序 本書悬駑大學物理專業編寫的教木。在糨寫中會觚亼考了蘇聯的 教學大綱和教材,同時也利用了吉布斯的和普朗克的觚典著作。除了 蘇聯的教學大綱所包含的内容以外,本書還涉及了一些較專門的問題, 討論這些較專門的問題谷節都用星號(*)標明。有三整章(第大、七、九 章)所討論的全是屬於教學大綱之外的較專門的問題。加人這些帶星 號的章節是駑了給教師一些叁考材料,同時也禽了讀者在學瞀熱力學 之後在麽用去解決實際問題時能得到進一步的理論知識。就是在沒有 標眀星號的各節中,也還有比較專門的問題,超出了教學大綱的範圍, 需要教師向學生交代淸楚。 本書内容牽涉很廣,著者學識有限,難免有許多錯誤和不绥當之 處。著者誠懇地要求使用本書的教師和讀者希以指正,以便在有再版 機會時改正。 1955年1月10日王竹深序於北京大學
目鏃 論 第一章温度 1.熱學中所討論的物體的性質……………… 2.溫度………………… 8.物態方程………………………… *4.喀喇氏溫度定理…… e,中,由单 *6,各種温度計 30 6.氣體溫度計的改正………………………………………34 7.→種新的定標凖溫度法… ………………………37 第→章習題 第二章熱力學第一定律 9.熟力學第一定律 和,看,甲,着,,中身··,,.· 10.熟量 11.熱容量及比熬 .,, 12.理想氣的內能… 13.理想幄的卡諾循瓚………… 72 第二章習題…… ………75 第三章熱力學第二定律 14.熱力學笫二定律 1,卡著定理及熵 1d.可逆循璟過程的用例子 L7.絕對訊度及理想氟的 均匀物貿的熱力,瀾絲 ()
綠 19.雹磁場的熱力譽…………… 20.熱射的熱力學…… 21.雒恩位移律…………………………………………… 2.熱力學数 23、不可逆,程的熟力學篤二定律的數表逃 ……126 2上,普珝克的熇定理證眀 *5.喀喇氏的熇定理證明… 第三章M题 148 第四單元系的復相平衡 26.熟動衡 音··非省音,普,,普·、、 27.單元系的複相俨衡 23.蒸方程 29.臨界點及氟液兩悲的相互崞變 174 30.有曲面分界的吓衡倏件… 186 1.水滴的形成和大小…………… 189 32.高級曼 …196 窮:阜暂題 …………201 第五資化學熱力學綱要 3.内能與化學成分的翮係 3.熱化大要 ……………212 35.熵與化學成分的闕係 36.複相柔的普逦T衡仵 37.相律… 228 38.混合理想氣懷的性質 231 39.理想氟體的化學T衡 A0.混合井理想氣體 41.二元系的机 ……25 .二元系復相于衡的熱力學理阶 264 *43.三元系的相圈 70 *41.多元系襄相衡玛 …273
錄 7 第六章邳衡的穠定性 45.袍論…… *46.單元系的檻定件 *47.單元系的共存相的個數 …24 °48.多元系的襦定保件 300 49.多元系的共存相的個数 ,,鲁,.,,香 …08 50.勒夏忒列原理… ………318 第六章習題 825 第七章溶液理論 *51.溶液的普通理論…………… 327 52.理想溶液 53.理想溶液的化學反應 64.電解…………… 5.強電解質……………………………… 846 第七章習題…………………………… 350 第八章熱力學第三定律 56.熱力學第三定律… 7.熵的數值 58.化學親合勢 59.化學常數…………………………………… 370 得到低溫的方法 ………371 第八章習題 B72 第九章重力場及彈性固體 ·61,重力場的熱力學………………………… 374 ·68.脅強及運勔方程 ·68.脅燮…………… …382 内能、熵及于衡件 65.熟力學公式… 6.彈性常數……………… 筇九章習題
赭論 熟學這一門科學起源於人類對於熱與冷现象的本質的追求。由於 在有史以前人類已經發明了火,我們可以想像到,追求熟冷现象的本 質的企可能是人類最初對自然界法則的追求之一。 大約在紀元前300年間,當戰國時,騶衍創為五行學說,可惜他的 書現在已經見不到了。五行學說大致是天地之間有五種氣,水、火、 木、金、土,名篇五行,是萬事萬物的根本。這個學說的一部分内容是把 五行配到一年的春夏秋冬四時,由五行的五種不同的性質引出四時不 同的事物。這一部分内容在呂氏春秋(紀元前239年)上记載下來了。 五行這一名詞首先見於尙書洪範篇。 中國古時候又有一種學說,認爲天地萬物是陰陽二化成的,而火 是陽氣的一種表。淮南子(紀元前164年)天文訓有下面一段話,可 以說明:“天地之襲精爲陰陽,隂陽之專精四時,四時之精散爲萬物。 積陽之熱氣久者生火,火氣之精者為日;積陰之氣久者水,水氣之 精者月。” 中國古時候對於火的這些看法是空想,不是科學。 在西方希臘,古時候關於的本質有兩個互相對立的說一個 說火是一種元素,與土、水、氣共是自然界的四種獨立的元素,自然界一 切物質都是這四種所粗成的。這個學說是由赫喇利突(Heraclitus)在 大約紀元前500年提出的。另一個學說認熟是物質的一種運動的表 (9)
10 現形態,這是根據摩擦生熱的現象而禔出的這兩種對立的學說長期停 留在空論階段,谊到十九世紀的中葉,科學的理論扌最後建立起來 在八世紀以前,人們對於熱只有一些大致的粗略的觀念,自然不 叮能建立正確的科學理論。自從1714年法倫海脫( Daniel Fahren heit,1686—1736)改良了水銀溫度計並定了華氏溫標以後,熱學才走 上質驗科學的道路。隨着實驗的進展,一種簡單的專駑解释實驗綪果 的熱的學說就應蓮而生了。這個學說叫做熱質說,它的主嚶内容是:熱 是一種流質,名卟熱質,可透入一切物餿之中,不生不滅一個物體是熱 還是冾,就看它所含熱質是多還是少。這個學說在顫質上就是希臘火 元素學說的進一步的發展。這個學說的最大缺點是不能解釋摩擦生熱 現象因而彩於被科學界所抛棄。 热質說相對立的學說是,熱是一種蓮動的表現形式。羅傑·培根 ( Roger Bacon,1914-1294)强調理論必須根據實驗事質,他根據摩擦 生熱現象而相信熱是一種蓮動。洛莫諾索夫( JOMOIIOCOB,I711-1765) 在“論熟與的原”(1744-1747)這籍論文裹断官熱是分子蓮動的表 現,以後他又提出了蓮動∵愜的欖念。最初用憤接實驗粘果來駮斥熱 質說的是倫丽德( Count Rumford,原名 Benjamin Thompson,175} 1814),他在1798年鼗表了一篇論夂,說明製造鎗砲所切下的碎屑溫慶 很高,而且在艦續不斷的工作之下這些高溫的碎屑艦續不斷地產生。因 吒他得到粘論,熱既然能糍續不斷地產生,就非是一種蓮動不可。再過 年(1799)戴雜( Humphry Davy,1778-1829)做了另外一個實驗來 支持熱是蘧動的學說。他把兩塊冰匡相摩擦,使完全熔化。這個實驗無 法用熱質說解釋因禽冰的熔解熱顯然是摩擦所供給的,而不是什麽熱 質。他們兩人的工作在常時並未在物理學界引起很大的影響,主要的 原因是他們沒有找到热量與功之問的数量關係。 最初提出熱量與功相常的說法,並且定出熱的功當量的是一個德 國醫生買厄( Julius rob^ rt Mayer,1814-1878),他在1842年發表了
精 論 11 一篇論文,提出能量守恆的理論,認禽燕是能量的種形式,可以與機 槭能互相轉化。他從筌氣的定壓比燕與定體比熱之差,算田熱的功當 量。佴當時然功當量還缺乏谊接的貨驗數據,因此買厄的理論還沒有被 物理學界所普逼接受。至於用實驗的方法求熟功當量,同時也就是用 實驗來證明熱是一種能量,可與機楸能和電能冮相轉化,換句話說,就 是用實驗來證明能量守恆定律,完全是焦耳( James Prescott Joule 1818-1889)的功籟。從1840年起他用電的熱效應,184年以後用爷 種不同的機械生熱法,來求熱功訾量。他做這一類的實驗,前後有二十 多年,用的方法是多種多樣的,所得的箱果都是一致的。到1850年,他 的實驗果已觚使科學界公認能量守恆駑自然界的規律,從此以後,熱 質說在物理學中就沒有任何地位了。 能量守恆定律就是熱力學第一定律。這個定律的建立,對於永動 機的造不成作了一個科學的最後钊决。同時,這個定律在物理學各部 門中廣泛的應用,推進了整個物理科學的發展。 繄接着熱力學第定律的建立開耳芬( Lord Kelvin,原名Wil liam Thomson,1824-1907)在1848年根谦卡諾( Sadi carnot,1796 1832)在18姓4年所發表的有名定理,製定絕對溫標,克勞修斯( Rudolf clausius,1822-1888)在1850年根據同一定理,建立熱力學第二定律。 恢照第二定律,從一個熱源取出燕來完全駑有用的功而不產生其他 效果,是不可能的。 以上所說的兩倜定律組成個系紕完整的熱力學。到1912年能斯 脫( Walther Nernst,1864-1941)又補充了一個關於低滥現象的定律, 可以叫做熱力學鏘三定律。道個定律說:絕對溫度的睿點是不可能達 到的。 热力摩是熱學理論的-方面,它是根據實驗果粽合整理而成的 有系統的理論。這種理論叫做宏觀理論,它所根據的是我們所能接 覜察的宏觀現象。在這種理論中只承認勰是一種能量,而不追問熟到
底是_種什麽樣的運動表現。因此,這種理論還是不够深刻的。 桀學理論的另-一方面是熱的分子學說這種理論叫做微觀理諭,因 駑它是根據於我們不能谊接觀察到的分子蓮動的假設,而分∮的世界 是所謂微觀世界。微觀世界中分了蓮動所表現臼滎的宏觀現象是一種 統計吓均的結果,丙此,在熱的孙子學說中我們必須用統計方法,所以 就把熱的分子學說卟做兟計物理學。計物理學是在1857年以後發 展起來的 十九世紀末年,唯心的唯能論者反對熱的分子學說,他們滿足於熱 力學的宏覜理論,認鷟子學說不是根據直接觀察到的事實因而是靠 不作的。質際上,有許多現象指示出分子學說的正確性,而到1908年 皮醐關於布朗運動的實驗給熱的分子學說供耠了無可辯駁的事實,糝 於把唯能論者徹底打敗。由於分子學說的發展,使人們對於物質的性 質有了進一步的更深刻的認識建立了一個豐宫的原子物理學頜域,因 而使整個物理學在二十世紀得到高度的發展。 熱學的實驗技術分駑兩大類,一是計溫術,一是量熱術。計溫術是 桀學實驗技術的基本,一切熟學實驗都離不開溫度的測量。膨脹係數 和壓箱係数等類的性質由計溫術即可測定。量熱術在初期只有混合法 一種,熱量是根據水的溫度改變而定的。從十九世紀末葉起,在電量熟 法大量應用之後,量熟術的精確度大大提高了。過去所用量熱的單 位卡現在巳觚不需要了,現在可以谊接用電能的單位焦耳來測定热量。 在十六世紀和十七世紀之交,伽利略根據空氣受熱而膨脹的道理, 製造了第一個驗溫器,耠溫度以定性的指示。最早的溫度計是費第南 第二( Grossherzog Ferdinand Il)在1660年所製造的,所用的材料是酒 精装在玻璃管内。但是疽到1714年法偷海脫選定了華氏溫標以後,溫 度的測量才有→個共同的標準,不同地點所量的溫度才能有方便的比 較方法。華氏溢標最初以氯化銨與冰混合物的溫度鷟0°,而以人的體 溫喬100°;以後改禽以冰水混合的溫度(冰點)籥32°,而以水沸騖的溫