开尔文的热力学研究及其影响摘要：热力学是现代物理学的重要组成部分之一，热力学理论在19世纪快速发展并臻于成熟，是一场伴随着各种思想碰撞的大会师。开尔文是那个时代最有影响力的物理学家，在当时欧洲蒸汽机大发展的环境中，他最初研究卡诺热学理论，随后深受焦耳的实验研究影响，最终提出热力学温标并提出了自己对热力学第二定律的表述，和焦耳、克劳休斯和其他人一道成功地将新热力学置于19世纪物理学的核心之中。那个时代的热力学发展历程充满悖论、困惑，一代大师们最终建立了新的物理世界，开尔文是其中不可少的一位。关键词：热力学；开尔文；卡诺；焦耳；热力学第二定律：N09；N031文献标识码：A从经典物理学向现代物理学的嬗变发生在19世纪末到20世纪初，这正是开尔文所处的年代。开尔文的研究非常宽泛，他不但对经典物理学的两大支柱热力学和电磁学的发展作出了重要贡献，而且旁及流体力学、光学、地球物理、工程技术等领域。他不仅是一名书斋与实验室里的科学家，而且在技术和工程学方面取得了卓越的成就。他，涉猎之广，影响之深，是一位通才式的科学家。开尔文在当时被认为是物理学的形象之一，世界上最强大的国家的科学代表，是处于物理学发生革命性变革前夜最著名的物理学家。热力学与统计物理被视为经典物理学的重要支柱之一。热力学理论在19世纪快速发展并臻于成熟，卡诺、开尔文、焦耳、克劳休斯、玻尔兹曼等一批物科学家对热力学的发展作出了重要贡献。19世纪初，人们对于热的本质的理解尚未清晰，对于热力学温度的概念也还没有清晰的认识，很多认识还处于观察与经验总结阶段。热力学在19世纪前期的发展历程是一场“大会师”，一方面以卡诺为代表的工程师从提高蒸汽机效率的角度出发研究热量与做功的关系；另一方面以焦耳为代表的物理学家通过机械功、电磁感应实验测量的方法研究做功与热的关系。作为19世纪最有影响力的科学大师，开尔文正好处于那个时代热力学的会师点上。在随后的时间里，开尔文、焦耳、克劳休斯和其他人成功地将热力学置于19世纪物理学的核心之中。这个热力学发展历程如此有趣，为此美国数学家、自然哲学兼科学史家楚斯戴尔专门写书《热力学的悲喜剧史》[1]来探讨这个复杂的、悖论式发展历程，开尔文是这个悲喜剧史的重要角色之一。关于开尔文，国内外有很多研究，其中包括史密斯（CrosbieSmith）和怀斯（M.NortonWise）所著的《能量与帝国：关于开尔文勋爵的传记性研究》，夏林（HarolI.Sharlin）所著的《开尔文勋爵：充满活力的维多利亚人》，玻切菲尔德（BurchfieldJ.D.）所著的《开尔文勋爵与地球年龄》等等。在国内，许良英先生等编著的《21世纪科学技术简史》，在阐述19世纪热力学发展过程时，多次提到了开尔文。此外，阎康年先生的《热力学史》，对开尔文在热力学发展中的工作作了很多介绍。但是关于开尔文对热力学研究历程的专门探讨，目前国内还相对缺乏，尤其是对这样一位以“两朵乌云说”闻名于物理学史的人，或者说其名字“K”被定义为绝对温标的人。本文尝试围绕开尔文研究热力学的历程，尤其是如何研究卡诺理论以及焦耳的实验研究，在那样一个特定的历史背景下所备受的困惑，并最后提出了热力学温标以及热力学第二定律，对此过程作一些初步的探讨。一、热学发展的背景、悖论与开尔文的早期研究热学是一门古老的学科，最早可以追溯到古希腊时代，一直以来都有热质说和热动说两种观念，其中热质说的代表性人物是布莱克、伽桑狄，认为热是一种没有重量的特殊流体物质，数量是守恒的，热质粒子之间相互排斥，但却受到普通物质粒子的吸引，而且不同的普通物质对热流体的吸引力不同；另外一种是以培根、笛卡儿为代表的热动说，认为热是组成物质的微观粒子运动的表现，它可由物体的机械运动转化而来。[2]整个18世纪，这两种观念基本都存在。1798年，汤普森（BenjaminThompson）在英国皇家学会上发表了《关于用摩擦产生热的的调研》一文，报告了他著名的炮筒钻孔实验。1799年，戴维（HumphryDavy）做了著名的摩擦两块冰，可以融化为水的实验。既然大家都认可水的热质比冰高，而事实证明在与外界隔绝的情况下摩擦反而可以把冰变成水...