八、热力学研究热力学是研究热现象中物质系统（系统是指由大量分子、原子组成的物体或物体系）在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时，系统与外界相互作用的学科，即用物理理论研究工程热问题，研究热、功和其它能量之间的转换关系，接下来我们就来聊聊关于热的能量有3种 热的本质三?以下内容大家不妨参考一二希望能帮到您!

热的能量有3种 热的本质三

八、热力学研究

热力学是研究热现象中物质系统（系统是指由大量分子、原子组成的物体或物体系）在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时，系统与外界相互作用的学科，即用物理理论研究工程热问题，研究热、功和其它能量之间的转换关系。

卡诺是第一个把热和动力联系起来的人，1824年提出了卡诺定理，是热力学真正的理论基础建立者，卡诺的工作开创了热力学这门新的学科。之后，19世纪中期以来，克拉佩龙、亥姆霍兹、克劳修斯、开尔文、玻尔兹曼等超级牛人相继对热力学做了开拓性的贡献。

1843年克拉佩龙进一步发展了可逆过程的概念，给出了卡诺定理的微分表达式，是热力学第二定律的雏形。1847年，亥姆霍兹采用不同的方法，证实了各种不同形式的能量，如热量、电能、化学能，与功量之间的转换关系。在迈尔和焦耳研究的基础上，亥姆霍兹真正精确系统地确立了能量守恒原理，其中包括热量的守恒。

克劳修斯引入内能，提出了熵的概念，提出了热力学第二定律的一种表达形式（1850年），是历史上第一个精确表示热力学定律的科学家。他提出的克劳修斯不等式表示系统热的变化及温度之间的关系，是热力学第二定律的必然结果。他的工作为热力学的发展开辟了道路，并使热的运动学说得到了广泛的承认。1851年克劳修斯从热力学理论论证了克拉佩龙方程，用于描述单组分系统在相平衡时压强随温度的变化率；故这个方程又称克拉佩龙-克劳修斯方程。克拉佩龙-克劳修斯方程平衡判据广泛地应用于相平衡、化学平衡、界面平衡、电化学平衡的研究中；该方程将使得气体热力学的研究拓展到了化学领域。

开尔文在热力学上也做出了突出贡献，被认为是热力学的奠基人之一。他将热力学第一和第二定律公式化，其中第二定律的另外一种表达形式就是他在1851年提出的，也是至今通用的说法。1854年，他提出了绝对温标，是现在科学上的标准温标，他被称为热力学之父。事实上，卡诺是热力学研究的先驱和奠基人；尽管他凭借“热质说”的理论还有不少瑕疵，但仍为热力学开了一个好头。

玻尔兹曼也是热力学的奠基人之一，它提出了著名的玻尔兹曼熵公式，引进玻耳兹曼常量k，从统计意义对热力学第二定律进行了阐释，最先把热力学原理应用于辐射，导出热辐射定律，称斯特藩-玻尔兹曼定律。事实上，卡诺定理的诞生要早于热力学第二定律26年，可以看作是热力学第二定律的另一种表述；卡诺事实上成了热力学第二定律的奠基人。

1868年，麦克斯韦提出了温度的定性定律，他指出：“温度是表征一个物体与其他物体交换热量能力的热状态参数；如果两个物体处于热接触，其中一个失去热量，而另一个物体得到热量，则失去热量的物体比得到热量的物体，具有更高的温度；与同一物体具有相同温度的其他物体，它们的温度都相等”。麦克斯韦为热力学第零定律奠定了基础，对衡量热的参量之一的温度做了定性表述。

1860年俄国化学家盖斯发表热的加和性守恒定律，是化学热力学的基础。1873年吉布斯采用图解法研究流体的热力学，提出了三维相图；四年后提出了吉布斯自由能、化学势等概念，阐明了化学平衡、相平衡、表面吸附等现象的本质。两位化学家的工作导致热力学从此进入化学热力学阶段，而不仅仅是物理热力学了。克劳修斯的工作使得克拉佩龙方程推广应用到化学反应中。

1906年，能斯特提出了热力学第三定律，预测了处于绝对零度时系统的性质和熵的变化规律；当一个独立的系统的温度趋向于绝对零度时，其熵趋于定值。

热力学在生活中的应用是非常广泛的，小到空调制冷，大到工业革命的标志蒸汽机，其工作机制均受热力学三大定律支配。热力学将热与工程应用结合在一起，推动了工业生产的进程。

九、统计力学

统计力学是从微观出发，从研究分子的运动入手，根据物质的微观组成和相互作用，研究由大量粒子组成的宏观物体的性质和行为的统计规律，用统计的方法揭示了热现象的本质规律。统计力学可以阐明唯象热力学基本定律和热力学函数的微观意义，是对系统宏观性质更深入层次（微观结构）本质的认识。宏观规律无法说明涨落现象，而统计力学能够成功地解释并揭示出涨落的规律性，能很好地定性理解。它的不足是可靠性普遍性比较差，需要建立模型，但模型与实际有一定的差距，越接近现实的模型，数学上越复杂。统计力学的初级理论是气体动力学理论。

统计力学研究工作起始于气体分子运动论。由于克劳修斯、麦克斯韦和玻耳兹曼的一系列工作使气体动理论最终成为定量的系统理论。不单单他们三个，其他科学家也做了工作。1844年，焦耳研究了空气在膨胀和压缩时的温度变化，他在这方面取得了许多成就。通过对气体分子运动速度与温度的关系的研究，焦耳计算出了气体分子的热运动速度值，从理论上奠定了波义耳-马略特和盖-吕萨克定律的基础，并解释了气体对器壁压力的实质。1852年，焦耳与开尔文合作发现气体自由膨胀时温度下降的现象——焦耳-汤姆逊效应；他对蒸汽机的发展也做了不少工作。

1857年克劳修斯发展了气体动理论的基本思想，引入了分子的平移、旋转及振动运动，阐述了多个有关分子运动的问题，得出了平均自由程公式和理想气体压强公式。从气体是运动分子集合体的观点出发，他认为系统的宏观性质取决于大量分子运动的平均值；提出了建立分子运动论的前提——统计平均的概念。通过以分子碰撞器壁的研究揭示了气体定律的微观本质，对分子运动论领域作出了贡献。他进一步认为固液气三种聚集态的热都来自原子或分子的运动；为后来爱因斯坦和德拜的比热公式奠定了思想基础。

1860年，麦克斯韦给出了气体分子速率分布律，计算出了平均速率和方均根速率，提出了麦克斯韦分布；后来被玻尔兹曼推广到存在外力场即势能的情形，即麦克斯韦-玻尔兹曼分布；进一步发展了一般形式的输运理论，并把它应用于扩散、热传导和气体内摩擦过程。

玻尔兹曼方程描述了由分子组成的气体的统计性质，这是人类发现的第一个关于概率随时间变化的方程，也是第一个将宏观概念的熵与微观粒子的相互作用过程联系起来的方程。1872年他提出著名的H定理，把H函数和熵函数紧密联系起来；这是经典分子动力论的基础。同年建立了玻尔兹曼方程，是人类发现的第一个关于概率随时间变化的方程，也是第一个将宏观概念的熵与微观粒子的相互作用过程联系起来的方程。1877年他又提出了著名的玻尔兹曼熵公式，揭示了宏观态与微观态之间的联系，指出了热力学第二定律的统计本质。

这些伟大科学家的工作还是建立在经典物理学的范畴内。统计力学以经典力学为基础，因而也叫做经典统计力学，它也具有局限性。虽然很多现象都能得到解释，但是仍旧存在很多的不足，例如：随着温度趋于绝对零度，固体的热也趋于零的实验现象，就无法用经典统计力学来解释。还有黑体辐射，这被开尔文称之为“一朵乌云”。

十、量子论下的热学研究

1862年基尔霍夫提出绝对黑体的概念。为了解释黑体辐射，先后出现了维恩公式（维恩，1864-1928，德国物理学家，因发现热辐射规律——维恩位移定律和建立黑体辐射的维恩公式，获得了1911年诺贝尔物理学奖）和1900年瑞利从经典统计力学的角度提出的，1905年经金斯改造的关于热辐射的瑞利-金斯公式。但二者都存在困难，维恩公式在短波内与黑体辐射实验结果吻合；而瑞利-金斯公式在长波区域与实验符合得很好，但在短波范围同实验结果矛盾。

瑞利-金斯公式为量子论的出现准备了条件。而黑体辐射所展现出的问题，也就是著名的麦克斯韦-玻尔兹曼能量均分学说，最终导致了量子论革命的爆发。1900年，普朗克利用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利-金斯公式衔接起来，利用能量量子化的假说，提出了普朗克公式，与黑体辐射实验结果符合得很好；且在短波和长波两种极限的情况下能分别过渡到维恩公式和瑞利-金斯公式。在论证过程中提出普朗克常数，以便调和经典物理学理论研究热辐射规律时遇到的矛盾。他还发现普朗克辐射定律，是热辐射最基本的定律，即辐射能按波长分布的定律；与黑体辐射的实验数据吻合很好。

普朗克1900年所运用的是量子统计力学理论，标志着统计力学由经典统计力学过渡到量子统计力学阶段；也意味着热学研究进入了全新的阶段。应用量子统计力学就能使一系列经典统计力学无法解释的现象，如黑体辐射、低温下的固体比热容、固体中的电子为什么对比热的贡献如此小等等。

严格追究起来，玻尔兹曼最先把热力学原理应用于辐射，他导出热辐射定律，称斯特藩-玻尔兹曼定律，是热力学中的一个著名定律；它也能通过普朗克辐射定律推导而来。即，在量子论的热学研究中，最后得出的普朗克辐射定律居于核心地位。

量子理论的提出为热学研究开辟了新篇章。为了解释固体中的热现象，爱因斯坦将普朗克的量子观念引入固体比热研究，1906年提出了固体比热容的爱因斯坦模型，是第一次从非经典物理学的角度提出的方程。1912年德拜发现爱因斯坦的比热模型在低温下不吻合，于是改进了他的模型，提出了著名的德拜模型，弥补其在低温情形的不足，使得计算值与实际测试值吻合度较高。德拜模型把每个原子的振动都看成是独立线性振子，德拜所考虑的弹性波的简正振动能量也是量子化的，是最小能量hv的倍数。就这样，爱因斯坦和德拜把量子理论推广应用在了解释固体的热现象中。玻恩也曾经与冯·卡门合作利用量子论研究固体的比热。

十一、热学研究新动向

20世纪初以来，由于物理学的研究热点转向了相对论和量子力学以及核物理、粒子物理等领域，热学研究并未取得较大进展，也没有产生热学理论大师，一直延续到今日；但是对于热学工程应用的研究，无数的科技工作者仍在不断努力，提高热机效率，提高能源利用率。

人们对于热的本质的认识，贯穿于整个热学研究的发展历史，反映了人类对热能的本质及能量转换规律的认识、掌握和运用的历史，它是随着生产力提高、科技进步及社会发展而发展的，其中有曲折和反复。这个历史还远没有完结，它将随着人类文明、社会进步而不断地延伸下去。期待将来在读者朋友中能诞生新的热学大师，带来全新的理论，更大程度地促进社会文明的进步。