物理热学史微观:分子运动论

分子运动论是热学的一种微观理论,它是以分子的运动理论来解释物质的宏观热性质。而它是根据两个基本的概念:一个是分子都是由大量的分子和原子组成的;另一个是热现象都是这些分子无规则运动的表现形式。

酒香不怕巷子深;微风拂过油菜花铺满的原野,飘来阵阵花香。人们之所以能够闻到香味,古希腊学者德谟克利特早就对此作出解释。由此可见,对于微粒理论早在古希腊就有了思想萌芽。

到了17世纪,在伽桑狄提出物质由分子构成的,分子运动论随之兴起,而后分子运动论的概念相继产生,一些热学的现象能够得到定性的解释。不过由于热质说的兴盛,直到19世纪初,分子运动论的发展进程很缓慢。

在1716年,瑞士人赫曼第一个就对热是一种运动提出确定的数量关系。1729年,瑞士数学家欧拉在发展笛卡尔学说的基础上推出了状态方程,是第一位接近真正的气体分子运动论的。另一位数学家D.伯努利在1738年从分子运动推导出比波意耳定律更普遍的压强公式。

接下来在1746-1748年间,俄国罗蒙诺索夫在其论文中先后论证热的本质运动,讨论了气体的性质,阐述了气体分子无规则运动思想。另外瑞士德鲁克和里萨奇,意大利威斯柯维基(提出分子斥力模型)也都曾致力于分子运动论研究。

到了19世纪上半叶,分子运动论继续发展。1816年,英国的赫拉帕斯提出温度取决于分子速度的思想;1846年,苏格兰瓦特斯顿提出混合气体中不同比重的气体,所有分子的mv的平均值应相同,这大概是能量均分原理的最早说法。焦耳也在自己的演讲中指出,热是分子运动的动能或分子间互相作用的能量。

随着热质说的落后,分子的动力论取而代之,才为分子运动论的复活和发展提供的良好的机会。通常人们把分子运动论的复活归功于德国化学家克里尼希,他在1856年即热力学第一定律建立不久后,发表了题为《气体理论的特征》的论文,受到科学界的广泛关注,也激发了克劳修斯和麦克斯韦进一步发展这个理论。

实际上,克里尼希的工作可以说是早期分子运动论的结束,到他为止,分子运动论大多还是停留在定性方面。对于分子速度的统计和分子间的作用力,克劳修斯和麦克斯韦的研究才是分子运动论真正的奠基。

而后,荷兰物理学家范德瓦尔斯继承并发展了波意耳、伯努利、克劳修斯等人的研究成果,于1873年推出了著名的物态方程—–范德瓦尔斯方程。

十九世纪初,经过数学家阿德润、高斯等人的努力,概率理论得到了发展。1955年,麦克斯韦注意到土星卫环质量分布问题,但当时由于问题过于复杂而放弃、直至1958年,在读了克劳修斯关于平均路程的论文后,大受鼓舞,重燃了运用概率理论的信念,并坚持用概率论可以对分子运动论进行更为全面的论证。

在当时的背景下,科学家主张认为用经典力学来描述分子运动,但麦克斯韦仍坚持自己的判断,在以后几年他继续研究,最终通过概率理论推算出速度分布律。此后,迈克耳孙、斯特恩和库什等人先后对速度分布律做出实验验证。

在麦克斯韦速度分布律里发表后,还有一位奥地利著名物理学家玻尔兹曼也在分子运动论上做出重大贡献。通过研究,他推导出玻尔兹曼分布、H定理,同时对热力学第二定律进行统计学解释。

后来,耶鲁大学数学物理教授吉布斯发展了麦克斯韦和玻尔兹曼的统计思想,建立了一系列热力学函数之间的热力学方程,是热力学发展成为一门体系严密,运用方便的普遍理论。

同时还吉布斯还提出发展了统计平均,统计涨落和统计相似三种方法,建立了一套理论体系,从而完成了热力学与分子运动论两个方面的理论综合。

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