如果将热力学、第二定律运用于宇宙,这一典型的孤立系统,将得到这样的结论:1.宇宙能量守恒,2.宇宙的熵不会减少。那么将得到,宇宙的熵终将达到极大值,即宇宙将最终达到热平衡,称。
在十九世纪,对于热寂说有两个较为有影响的驳斥,一个是由玻尔兹曼提出的“涨落说”(1872),另一个是恩格斯利用运动不灭在《》中进行的驳斥(1876)。现今对于宇宙的理解(1.宇宙在膨胀;2.宇宙,作为自引力系统,是具有负热容的不稳定系统)指出宇宙是不稳定的热力学系统,并不像静态宇宙模型所设想的那样具有平衡态,因而其熵亦无值,即热寂并不存在
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19世纪初,由于蒸汽机的进一步发展,迫切需要研究热和功的关系,对蒸汽机“出力”作出理论上的分析,所以热与机械功的相互转化得到了广泛的研究
[2] 。
能量转化和守恒定律的建立
埃瓦特(Peter Ewart,1767—1842)对煤的燃烧所产生的热量和由此提供的“机械动力”之间的关系作了研究,建立了定量联系。
丹麦工程师和物理学家柯尔丁(L.Colding,1815—1888)对热、功之间的关系也作过研究。他从事过摩擦生热的实验,1843年
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对他的论文签署了如下的批语 “柯尔丁的这篇论文的主要思想是由于摩擦、阻力、压力等造成的机械作用的损失,引起了物体内部的如热、电以及类似的动作,它们皆与损失的力成正比。”
的在更早就从化学的研究得到了能量转化与守恒的思想。他原是瑞士人,3岁时国,当过医生,在彼得堡执教,他以热化学研究著称。
1836年赫斯向报告:“经过连续的研究,我确信,不管用什么方式完成化合,由此发出的热总是恒定的,这个原理是如此之明显,以至于如果我不认为已经被证明,也可以不加思索就认为它是一条公理。”
于1840年3月27日在一次科学院演讲中提出了一个普遍的表述:“当组成任何一种化学化合物时,往往会同时放出热量,这热量不取决于化合是直接进行还是经过几道反应间接进行。”以后他把这条定律广泛应用于他的热化学研究中。
赫斯的这一发现次反映了热力学定律的基本原理;热和功的总量与过程途径无关,只决定于体系的始末状态。体现了系统的内能的基本性质——与过程无关。赫斯的定律不仅反映守恒的思想,也包括了“力”的转变思想。至此,能量转化与守恒定律已初步形成。
其实法国工程师(Sadi Carnot,1796—1832)早在1830年就已确立了功热相当的思想,他在笔记中写道:“热不是别的什么东西,而是动力,或者可以说,它是改变了形式的运动,它是(物体中粒子的)一种运动(的形式)。当物体的粒子的动力消失时,必定同时有热产生,其量与粒子消失的动力精确地成正比。相反地,如果热损失了,必定有动力产生。”
“因此人们可以得出一个普遍命题:在自然界中存在的动力,在量上是不变的。准确地说,它既不会创生也不会消灭;实际上,它只改变了它的形式。”
卡诺未作推导而基本上正确地给出了热功当量的数值:370千克米/千卡。由于卡诺过早地
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去,他的弟弟虽看过他的遗稿,却不理解这一原理的意义,直到1878年,才公开发表了这部遗稿。这时,热力学定律早已建立了。
对能量转化与守恒定律作出明确叙述的,首先要提到三位科学家。他们是德国的迈尔(RobertMayer,1814—1878)、赫姆霍兹(Hermann von Helmholtz,1821—1894)和英国的焦耳。
迈尔的实验
迈尔是一位医生。在一次驶往印度尼西亚的航行中 ,迈尔作为随船医生,在给生病的船员放血时,得到了重要启示,发现静脉血不像生活在温带国家中的人那样颜色暗淡,而是像动脉血那样新鲜。当地医生告诉他,这种现象在辽阔的热带地区是到处可见的。他还听到海员们说,暴风雨时海水比较热。这些现象引起了迈尔的沉思。他想到,食物中含有化学能,它像机械能一样可以转化为热。在热带高温情况下,机体只需要吸收食物中较少的热量,所以机体中食物的燃烧过程减弱了,因此静脉血中留下了较多的氧。他已认识到生物体内能量的输入和输出是平衡的。迈尔在1842年发表的题为《热的力学的几点说明》中,宣布了热和机械能的相当性和可转换性,他的推理如下 :
“力是原因:因此,我们可以全面运用这样一条原则来看待它们,即‘因等于果’。设因c有果e,则c=e;反之,设e为另一果f之因,则有e=f等等,c=e=f=…=c在一串因果之中,某一项或某一项的某一部分绝不会化为乌有,这从方程式的性质就可明显看出。这是所有原因的个特性,我们称之为不灭性。”
接着迈尔用反证法,证明守恒性(不灭性):
“如果给定的原因c产生了等于其自身的结果e,则此行为必将停止;c变为e;若在产生e后,c仍保留全部或一部分,则必有进一步的结果,相当于留下的原因c的全部结果将>e,于是就将与前提c=e矛盾。”“相应的,由于c变为e,e变为f等等,我们必须把这些不同的值看成是同一客体出现时所呈的不同形式。这种呈现不同形式的能力是所有原因的第二种基本特性。把这两种特性放在一起我们可以说,原因(在量上)是不灭的,而(在质上)是可转化的客体。”
迈尔的结论是:“因此力(即能量)是不灭的、可转化的、不可秤量的客体。”
迈尔这种推论方法显然过于笼统,难以令人信服,但他关于能量转化与守恒的叙述是的完整表达。
迈尔在1845年发表了第二篇论文: 《有机运动及其与新陈代谢的联系》,该文更系统地阐明能量的转化与守恒的思想。他明确
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指出:“无不能生有,有不能变无”,“在死的和活的自然界中,这个力(按:即能量)永远处于循环转化的过程之中。任何地方,没有一个过程不是力的形式变化!”他主张:“热是一种力,它可以转变为机械效应。”论文中还具体地论述了热和功的联系,推出了气体定压比热和定容比热之差
Cp-
Cv等于定压膨胀功R的关系式。我们称C
p-C
v=
nR为迈尔公式。
[1] 接着迈尔又根据狄拉洛希(Delaroche)和贝拉尔德(Berard)以及杜隆(Dulong)气体比热的实验数据Cp=0.267卡/克·度、 Cv=0.188卡/克·度计算出热功。
计算过程如下:
在定压下使1厘米3空气加热温升1度所需的热量为:Qp=mcpΔt=0.000347卡(取空气密度ρ=0.0013克/厘米3)。相应地,在定容下加热同量空气温升 1度消耗的热Qv=0.000244卡。二者的热量差Qp-Qv=0.000103卡。另一方面,温度升高1度等压膨胀时体积增大为原体积的1/274倍;气体对外作的功,可以使1.033千克的水银柱升高1/274厘米。即功=1.033×1/27400 =3.78×10-5千克·米。于是迈尔得出热功当量为
J=A/(Qp-Qv)=3.78×10-5/1.03×10-7=367千克·米/千卡。
或3597焦耳/千卡,21世纪初的精确值为4187焦耳/千卡。
迈尔还具体地考察了另外几种不同形式的力。他以起电机为例说明了“机械效应向电的转化。”他认为:“下落的力”(即重力势能)可以用“重量和(下落)高度的乘积来量度。”“与下落的力转变为运动或者运动转变为下落的力无关,这个力或机械效应始终是不变的常量。”
迈尔个在科学史中将热力
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学观点用于研究有机世界中的现象,他考察了有机物的生命活动过程中的物理化学转变,确信“生命力”理论是荒诞无稽的。他证明生命过程无所谓“生命力”,而是一种化学过程,是由于吸收了氧和食物,转化为热。这样迈尔就将植物和动物的生命活动,从唯物主义的立场,看成是能的各种形式的转变。
1848年迈尔发表了《天体力学》一书,书中解释陨石的发光是由于在大气中损失了动能。他还应用能量守恒原理解释了潮汐的涨落。迈尔虽然个完整地提出了能量转化与守恒原理,但是在他的著作发表的几年内,不仅没有得到人们的重视,反而受到了一些著名物理学家的反对。由于他的思想不合当时流行的观念,还受到人们的诽谤和讥笑,使他在精神上受到很大刺激,曾一度关进精神病院,倍受折磨。
从多方面论证能量转化与守恒定律的是德国的海曼·赫姆霍兹。他曾在著名的生理学家缪勒(Johannes Müller)的实验室里工作过多年,研究过“动物热。”他深信所有的生命现象都必得服从物理与化学规律。他早年在数学上有过良好的训练,同时又很熟悉力学的成就,读过牛顿、达朗贝尔、拉格朗日等人的著作,对拉格朗日的分析力学有深刻印象。他的父亲是一位哲学教授,和著名哲学家费赫特(Fichte)是好朋友。海曼·赫姆霍兹接受了前辈的影响,成了康德哲学的信徒,把自然界Rigid panels
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MICROTHERM MPS (Moulded Pipe Section)大统一当作自己的信条。他认为如果自然界的“力”(即能量)是守恒的,则所有的 “力” 都应和机械 “力” 具有相同的量纲, 并可还原为机械 “力”。1847年,26岁的赫姆霍兹写成了著名论文《力的守恒》,充分论述了这一命题 。这篇论文是1847年7月23日在柏林物理学会会议上的报告,由于被认为是思辨性、缺乏实验研究成果的一般论文,没有在当时有国际声望的《物理学年鉴》上发表,而是以小册子的形式单独印行的。
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