趙海艷

(北京師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)中學(xué)豐臺(tái)學(xué)校 北京 100086)

在人教版和教科版的高中教材中,“熱力學(xué)第二定律”兩種說(shuō)法的提出，寥寥數(shù)語(yǔ)，沒(méi)有多做介紹.“熱力學(xué)第二定律”的兩種說(shuō)法，有著豐富的歷史過(guò)程，物理學(xué)史可以讓學(xué)生們更好地了解物理規(guī)律，能夠從中學(xué)習(xí)到嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)思維方法，以及他們的科學(xué)態(tài)度和世界觀.

本文詳細(xì)介紹了熱力學(xué)第二定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，為使學(xué)生們更深入地了解物理規(guī)律和科學(xué)家解決問(wèn)題的方法提供史料支撐，有助于培養(yǎng)學(xué)生的哲學(xué)思想，特別是有助于對(duì)學(xué)生物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀以及世界觀的培養(yǎng),從學(xué)史的角度體現(xiàn)了其教育功能.

1 熱力學(xué)第二定律之爭(zhēng)

1.1 熱力學(xué)第二定律提出的歷史背景

自從瓦特的分離式冷凝器蒸汽機(jī)問(wèn)世以后，到了19世紀(jì)蒸汽機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)中，盡管人們做了多種嘗試，但效率依然不高，如何減少熱的耗散量成為大家爭(zhēng)相解決的焦點(diǎn).第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不斷出現(xiàn),它們企圖利用從冷體向熱體傳輸熱量而使熱機(jī)工作，但是與事實(shí)是矛盾的，這就意味著有一個(gè)新的熱力學(xué)基本定律在起著作用，需要有一個(gè)新的熱力學(xué)基本定理對(duì)這些普遍的情況進(jìn)行說(shuō)明.

1.2 熱力學(xué)第二定律提出過(guò)程

19世紀(jì) 20 年代, 法國(guó)陸軍工程師卡諾( S. Carnot, 1796-1832) (圖1)從理論上研究了熱機(jī)的效率問(wèn)題.1912年卡諾在《看法》一書(shū)中，指出“單只是提供熱量，并不足以產(chǎn)生推動(dòng)力，必須還有冷，沒(méi)有冷，熱將是無(wú)用的”.并且“使用于提高液體溫度的熱素再回到A體中是不可能的.”[1]卡諾認(rèn)識(shí)到兩個(gè)熱源對(duì)于熱機(jī)而言是必要的，他指出熱機(jī)必須工作在兩個(gè)熱源之間，熱機(jī)的效率僅僅決定于兩個(gè)熱源的溫度差，而與工作物質(zhì)無(wú)關(guān)，在兩個(gè)固定熱源工作的所有熱機(jī)，以可逆機(jī)效率最高[2].但是由于卡諾相信“熱素說(shuō)”，他的結(jié)論里包含有不正確的成分.

圖1 卡諾工程師

例如：他將蒸汽機(jī)比擬為水輪機(jī)，熱質(zhì)比擬為流水，熱質(zhì)從高溫流向低溫，總量不變.他寫(xiě)道：“我們可以足夠確切地認(rèn)為熱的動(dòng)力取決于所用的熱質(zhì)的量以及熱質(zhì)的‘下落高度’，即交換熱質(zhì)的兩物體之間的溫度差”[3].卡諾的研究“差不多已經(jīng)探究到問(wèn)題的底蘊(yùn).阻礙他完全解決這個(gè)問(wèn)題的，并不是事實(shí)材料的不足，而是一個(gè)先入為主的錯(cuò)誤理論.”(恩格斯：《自然辯證法》)[4].

1824年，卡諾在卡諾循環(huán)基礎(chǔ)上提出了卡諾定理(Carnot principle)：

(1)在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切可逆熱機(jī)，其效率都相等，與工作物質(zhì)無(wú)關(guān).

(2)在相同的高溫?zé)嵩春拖嗤牡蜏責(zé)嵩撮g工作的可逆熱機(jī)的效率高于不可逆機(jī)的效率.

用“熱質(zhì)說(shuō)”論證了上述定理之后，湯姆孫( William Thomson, 1824-1907)(圖2)以此為依據(jù)，于1848年提出了與工作物質(zhì)無(wú)關(guān)的“熱力學(xué)溫標(biāo)”的設(shè)想.湯姆孫起初對(duì)焦耳熱可以轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的觀點(diǎn)持猶豫的態(tài)度，因?yàn)樗钚趴ㄖZ定理是對(duì)的，而且很重要，但此定理卻是在熱質(zhì)說(shuō)的基礎(chǔ)上證明的，與焦耳熱轉(zhuǎn)化為功的觀點(diǎn)矛盾[5，6].就在湯姆孫感到困難之際，克勞修斯(Rudolf Julius Emanuel Clausius, 1822-1888)(圖3)在1850年《物理學(xué)與化學(xué)年鑒》上發(fā)表了《論熱的動(dòng)力及能由此推出的關(guān)于熱本性的定律》，他根據(jù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的事實(shí)說(shuō)明：熱并不是一種物質(zhì)，而是存在于物體的最小粒子的一種運(yùn)動(dòng)”.他認(rèn)為在由熱做功的過(guò)程中，一部分熱作了機(jī)械功，另一部分熱通過(guò)從熱體向冷體傳遞而耗散掉.克勞修斯指出，湯姆孫對(duì)他提出的兩種區(qū)別了解得很清楚，但是卻仍然堅(jiān)持熱質(zhì)說(shuō).克勞修斯認(rèn)為應(yīng)該從熱是一種運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)進(jìn)行論證，他寫(xiě)道：“與新的思想方式相抵觸的，并不是卡諾定理本身，而只是那個(gè)‘沒(méi)有損失熱量’的補(bǔ)充，因?yàn)樵诋a(chǎn)生功的過(guò)程中有可能有兩個(gè)過(guò)程同時(shí)發(fā)生，即一些熱量轉(zhuǎn)化了，另一些熱量從熱體傳到冷體，并且這兩部分熱量可能與所產(chǎn)生的功有確定的關(guān)系”[7].1854年，克勞修斯在《熱的機(jī)械論中的第二個(gè)基本理論的另一形式》中更加明確地闡明：熱不可能由冷體到熱體，如果不因而同時(shí)引起其他關(guān)系的變化.這就是沿用至今的熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述也稱(chēng)為“克氏說(shuō)法”.這種表述對(duì)熱傳導(dǎo)中熱量的傳遞方向具有很重要的意義.

圖3 克勞修斯

對(duì)熱力學(xué)第二定律的發(fā)現(xiàn)做出另一個(gè)重要貢獻(xiàn)的是湯姆孫，他采用了焦耳提出的熱是一種粒子的運(yùn)動(dòng)而不是物質(zhì)的思想后才形成的.1851年3月湯姆孫連續(xù)在《愛(ài)丁堡皇家學(xué)會(huì)會(huì)刊》上發(fā)表了3篇論文，題目是《熱的動(dòng)力學(xué)理論》.文中提出了兩個(gè)命題，比克勞修斯1850年的論述更為明確[8，9],包括被認(rèn)為是嚴(yán)格的第二定律的證明.

命題Ⅰ(焦耳):不管用什么方法從純粹的熱源產(chǎn)生出或者以純粹的熱效應(yīng)損失掉等量的機(jī)械效應(yīng)，都會(huì)有等量的熱消失或產(chǎn)生出來(lái)[10].

命題Ⅱ:如果有一臺(tái)機(jī)器，當(dāng)它逆向工作時(shí)，它的每一部分物理的和機(jī)械的作用也全部逆向，則它從一定量的熱產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)，和任何具有相同溫度的熱源和冷凝器的熱動(dòng)力機(jī)一樣[11].

湯姆孫認(rèn)為命題Ⅱ是建立在下面的定理基礎(chǔ)上的“不可能由非生命物的作用，將物質(zhì)冷卻到比周?chē)罾涞臇|西還要低的溫度的方法，使物質(zhì)的任何部分產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)”[12].

湯姆孫(被封為開(kāi)爾文男爵)用公認(rèn)的事實(shí)否定了“第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)”，提出了他對(duì)熱力學(xué)第二定律的新說(shuō)法“開(kāi)氏說(shuō)法”(亦稱(chēng)為“開(kāi)爾文表述”)：不可能從單一熱源吸收熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其他影響.同時(shí)建立了普遍的熱力學(xué)第二定律表達(dá)式

2 熱力學(xué)第二定律之爭(zhēng)給我們的教育啟示

2.1 物理觀念至關(guān)重要

湯姆孫更早地進(jìn)行了卡諾定理的研究，但是由于觀念上的守舊，不敢突破世俗觀念的束縛，很遺憾沒(méi)有最先提出熱力學(xué)第二定律.雖然在克勞修斯提出“熱力學(xué)第二定律”之后，他也獨(dú)立提出來(lái)另一種說(shuō)法，但是“熱力學(xué)第二定律”的優(yōu)先權(quán)是屬于克勞修斯的.在學(xué)習(xí)中，我們要勇于質(zhì)疑和探索科學(xué)的真理.

2.2 科學(xué)方法很重要

兩位科學(xué)家都是根據(jù)事實(shí)，提出自己的觀點(diǎn)，然后證明自己的觀點(diǎn)，并不斷發(fā)展正確的定律.他們研究問(wèn)題的方法正是我們需要傳授給學(xué)生的，科學(xué)的研究方法有益于正確的發(fā)現(xiàn).讓學(xué)生體會(huì)物理方法的簡(jiǎn)潔之美.

2.3 重視物理實(shí)驗(yàn)

克勞修斯在焦耳熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，大膽否定了卡諾定理的錯(cuò)誤部分.在物理實(shí)驗(yàn)中，重視實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得到自己的結(jié)論.我們應(yīng)該重視實(shí)驗(yàn)帶給我們的思維能力的培養(yǎng)，體會(huì)實(shí)驗(yàn)之美.

2.4 科學(xué)家實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度

雖然湯姆孫的“開(kāi)氏說(shuō)法”提出來(lái)的比較晚，但是“開(kāi)氏說(shuō)法”帶有表達(dá)式而克勞修斯的“克氏說(shuō)法”當(dāng)時(shí)并沒(méi)有表達(dá)式.當(dāng)大家都在爭(zhēng)論誰(shuí)是第一個(gè)提出來(lái)的時(shí)候，湯姆孫主動(dòng)承認(rèn)優(yōu)先權(quán)是屬于克勞修斯的.科學(xué)家實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度值得我們學(xué)習(xí),感受科學(xué)發(fā)展的歷程.