是由此算出的声速只有288m/s，与实验值相差很大。j。l。r。达朗伯于1747年首次导出弦的波动方程，并预言可用于声波。直到1816年，p。s。m。拉普拉斯指出只有在声波传播中空气温度不变时牛顿的推导才正确。而实际上在声波传播中空气密度变化很快，不可能是等温过程，而应该是绝热过程。因此，声速的二次方应是大气压乘以比热容比（定压比热容与定容比热容的比）γ与密度之比。据此算出声速的理论值与实验值就完全一致了。
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