物态变化中的物理学史.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,物态变化中的物理学史,（一）,温度计的发明和改进,我国战国时期，就根据水的结冰来推知气温下降的程度。,汉代初年有一种“冰温度计”，按文献记载，“睹瓶中之冰而知天下之寒暑”，意思是观察瓶里冰的融化和增厚，就可知气温的变化。,古人也利用光的颜色判断温度的高低，“炉火纯青”形容炉温达到最高点时，火焰从红色转成青色。,16世纪依靠热胀冷缩显示温度高低的科学家,1、伽利略发明的温度计,大约在1593年，伽利略发明了温度计。他取一个鸡蛋大小的玻璃泡，玻璃泡接到像麦秸一般粗细的玻璃管，管长约半米。用手掌将玻璃泡握住，使之受热然后倒转插入水中，等玻璃泡冷却后，水升高约二三十厘米。他用水柱的高度表示冷热程度，测量了不同地点、不同时候、不同季节的相对温度。,伽利略温度计的重大缺点，就是大气压会对水柱高度产生影响，而且温度计插入水盆里用起来很不方便。,伽利略最早的温度计,雷伊的弯管温度计,2、,法国化学家雷伊的温度计,雷伊将伽利略的温度计做了一点改进，他把玻璃泡调头放在下方，从上面灌进一定量的水，于是温度计可以携带了。但水会蒸发，温度仍然不很可靠。,此后不久，意大利出现了把酒精或水银密封在玻璃泡中做成的温度计。为了表示温度的高低，在玻璃管上标有刻度，管子太长，就做成螺旋状。由于刻度没有统一标准，不适于推广使用。,温度标准点的确定,惠更斯推荐水的冰点和沸点作为标准,玻意耳认为冰点会随纬度改变，建议用大茴香油的凝固点作为标准,牛顿选用融雪温度和人体温度作为温标，并将这中间分成十二等份,1703,年，丹麦学者罗默选用冰、水和食盐的混合温度作为零点，因为这是当年所能达到的最低温度。,德国人,华伦海特,用水银代替酒精作为测温物质，于是就有可能利用水的沸点。他做了许多实验研究水的沸腾，认识到水的沸点在大气压一定的条件下是固定的，不同的大气压下，沸点会有所变化。他把结冰的盐水混合物的温度定为,0,0,，以健康人的体温为96,0,，中间的32,0,正好是冰点，后来又确定水的沸点为212,0,，这就是,华氏温标,，以,0,F表示。,瑞典天文学家,摄尔修斯,1742年创制的温度计是在水的冰点和沸点之间分100等份。为避免冰点以下出现负温度，定冰点为100,0,，沸点为0,0,，与现行的摄氏温标相反。现在采用的摄氏温标是1743年法国人,克利斯廷,首先采用的。,现在通用的国际单位制中温度以开尔文(K)表示，这个温度单位也是基本单位。严格说来，温度单位的选择实际上是一个温标问题。热学发展史中出现过,华氏温标、列氏温标、兰氏温标、摄氏温标、气体温标和热力学温标,等。,热力学温标,是1848年开尔文首先提出的，由热力学温标定义的热力学温度具有最严格的科学意义。,华氏温标,是德国人华伦海特(DGFahrenheit）大约在1710年提出的，规定水的冰点为32度，水的沸点为212度。,列氏温标,由列奥缪尔(R.A.F.Reaumur)于l 730年提出，规定水的冰点为零度，水的沸点为80度。,（二）,温标,兰氏温标,由英国人兰金(Rankine)提出，其定义为,t,R,t,F,+,459.67,摄氏温标,是瑞典天文学家摄尔萨斯(A.Celeius)在1742年提出的。他原来的方案是以水的沸点为零度，水的冰点为100度。次年法国人克里斯丁(Christian)把两个标度倒过来，就成了现在通用的标度。,以气体温度计标定温度所构成的气体温标最接近热力学温标。由于气体温度计的复现性较差，国际间又协议定出国际实用温标，以统一国际间的温度量值，国际实用温标几经变革，为的是由此定出的温度尽可能接近热力学温度。,早在1887年，国际计量委员会就曾决定采用定容氢气体温度计作为国际实用温标的基础。,1927年第七届国际计量大会决议采用铂电阻温度计等作为温标的内插仪器，并规定在氧的凝固点(-182.97)到金凝固点(1063)之间确定一系列可重复的温度或固定点。,1948年第十一届国际计量大会对国际实用温标作了若干重要修订。例如，以金融点代替金凝固点；以普朗克黑体辐射定律代替维恩定律；引用更精确的常数值；计算公式更为精确；光测高温计的测量限值扩大等等。,1960年又增加了一条重要修订，即把水的三相点作为唯一的定义点，规定其绝对温度值为273.16(精确)；以代替原来水冰点温度为0.00(精确)之规定。而水的冰点根据实测，应为273.15000.0001K。,1968年对国际实用温标又作了一次修订，代号为,IPTS-68,。其特点是采用了有关热力学的最新成就，使国际实用温标更接近热力学温标。这一次还规定以符号K表示绝对温度，取消原来的符号(,0,K)并规定摄氏温度与热力学温标的绝对温度单位精确相等，摄氏温度,t,=绝对温度,T-273.15,(精确)。,1975年和1976年分别对IPTS-68作了修订和补充，把温度范围的下限由13.8lK扩大到0.5K。但还是出现不足之处，主要是在实验中不断发现IPTS-68在某些温区与国际单位制定义的热力学温度偏差甚大。,1988年国际度量街委员会推荐，第十八届国际计量大会及第77届国际计量委员会作出决议，从1990年1月1日起开始在全世界范围内采用重新修订的国际温标，这一次取名为1990年国际温标，代号为ITS-90，取消了“实用”二字，因为随着科学技术水平的提高，这一温标已经相当接近于热力学温标。和IPTS-68相比较，100时偏低0.026，即标准状态下水的沸点已不再是100，而是99.974。,热力学第三定律的建立和低温物理学的发展,（一）,气体的液化与低温的获得,低温的获得是与,气体的液化,密切相关的。,十八世纪末荷兰人,马伦,第一次靠高压压缩方法将,氨,液化。,1823年法拉第在研究氯化物的性质时，发现玻璃管的冷端出现液滴，经过研究证明这是液态,氯,。1826年他把玻璃管的冷端浸入冷却剂中，从而陆续液化了,H,2,S,，,HCl,，,SO,2,，及,C,2,N,2,等气体。,气液转变的关键问题是,临界点的发现,临界点的发现者,托尔,。,化学家安德纽斯1861年用了比前人优越得多的设备从事气液转变的实验，他选用,CO,2,作为工作物质，作了完整的,p,v图，如图,由图可以看出,CO,2,气液转变的条件和压强、温度的依赖关系。,1877年，几乎同时由两位物理学家法国人,盖勒德,和瑞士人,毕克特,分别用不同方法实现了,氧,的液化。,1883年，波兰物理学家乌罗布列夫斯基和化学家奥耳舍夫斯基合作，第一次收集到了,液氧,。后来奥耳舍夫斯基除了,氢和氦,，对所有的气体他都实现了液化和固化，此外还研究了液态空气的种种性质。,1895年德国人林德和英国人汉普孙同时而分别地利用焦耳和W.汤姆生发现的,多孔塞效应,实现液化气体，并分别在德国和英国获得了专利。,1893年1月20日杜瓦宣布发明了一种特殊的低温恒温器杜瓦瓶。1898年了,氢的固化,，达到了12K。,荷兰莱登大学的低温实验室在昂纳斯的领导下于1908年首开记录，获得了60CC的,液氦,，达到4.3K第二年达到1.381.04K。,绝对零度的概念早在17世纪末,阿蒙顿,的著作中就已有萌芽。他认为,任何物体都不能冷却到这一温度以下,。预言，,达到这个温度时，所有运动都将趋于静止,。,一个世纪以后，,查理,和,盖-吕萨克,建立了严格的气体定律，从气体的压缩系数。,l273,，得到温度的极限值应为,-273,。,（,二,）,热力学第三定律的建立,1848年，W.汤姆生确定绝对温标时，对绝对零度作了如下说明：,“,当我们仔细考虑无限冷相当于空气温度计零度以下的某一确定的温度时，如果把分度的严格原理推延足够地远，我们就可以达到这样一个点，在这个点上空气的体积将缩减到无在刻度上可以标以,-273,0,，所以空气温度计的,(-273,0,),是这样一个点，不管温度降到多低都无法达到这点。,”,1906年，德国物理化学家,能斯特,在为化学平衡和化学的自发性寻求数学判据时，作出了一个基本假设，并提出了相应的理论他标之为“热学新理论”，人称,能斯特定理,。,1912年能斯特在他的著作热力学与比热中，将“热学新理论”表述成：“,不可能通过有限的循环过程，使物体冷到绝对零度,。,”这就是绝对零度不可能达到定律也是热力学第三定律通常采用的表述方法。,西蒙在19271937年对热力学第三定律作了改进和推广，修正后称为热力学第三定律的能斯特西蒙表述：,当温度趋近绝对零度时，凝聚系统(固体和液体)的任何可逆等温过程，熵的变化趋近于零。,自从1908年莱顿实验室实现了氦的液化以来，低温物理学得到了迅速的发展。昂纳斯及其合作者对极低温下的各种物理现象进行了广泛的研究，测量了,10K,以下的电阻变化，发现,金、银、铜,等金属的电阻会减小到一个极值。,1911,年，他们发现,汞、铅,和,锡,等一些金属，在极低温度下电阻会突然下降。,1913,年卡麦林-昂纳斯用“超导电性”来表示这一事实，这年他获得诺贝尔物理学奖。,l928年凯森发现,2.2K,下液氦中有特殊的相变。十年后，苏联的卡皮查和英国的阿伦和密申纳分别却是同时地发现液氦在2.2K以下可以无摩擦地经窄管流出，一点粘滞性也没有，这种属性叫,超流动性,。,（,三,）,低温物理学的发展,在用各种方法探索低温的进程中，一种崭新的致冷方法,磁冷却法应运而生,，这种方法也叫,顺磁盐绝热去磁冷却法,。,加拿大青年物理学家盖奥克和德国著名物理学家德拜于1926年分别发表了这方面的论文。,1933年盖奥克和麦克道盖尔在美国加州的伯克利以及德哈斯、韦尔斯玛和克拉麦斯在莱顿，分别达到,0.25K,和,0.13K,。,经过近二十年的努力，用磁冷却法最低达到了,0.003K,左右。,1956年，英国人西荣和克尔梯用核去磁冷却法获得,10,-5,K,。,1979年芬兰人恩荷姆等人，用级联核冷却法达到,510,-8,K,。,探索极低温条件下物质的属性的意义,在极低温度情况下，物质中原子或分子的无规则热 运动将趋于静止，一些常温下被掩盖的现象显示出来了，这就可以为了解物质世界的规律提供重要线索。,1956,年吴健雄等人为检验,宇称不守恒原理,进行的,Co-60,实验，就是在,0.01K,的温度下进行的；,1980,年联邦德国的克利青在极低温度条件和强磁场条件下发现了,量子霍尔效应,，因而获,1985,年诺贝尔物理奖。,