熱學(xué)(thermology)是研究物質(zhì)處于熱狀態(tài)時的有關(guān)性質(zhì)和規(guī)律的物理學(xué)分支，它起源于人類對冷熱現(xiàn)象的探索。人類生存在季節(jié)交替、氣候變幻的自然界中，冷熱現(xiàn)象是他們最早觀察和認(rèn)識的自然現(xiàn)象之一。

簡介

熱學(xué)（Thermology）是研究物質(zhì)處于熱狀態(tài)時的有關(guān)性質(zhì)和規(guī)律的物理學(xué)分支，它起源于人類對冷熱現(xiàn)象的探索。

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(xiàn)了熱學(xué)領(lǐng)域的早期學(xué)說。中國戰(zhàn)國時代的鄒衍創(chuàng)立了五行學(xué)說，他把水、火、木、金、土稱為五行，認(rèn)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、氣是自然界的四種獨立元素。這些都是人們對自然界的早期認(rèn)識。

1714年，華倫海特改良水銀溫度計，定出華氏溫標(biāo)，建立了溫度測量的一個共同的標(biāo)準(zhǔn)，使熱學(xué)走上了實驗科學(xué)的道路。經(jīng)過許多科學(xué)家兩百年的努力，到1912年，能斯脫提出熱力學(xué)第三定律后，人們對熱的本質(zhì)才有了正確的認(rèn)識，并逐步建立起熱學(xué)的科學(xué)理論。

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

針對熱質(zhì)說不能解釋摩擦生熱的困難，許多科學(xué)家進(jìn)行了各種摩擦生熱的實驗，特別是朗福德的實驗，他用鈍鉆頭鉆炮筒，因鉆頭與炮筒內(nèi)壁摩擦，在幾乎沒產(chǎn)生碎屑的情況下使水沸騰；1840年以后，焦耳做了一系列的實驗，證明熱是同大量分子的無規(guī)則運動相聯(lián)系的。

焦耳的實驗以精確的數(shù)據(jù)證實了邁爾熱功當(dāng)量概念的正確性，使人們擯棄了熱質(zhì)說，并為能量守恒定律奠定了實驗基礎(chǔ)。與此同時，熱學(xué)的兩類實驗技術(shù)——測溫術(shù)和量熱術(shù)也得到了發(fā)展。

熱學(xué)主要研究熱現(xiàn)象及其規(guī)律，它有兩種不同描述方法——熱力學(xué)和統(tǒng)計物理。熱力學(xué)是其宏觀理論，是實驗規(guī)律。統(tǒng)計物理學(xué)是其微觀描述方法，它通過物理簡化模型，運用統(tǒng)計方法找出微觀量與宏觀量之間的關(guān)系。

發(fā)展簡史

人類對熱現(xiàn)象的認(rèn)識首先源于對火的認(rèn)識

古代物理學(xué)

古代西方：火、土、水、風(fēng)是構(gòu)成萬物的四個主要元素。

中國古代：金、木、水、火、土五行學(xué)說。

實際古代物理學(xué)主要成就是古代原子論，人們用古代原子論解釋一切現(xiàn)象，其特點是猜測性的思辨。

18世紀(jì)的熱學(xué)

熱是物質(zhì)內(nèi)部分子運動的表現(xiàn)這一基本思想逐步確立，但由于缺乏精確實驗根據(jù)，尚未形成科學(xué)理論。

18世紀(jì)中葉以后，系統(tǒng)的計溫學(xué)和量熱學(xué)的建立，使熱現(xiàn)象的研究走上實驗科學(xué)的道路，由于各種物理現(xiàn)象的相互聯(lián)系尚未被揭示出來，“熱質(zhì)”這一特殊的“物質(zhì)”被臆想出來,在以“將錯就錯”的形式發(fā)揮一定作用后最終退出歷史舞臺。

19世紀(jì)的熱學(xué)

在1644年笛卡兒在《哲學(xué)原理》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(zhì)的物理概念。隨著人們對自然界認(rèn)識的不斷加深和拓廣，逐步發(fā)現(xiàn)不同的物理現(xiàn)象之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系。德國科學(xué)家邁耶從哲學(xué)角度首先確定了這種永恒性，他堅信“無不生有，有不變無”，通過對馬拉車運動過程進(jìn)行了細(xì)致地分析，指明輪子摩擦散熱和馬做功一定有確定的比例；后來英國科學(xué)家焦耳通過大量精確和嚴(yán)格的實驗，測量出熱功當(dāng)量為4.18J/cal，確立了建立能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的實驗基礎(chǔ)；德國科學(xué)家亥姆霍茲最終建立了能量守恒定律的數(shù)學(xué)表達(dá)。他從v=推出了mgh=1/2mv^2,并建議用1/2mv^2代替mv表示機(jī)械運動的強(qiáng)弱，用來度量能量的改變。能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的建立過程說明了正確的哲學(xué)思想、嚴(yán)格的實驗和嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理是自然科學(xué)認(rèn)知過程的三個基本要素。

熱力學(xué)第一定律就是能量轉(zhuǎn)化與守恒定律在熱現(xiàn)象過程中的具體表現(xiàn)。在熱力學(xué)第一定律建立以后，德國物理學(xué)家克勞修斯和英國物理學(xué)家開爾文通過分別對法國工程師卡諾關(guān)于理想熱機(jī)效率問題研究成果的細(xì)致分析，各自獨立的發(fā)現(xiàn)了熱力學(xué)第二定律，并找到了反映物質(zhì)各種性質(zhì)的熱力學(xué)函數(shù)。

1850年前后，物理學(xué)界普遍認(rèn)識到了熱現(xiàn)象和分子運動的聯(lián)系，但微觀結(jié)構(gòu)和分子運動的物理圖像仍是模糊或未知的。憑借著對分子運動的假設(shè)和運用統(tǒng)計方法，克勞修斯正確地導(dǎo)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布規(guī)律和平衡態(tài)方面也做出了卓有成效的工作。后來吉布斯把玻耳茲曼和麥克斯韋所創(chuàng)立的統(tǒng)計方法推廣而發(fā)展成為系統(tǒng)的理論，將平衡態(tài)和漲落現(xiàn)象統(tǒng)一起來并結(jié)合分子動理論一起構(gòu)成統(tǒng)計物理學(xué)。

現(xiàn)代物理的熱學(xué)

在1900年歐洲物理年會上，英國物理學(xué)家開爾文發(fā)表過一段非常著名的講話，其中他不僅講道“19世紀(jì)已將物理學(xué)大廈全部建成，今后物理學(xué)家的任務(wù)就是修飾完善這座大廈了”，而且又講道“在物理學(xué)的天空中幾乎一片晴朗，只存在兩朵烏云?！彼傅膬啥錇踉破鋵嵕褪沁~克爾遜—莫雷測量“以太風(fēng)”實驗和測量黑體輻射實驗中用現(xiàn)有的經(jīng)典物理無法解釋。后來對“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(jīng)典牛頓時空觀的嚴(yán)重缺陷；而對黑體輻射能譜分布規(guī)律的研究及對熱容量的研究，揭示了經(jīng)典統(tǒng)計物理學(xué)理論的重大缺陷，發(fā)現(xiàn)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(shè)，用這種假設(shè)成功地揭示了黑體輻射問題。與量子力學(xué)的有機(jī)結(jié)合使經(jīng)典統(tǒng)計物理學(xué)發(fā)展成為量子統(tǒng)計物理學(xué)。二十世紀(jì)五十年代以后，非平衡態(tài)熱力學(xué)和統(tǒng)計物理學(xué)得到迅速發(fā)展，其代表人物是比利時物理學(xué)家普里高金。

熱力學(xué)

熱力學(xué)主要是從能量轉(zhuǎn)化的觀點來研究物質(zhì)的熱性質(zhì)，它揭示了能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式時遵從的宏觀規(guī)律。熱力學(xué)是總結(jié)物質(zhì)的宏觀現(xiàn)象而得到的熱學(xué)理論，不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和微觀粒子的相互作用。因此它是一種唯象的宏觀理論，具有高度的可靠性和普遍性。

熱力學(xué)三定律是熱力學(xué)的基本理論。熱力學(xué)第一定律反映了能量守恒和轉(zhuǎn)換時應(yīng)該遵從的關(guān)系，它引進(jìn)了系統(tǒng)的態(tài)函數(shù)——內(nèi)能。熱力學(xué)第一定律也可以表述為：第一類永動機(jī)是不可能造成的。

熱學(xué)中一個重要的基本現(xiàn)象是趨向平衡態(tài)，這是一個不可逆過程。例如使溫度不同的兩個物體接觸，最后到達(dá)平衡態(tài)，兩物體便有相同的溫度。但其逆過程，即具有相同溫度的兩個物體，不會自行回到溫度不同的狀態(tài)。

這說明，不可逆過程的初態(tài)和終態(tài)間，存在著某種物理性質(zhì)上的差異，終態(tài)比初態(tài)具有某種優(yōu)勢。1854年克勞修斯引進(jìn)一個函數(shù)來描述這兩個狀態(tài)的差別，1865年他給此函數(shù)定名為熵。

1850年，克勞修斯在總結(jié)了這類現(xiàn)象后指出：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化，這就是熱力學(xué)第二定律的克氏表述。幾乎同時，開爾文以不同的方式表述了熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容。

用熵的概念來表述熱力學(xué)第二定律就是：在封閉系統(tǒng)中，熱現(xiàn)象宏觀過程總是向著熵增加的方向進(jìn)行，當(dāng)熵到達(dá)最大值時，系統(tǒng)到達(dá)平衡態(tài)。第二定律的數(shù)學(xué)表述是對過程方向性的簡明表述。

1912年能斯脫提出一個關(guān)于低溫現(xiàn)象的定律：用任何方法都不能使系統(tǒng)到達(dá)絕對零度。此定律稱為熱力學(xué)第三定律。

熱力學(xué)的這些基本定律是以大量實驗事實為根據(jù)建立起來的，在此基礎(chǔ)上，又引進(jìn)了三個基本狀態(tài)函數(shù)：溫度、內(nèi)能、熵，共同構(gòu)成了一個完整的熱力學(xué)理論體系。此后，為了在各種不同條件下討論系統(tǒng)狀態(tài)的熱力學(xué)特性，又引進(jìn)了一些輔助的狀態(tài)函數(shù)，如焓、亥姆霍茲函數(shù)(自由能)、吉布斯函數(shù)等。這會帶來運算上的方便，并增加對熱力學(xué)狀態(tài)某些特性的了解。

從熱力學(xué)的基本定律出發(fā)，應(yīng)用這些狀態(tài)函數(shù)，利用數(shù)學(xué)推演得到系統(tǒng)平衡態(tài)各種特性的相互聯(lián)系，是熱力學(xué)方法的基本內(nèi)容。

熱力學(xué)理論是普遍性的理論，對一切物質(zhì)都適用，這是它的優(yōu)點，但它不能對某種特殊物質(zhì)的具體性質(zhì)作出推論。例如討論理想氣體時，需要給出理想氣體的狀態(tài)方程；討論電磁物質(zhì)時，需要補(bǔ)充電磁物質(zhì)的極化強(qiáng)度和場強(qiáng)的關(guān)系等。這樣才能從熱力學(xué)的一般關(guān)系中，得出某種特定物質(zhì)的具體知識。平衡態(tài)熱力學(xué)的理論已很完善，并有廣泛的應(yīng)用。但在自然界中，處于非平衡態(tài)的熱力學(xué)系統(tǒng)(物理的、化學(xué)的、生物的)和不可逆的熱力學(xué)過程是大量存在的。因此，這方面的研究工作十分重要，并已取得一些重要的進(jìn)展。

21世紀(jì)以來，研究非平衡態(tài)熱力學(xué)的一種理論是在一定條件下，把非平衡態(tài)看成是數(shù)目眾多的局域平衡態(tài)的組合，借助原有的平衡態(tài)的概念描述非平衡態(tài)的熱力學(xué)系統(tǒng)。并且根據(jù)“流”和“力”的函數(shù)關(guān)系，將非平衡態(tài)熱力學(xué)劃分為近平衡區(qū)(線性區(qū))和遠(yuǎn)離平衡區(qū)(非線性區(qū))熱力學(xué)。這種理論稱為廣義熱力學(xué)，另一種研究非平衡態(tài)熱力學(xué)的理論是理性熱力學(xué)。它是以熱力學(xué)第二定律為前提，從一些公理出發(fā)，在連續(xù)媒質(zhì)力學(xué)中加進(jìn)熱力學(xué)概念而建立起來的理論。它對某些具體問題加以論證，在特殊的彈性物質(zhì)的應(yīng)用中取得了一定成果。

非平衡態(tài)熱力學(xué)領(lǐng)域提供了對不可逆過程宏觀描述的一般綱要。對非平衡態(tài)熱力學(xué)或者說對不可逆過程熱力學(xué)的研究，涉及廣泛存在于自然界中的重要現(xiàn)象，是正在探討的一個領(lǐng)域。如平衡態(tài)的熱力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)的關(guān)系一樣，從微觀運動的角度研究非平衡態(tài)現(xiàn)象的理論是非平衡態(tài)統(tǒng)計力學(xué)。

熱力學(xué)第零定律

來由

熱平衡定律是否勒（Fowler）于1939年提出的，因為它獨立于熱力學(xué)第一定律、第二定律和第三定律之外，但又不能列在這三個定律之后，故稱為熱力學(xué)第零定律。

內(nèi)容

在不受外界影響的情況下，只要A和B同時與C處于熱平衡，即使A和B沒有熱接觸，它們?nèi)蕴幱跓崞胶鉅顟B(tài)。

物理意義

互為熱平衡的物體之間必存在一個相同的特征——它們的溫度是相同的。

不僅給出了溫度的概念，而且指出了判別溫度是否相同的方法。

熱力學(xué)第一定律

表述形式

熱量可以從一個物體傳遞到另一個物體，也可以與機(jī)械能或其他能量互相轉(zhuǎn)換，但是在轉(zhuǎn)換過程中，能量的總值保持不變。

熱力學(xué)第二定律

熱傳導(dǎo)的方向性

熱傳導(dǎo)的過程是有方向性的，這個過程可以向一個方向自發(fā)地進(jìn)行，但是向相反的方向卻不能自發(fā)地進(jìn)行．

第二類永動機(jī)

只有單一的熱源，它從這個單一熱源吸收的熱量，可以全部用來做功，而不引起其他變化．人們把這種想象中的熱機(jī)稱為第二類永動機(jī)．第二類永動機(jī)不可能制成，表示機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過程具有方向性．

表述

熱力學(xué)第二定律有多種表述，下面給出常見的兩種．

克勞修斯表述：不可能使熱量由低溫物體自發(fā)的傳遞到高溫物體，而不引起其他變化．這是按照熱傳導(dǎo)的方向性來表述的．

開爾文表述：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化．這是按照機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化過程的方向性來表述的，它也可以表述為：第二類永動機(jī)是不可能制成的．

能量耗散

能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有的方向性．

研究對象

自然界物質(zhì)運動形式具有多樣性,除了存在如汽車、火車的運行，車床飛輪的飛轉(zhuǎn)，天體運動等一類現(xiàn)象之外,還有物質(zhì)的熱脹冷縮、熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散,導(dǎo)體電阻率隨溫度變化及物質(zhì)可進(jìn)行固、液、汽三種狀態(tài)的變化等另外一類現(xiàn)象。前者的特征是物體的空間位置發(fā)生變化,被稱為機(jī)械運動現(xiàn)象，力學(xué)研究其規(guī)律;仔細(xì)分析后一類現(xiàn)象，會發(fā)現(xiàn)存在一共同的特點，即都與溫度有關(guān)。我們將這一類的物質(zhì)物理性質(zhì)隨溫度變化的現(xiàn)象稱為熱現(xiàn)象。

熱現(xiàn)象的產(chǎn)生是物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則運動導(dǎo)致的.當(dāng)討論和研究熱現(xiàn)象規(guī)律時，物體的整體宏觀機(jī)械運動已不再屬于討論的范疇,人們將目光投向物質(zhì)內(nèi)部大量分子運動上。區(qū)別于機(jī)械運動物理概念，人們將由大量無規(guī)則運動的分子所組成的宏觀物質(zhì)以熱現(xiàn)象為主要標(biāo)志的運動形態(tài)稱為熱運動。

熱現(xiàn)象是熱運動的宏觀表現(xiàn),熱運動是熱現(xiàn)象的微觀本質(zhì)。

熱運動不是孤立，往往在一定條件下可向其它運動形態(tài)轉(zhuǎn)化。如摩擦生熱、揮發(fā)降溫、氣缸內(nèi)氣體吸熱對外做功、電流通過電阻發(fā)熱和溫差電池等。因此研究熱運動同其它運動形態(tài)轉(zhuǎn)化的規(guī)律也是熱學(xué)研究的另一個重要基本內(nèi)容。

熱學(xué)是研究物質(zhì)熱現(xiàn)象、熱運動規(guī)律以及熱運動同其它運動形式之間轉(zhuǎn)化規(guī)律的一門學(xué)科。

熱學(xué)公式集合

Q=mc△T

△v=βv'△T

Q=mL

e=Q-Q'/Q

△L=αL'△T

e=T-T'/T