 同学们，大家好。我是中科院物理所的研究员杨义峰。今天由我给大家讲热学的内容。我们第一讲的名称叫做“热的历史与热力学第零定律”。 相信大家都对力学和热学的内容已经有所了解，也会感觉到热学与力学之间的不同。在力学中，我们从牛顿力学出发，通过求解牛顿方程，可以研究一个物体或者一个小球它的位置和它的速度随着时间的演化。但是在热学中，我们不研究一个物体的时间演化，相反，我们研究一个物体它的各个不同属性之间的相互关系。比如说，我们研究一个气体它的体积随温度的变化，一个气体它的温度和它的热量之间的关系等等。这两门不同的学科代表了我们物理学的两种不同的研究方式，在物理学的研究中是同等重要的。  热力学大佬威廉·汤姆逊，也就是开尔文 爱因斯坦与热力学 01 爱因斯坦就对热学有着非常高的评价。大家都知爱因斯坦的主要工作是相对论——狭义相对论和广义相对论。在1905年——我们称为“爱因斯坦奇迹年”——在这一年他发表了5篇文章，奠定了相对论、量子力学、布朗运动的基础。但是很少为人所知的是，在之前的5年，从1900年到1904年呢，爱因斯坦每年也要发表一篇文章。那么在这些文章中，他所感兴趣的内容是热力学。他要为热力学奠定一个更好的物理基础。这些文章虽然没有引起大众的关注，但是为1905年爱因斯坦理论的爆发提供了基础。 所以爱因斯坦说：“经典热力学是唯一具有普适内容的物理学理论”，他深信在其基本概念可以适用的范围内，永远不会被推翻。  爱因斯坦 生活中的热现象 02 下面我们就具体来讲热学的内容。热学，顾名思义就是关于热现象的科学。那么热现象在我们的身边无处不在，比如我们在冬天的时候会感觉冷，在夏天的时候会感觉热。我们的体温是在36.5度左右，如果高于37度，我们就会感到发热；如果高于40度，我们的生命就遇到危险。水在冬天会结成冰，在夏天就会变成水蒸气，水蒸气就会变成雨......这些热现象在我们的身边无处不在。  我们的先民也在不断地接触这些热现象的过程中，认识到了这些热现象的一些规律。我们知道在古希腊有普罗米修斯盗火，那么在中国我们有燧人氏钻木取火——这些都是对热现象的认识和应用。在漫长的人类历史上，我们通过对热现象的观察，也总结了很多的经验和规律。比如说在先秦的《考工记》一书中就记录了利用火焰的颜色来判断火焰的温度，比如说从暗红色、橙色、黄色、白色、青色，火焰的温度就依次上升。在公元前三世纪，希罗在拜占庭也向人们演示过空气的热胀冷缩的现象。 但是要把这些关于热的经验的内容上升为一门科学还需要一个契机。这个契机是与一个伟大的物理学家相联系的，这个物理学家就是伽利略，把热的经验上升为科学，是从伽利略开始的。 温度计与温标 03 大家在学习热学的过程中应该对伽利略有所了解，知道伽利略他很多的著名的思想实验，比如说比萨斜塔实验，同样伽利略也把惯性引入了力学。伽利略在实验上也做出了杰出的贡献，他改进了望远镜，第一次观察到了月亮上的陨石坑。在我们热学的历史上，伽利略发明了第一个温度计，可以对一个物体的冷热程度进行测量。那么他的温度计是什么样子呢？ 我们可以想象有一个中空的玻璃球，下面有一个长的管子。玻璃球可以用手捂热，然后我们把管子放在一个水杯里面，那么当玻璃球的温度降下来的时候，水平面就会上升。这样的话随着外界温度的变化，我们就会看到水平面也会随之而变化。这样一个温度计它就利用空气的热胀冷缩的现象来测量外界温度的变化。  伽利略的温度计 这当然是一个非常粗糙的测量，但是从伽利略之后就有众多的人对它进行了一些改进。那么这个改进呢，比如说我们可以把这个装置倒过来，我们可以把里面空气的热胀冷缩的性质，把它替换为酒精，替换为水银，甚至替换为金属，通过这些物质的热胀冷缩来判断外界的温度。 我们今天在日常生活中常用的就是所谓的水银温度计。如果我们来看水银温度计的话，我们就可以看到水银温度计它主要的构成是两个部分：第一个部分是下面有一个水银泡，里面装满了水银，我们在测温的时候，把水银泡和我们的身体相接触，这样的话水银泡它就会感受到我们身体的温度，就会根据水银泡本身的热胀冷缩现象，它外面的水银柱的长度会发生变化；第二部分就是水银温度计上面水银柱外的刻度，这个刻度根据水银柱的长度、位置来告诉我们要测量的物体的温度。  17世纪意大利西芒托学院制造的一种温度计  1659年，法国天文学家布里奥发明了第一支水银温度计 那么水银柱外面的刻度，就是所谓的温标——温度计外面的刻度。我们国际上目前通用的也是我们所熟悉的温标，它是在1742年由瑞典天文学家摄尔修斯发明的，摄尔修斯当时将水的冰点设为100度，将沸点设为零度，那么今天我们将它反了过来，将水的冰点设为零度，沸点设为100度。大家看电影特别是美国电影的时候，会看到另外一种温标，就是所谓的华氏温标。华氏温标是在1714年由德国物理学家法伦海特发明的，华氏温标和摄氏温标之间的关系是什么呢？1℃就对应着华氏温度的1.8℉，同时在摄氏度的冰点0℃对应着华氏温度的32℉。这样一来我们人体的温度一般是36℃多，那么就转化为华氏温度的差不多是98℉。 那么这个背后还有一个故事，为什么是98℉ 而不是其它的。事实上法伦海特在创造华氏度的时候，他参照了他妻子的体温，他将他妻子的体温定为100℉，但是后面为了严格起见在不断地修正温标修正的过程中最终就变成了98℉。此外还有一些用的更少的温标，比如说列氏温标。 在科学上我们目前主要用的一种温标是绝对温标。绝对温标是在1848年由英国物理学家开尔文或者说是原名叫汤姆森所创造的。绝对温标和摄氏温标之间的关系是对应的，一个绝对温标也就是一个开尔文，对应于我们摄氏温标的1℃。但是它们温度的零点是不一样的，摄氏温标的0℃对应着绝对温标的273.15K；绝对温标的0K就对应于摄氏温标的-273.15℃。 绝对零度和它相伴的有一个叫做热力学第三定律热力学第三定律告诉我们什么呢？我们永远不能够达到绝对零度（热力学第三定律：绝对零度永远无法达到），也就是说“绝对零度”的定义了——我们宇宙的一个温度的极限状态，我们永远没有办法达到，我们只能无限地接近，但是永远没有办法达到绝对零度。  没有办法达到绝对零度 我们的宇宙在诞生的初期，它的温度是非常高的，可以达到1032K（即普朗克温度）甚至更高的量级。随着宇宙的演化，宇宙的温度也在不断的降低,在温度降低的过程中就逐渐地形成了原子核、原子、各种元素，最终形成我们的银河系、我们的太阳系等等。那么今天我们宇宙的背景温度已经降到了2.7K。我们日常生活中所关注的比如说我们日常生活的室温，在摄氏度的情况下大概是30℃左右，在绝对温标下它就对应着300K。太阳表面的温度是5000多℃，或者5000多接近6000K——太阳中间的温度可以达到1500万K。 热量守恒与布尔哈夫疑难 04 温度计和温标就为我们对热现象的冷热程度的测量提供了一个定量的方式，温度计和温标为定量研究热现象提供了可能。这样一来，我们就可以对各种现象它的温度进行一个定量的研究。 比如说我们可以用温度计来测量每杯水的温度。比如说这杯水的温度它可以是80℃，而这是一杯冷水它的温度是20℃，我们也可以问这样一个问题：当我们把两杯水给混合起来之后，它们的温度会达到多少？我们知道一杯热水和一杯冷水混在一块，它会变成一杯温水。如果我们没有温度计，我们就没有办法对这个现象进行定量的研究。那么现在有了温度计，有了温标，我们就可以对这个现象进行测量。 在18世纪早期，就有一位荷兰的科学家布尔哈夫对这个问题进行了定量的研究，他就发现“当我们把等体积的20℃的水和80℃的水混合在一块的时候，它最终温水的温度恰好是50℃”这样一个事情。我们仔细地来考虑一下。我们把热水的温度80℃和冷水的温度20℃把它给加在一块恰好是100℃。那么后面的两杯温水，它恰好是两份，那么50再加50还是100——也就意味着说，在混合之前两杯水的温度的和，就等于混合后的同样是两份的水的温度之和。在当时如果我们可以把热量用温度来标定，布尔哈夫由此就得到了一个结论：物体它在混合的时候，它的热量是守恒的，它既不能被创造也不能被消灭，它可以从一个物体流动到另外一个物体，但是在这个过程中它的总量守恒——这就是所谓的热量守恒定律（热量守恒定律：热量是守恒的，既不能被创造也不能被消灭）。  布尔哈夫 那么得到了这个定律之后，自然我们就要想它是否适用于其他的物体。布尔哈夫也就将这样一个水又进一步地和水银进行混合。但是不幸的是他发现，对于水和水银的混合来说它并不满足这样一种“定律”。人们尝试了各种办法，我们知道水和水银的比重是不同的，我们可以将等质量的水和水银混合，我们也可以将等体积的水和水银混合，但是最终都没有能够解决这个问题。 热量与温度的区分和量热器 05 这个问题一直到了20年后，在1755年由一个叫布莱克的英国科学家所解决。布莱克就继承了他老师的工作，他们就研究了冰和水之间的混合，他就发现一个很有意思的现象就是将0℃的冰和等质量差不多接近80℃的水混合起来，他们又会发现冰会全部转化为水，但是混合的水的温度仍然是0℃。这个现象就非常有意思，它就告诉大家，冰在熔化的过程中虽然它的温度可以保持不变，但是它仍然会吸收热量，这样它所吸收的热量就被叫做潜热。第二个，它也告诉我们温度并不能够用来衡量一个物体所含有的热的多少，同样是0℃，水所含有的热量就比冰要多。 在这个基础上，布莱克就提出不能单纯的用温度来作为热现象的一个单一的衡量标准，事实上热现象还应该有另外一个量来衡量，这就是热量（热量不同于温度）。在冰转化为水的这样一个潜热的基础上，布莱克就提出了他自己的量热术，发明了世界上最早的冰量热器。当我们要测量一个物体它的热量的时候，我们把这个物体放在冰量热器中，当这个物体它的温度和冰达到了一致0℃，那么有一部分的冰就会转化为水，这个水就会流下来，我们就可以对这些水的质量进行测量。我们就通过这些冰转化为水的质量可以来估计我们要测量的物体它所含有的热量。  世界上第一个冰量热器 这样布莱克就澄清了关于热现象的两个基本的概念。一个是温度，用来测量一个物体它的冷热程度，另外一个是热量，用来测量一个物体它所含有的热的量的多少。对温度和热量，我们分别可以用温度计和量热器来进行测量。这样一来就为整个热现象的研究就奠定了一个科学的基础，一个实验的基础。 爱因斯坦对这样一个事情具有非常高的评价，他在他著名的《物理学的进化》一书中说，用来描述热现象的基本概念是温度和热量，在科学史上经过了非常长的时间才把这两个概念区别开来，但是一经辨别清楚，就使科学得到了飞速的发展。  对热现象的定量化研究 事实上也是这样。从18世纪中叶1755年布莱克的工作之后，再到18世纪末19世纪，我们就在对热现象的定量的研究的基础上，建立了热力学的三大定律，最终建立起来了热力学的整个框架。 热平衡与热力学第零定律 06 20世纪初期，当人们回顾这段历史，试图把热力学建成一个公理化的框架的时候，人们就发现正是温度的概念构成了热力学整个大厦的基础。所以在1931年，科学家就提出了所谓的“热力学第零定律”——如果两个热力学系统都与第三个系统处于热平衡，则这两个系统也必然处于热平衡。这是什么意思？我们来考虑两个物体，它们开始可能都有不同的温度，现在当我们把物体接触在一块的时候，经过一段的时间最终它们会达到一个平衡的状态——也就是说它们的温度、它们的宏观的状态、它们的冷热程度不再随着时间演化，我们就将这样一个状态叫做两个物体处在一个热平衡的状态。 现在我们可以把它分开，我们用温度计来对一个物体进行测量，温度计会告诉我们关于这个物体它的冷热的一个程度，也就是它的温度。那么在这个过程中温度计也与这个物体达到了一个热平衡，达到了在宏观上不再发生变化的状态，也就是说它的温度处在一个稳定的状态。 现在我们可以将温度计再拿过来，来测量另一个物体。原则上我们温度计的宏观状态也不应该再发生变化，也就是说这个物体它的温度也应该是我们温度计所指示的温度。那么如果这两个物体不能处在一个热平衡的状态，也就是说温度计当它和这个物体处于一个热平衡状态，然后再来测量这样一个物体的时候，那么它的宏观状态要发生改变，也就是说它的温度要发生改变——这就意味着什么呢？我们就没有办法为这两个在我们看来冷热程度相同的物体设定同一个温度，那么温度的概念的基础也就不存在了，温度的概念的基础不存在了，那整个热力学的基础也就不复存在了。 所以热力学第零定律就告诉大家，整个热力学现象，整个热力学现象的基础就是热平衡。正是因为有了热平衡，所以我们才能为物体来定一个温度。大家可能会觉得这好像看起来非常简单，非常平庸，并没有什么新奇的内容。但事实上这样一种热平衡的一种关系，并不是一个平庸的关系。 比如说我们有三个物体A、B、C，那么A和B处于热平衡状态，B和C处于热平衡状态，那么热力学第零定律告诉我们什么，就是A和C也处于热平衡的状态，这样一个关系是一个传递关系。并不是自然界所有的关系都可以满足这样一个传递关系，比如说A是B的朋友，B是C的朋友，那么A和C之间并不一定是朋友，他们可以是陌生人，甚至可以是情敌。所以正是在这样一个简单的事实的基础之上，我们就延伸出了非常深刻的内容。 所以爱因斯坦说，一个理论如果它的前提越简单，并且能够说明的各种类型的问题越多，它就会给人越加深刻的印象。正是因为这样，热力学给爱因斯坦留下了非常深刻的印象。所以爱因斯坦他就认为热力学它是唯一一个具有普适性内容的物理学理论，因此在热力学的基本概念可以适用的范围内，永远不会被推翻。 好，我们今天的课就到这儿。相信大家通过这门课，会对热学的历史有了更深的了解，也理解爱因斯坦为什么在开头对热力学有这么高的评价。我们下次课就继续讲述关于热学的内容。好，谢谢大家！ |
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