高等學校教學用書 力 王竹溪著 修 SU 高等教育出版社
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
目 第十章热力學方法論 8.熱學方法的特徵… 400 68.熱力學的局性…… 401 公理式熱力學 402 索引 外阈人名索引
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