对热力学物理本质的看法【转自百度相对论吧对热力学物理本质的看法【转自百度相对论吧】2011年08月26日原帖地址：http://tieba.baidu.com/p/113126111619世纪上半期，热力学成为了物理学继电磁学之外的又一个发展中心。此时，经典力学已经日臻于成熟，随着Hamilton《论动力学的普遍方法》的发表，经典力学终于揭示出了系统的全部对称性，整个理论体系趋于完善，基本上物理的内容告一段落了，剩下的是数学家和力学家对各种摄动理论和微分方程的研究。这也为后来量子力学的出现打下了数学上的形式基础（实际上，量子力学的正则形式和哈密动力学惊人的相似，而费曼路径积分的理论就是经典力学中拉格朗日力学的延伸和纠正，这一点用光的衍射很容易理解为什么S的变分为0是系统真实的运动路径！）此时的电动力学，实验上的工作基本上完成，人们已经能够模模糊糊了解到磁场与电场的关系以及电流电荷对电磁场的影响和电磁场对物体的作用力。19世纪中叶，Maxwell极具对称性的场方程终于使经典电动力学的理论完结。从此，理论上人们可以根据初始条件和边界条件求出任何时刻任何地方的电磁场以及物体所受的电磁力。但是，十九世纪前半期的热学理论，发展异常缓慢。不过，现在看来令人惊讶的是，热力学的数学形式居然在真正的热力学建立之前就已经很完善了。Laplace等人根据热质说的错误理论，发挥他们的数学才能，建立了多元函数全微分的概念，导出了热质含量全微分的一般表达式，并能部分得到正确的后来热力学理论得到的结论。然而，尽管有着严格的数学形式，热质说在物理上有众多的实验现象无法解释。其中最明显的就是做功问题。实验表明，做功对物体宏观性质的影响与所谓的传热质是相同的！那么，既然热质的含量是一定的，为什么物体会越来越热？这里，我们先不严格讨论“热”的含义。此外，所谓含热质多的物质并不一定就会把热质传给含热质少的物质，似乎还与物体的另一种被称为“热势”的物理量相关。不过，当时无法严格建立热势的概念，便只好以各种具体的测温物质为表征来研究，这显然不符合科学的研究方法，因为并不能保证任何物质测得的热势都一样，人们在获得物质的性质之前，无法保证A所用的物质和B所用的物质是完全一样的，热势的测量并没有物理上的理论基础。这里要提及的是，LazareCarnot（一位证明了Carnot动能定理的力学家（见《理论力学》苏，马尔契夫著的碰撞部分）的天才儿子SadiCarnot用热质说的理论推导出了热力学第二定律的一种表示形式卡诺定理，尽管当时他推论这个定理时有很强的实用主义目的，并不太注重其理论意义，然而，仅仅活了32岁的carnot没有想到他的定理会成为各种实验的高度理论总结，竟而成为热力学第二定律的重要根据。Mayer和Joule注意到功和热质的等价性。请注意，功的概念在力学中就已经有了，不过当时还没有能量的概念。要严格确立功热等价的证据，必须要经过大量的实验验证。焦耳先对电学进行了细致的研究，从实验总结出了电流产热的焦耳定律，再用控制电流（那时安培已经发明了电流计）和加热时间的方法测量出了热功当量，严格建立了做功和传热之间的等价关系。既然做功和传热对改变物体宏观状态的贡献相同，那么所谓的热质就是一种累赘。如果我们把物体做功的能力和物体的状态联系起来，就可以引入一个仅仅和物体的状态有关的函数，我们把它叫做内能。事实上，在热力学理论中，内能这一不可测量的物理量唯一的价值就在于它是态函数，我们并不真正需要知道一个物体的内能是多少。热力学中假定这个态函数是处处可微的。焦耳根据大量的实验事实，提出热力学第一定律，也就是dE=δΑ+δQ（这是热力学最基本的关系式之一，正确与否只能有实验检验！）,即这一态函数的增量等于外界对物体做功和物体吸热之和。注意，在这个热力学第一定律的原始表达式中，做功和吸热的地位是等同的！我们并不把A和Q写成微分的形式，因为他们和过程有关，是过程量，并不是状态量的改变。但是，热力学是研究物体宏观性质的理论。如果仅仅有这么一个表达式，我们完全无法研究宏观性质的关系，只能通过测量A和间接测量Q去计算U而已，U仅仅是一个计算的目的，起不到真正的作用...