[科學發展] 熱力學發展簡史
熱力學發展簡史 < 摘自科學發展月刊377期 2004年5月 6～15頁 >
詹姆士‧焦耳，研究領域：熱學、熱力學、電學、物理學、化學。焦耳定律：
每秒所產生的電功率，等於電阻乘上電流的平方。能量守恆定律：能量既不
會憑空消失，也不會憑空產生，只能從一種形式轉化成另一種形式，或者從
一個物體轉移到另一個物體，而總量保持不變。
作者：周更生（國立清華大學 化學工程學系 教授）
賴紹榮（國立清華大學 化學工程學系 教授）
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科學思維的發展
自然科學溯源於古希臘，十五世紀時勃興於歐洲，當時歐洲剛經歷千年「黑
暗時代」，文藝復興開始，而地中海沿岸貿易興旺，為開拓市場需要，遂推動
天文、地理、數學和力學的發展。而波蘭人哥白尼（Nicolas Copernicus），
在一五四三年提出「日心說」，其理論經伽利略（Galileo Galilei）、開普
勒（Johann Kepler）的論證與發展，使西方的自然觀，由籠統、模糊的認識，
進入到深入、細緻的研究。十六、十七世紀，英國人培根（Roger Bacon）大
力提倡「科學方法」，即通過實驗、列表、比較、排除、歸納而逐步上升到公
理，奠定了西方科學嚴謹的研究方法和傳統。
與培根同時代的法國人笛卡兒（Rene Descartes），把整個自然界看作一架
大機器，試圖以機械運動說明自然界的一切，並且主張要從錯綜複雜的事物中
區別出最簡單事物，然後予以有秩序的研究。他的《方法談》標示了西方知識
傳統的「分析還原原理」，認為總體可以分解為部分；複雜、非線性系統，也
可以分解為簡單線性系統來理解。故奠定了追求簡單性和線性解的西方科學及
人文思維基礎。
英國人牛頓（Sir Issac Newton）在一六八六年提出《自然哲學的數學原理》
巨著，創立了以「萬有引力」及「運動三定律」為基礎的古典力學。他把整個
自然界描述成一個秩序井然的大機械鐘，只要這個鐘上緊發條，便能自動運轉，
但這機械論仍要請上帝做「第一推動」，為這大鐘上緊發條。到十八世紀下半
葉，由國家支持的科學機構已在歐美各國普遍建立，故自然科學分門別類而迅
速發展，十九世紀自然科學由分門別類的材料收集，進到對經驗材料的綜合整
理和理論概括。
在牛頓的古典力學基礎上，熱力學大師克勞修斯（Rudolf Julius Emmanuel
Clausius） 在一八六七年提出熱力學第二定律，說明一個孤立系統，總由有
序而朝向均勻、簡單、消滅差別的無序方向發展，即「熵」（entropy）增加，
從而得出「宇宙總體走向退化、死亡」的結論。
熱力學的基本定律
熱力學是專門探討能量內涵、能量轉換以及能量與物質間交互作用的科學，
尤其專注在系統與外在環境間能量的交互作用，是結合工程、物理與化學的一
門學問。早期物理中，把研究熱現象的部分稱為熱物理，後來稱為熱學，近代
則稱之為熱力學，被許多理工相關科系列為必修的基礎課程。許多工程科學都
是由熱力學所衍生的或與其有密切關聯，例如熱傳學、流體力學、材料科學等。
顧名思義，熱力學和「熱」有關，和「力」也有關。廣義而言，熱力學主要
是研究有關能量的科學，因此物質的特性也是其必須探討的範圍。熱力學的應
用範圍很廣，主要包括：引擎、渦輪機、壓縮機、幫浦、發電機、推進器、燃
燒系統、冷凍空調系統、能源替代系統、生命支援系統及人工器官等。
熱是一種傳送中的能量。物體的原子或分子透過隨機運動，把能量由較熱的
物體傳往較冷的物體。
熱力學第零定律 ─ 把兩物體放在一絕熱系統中，亦即在沒有熱量的進入及流
出下，經過一段時間後，兩物體必達到溫度相同的狀態，也就是熱平衡的狀態。
熱力學第一定律（能量守恆定律） ─ 能量既不會憑空消失，也不會憑空產生，
只能從一種形式轉化成另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，而總
量保持不變。
熱力學第二定律（方向定律） ─ 單向不可逆過程，亦即無法靠著環境的微小
變化就能反向的過程，就是在系統歷經刺激，朝著熵增加的方向變化的過程。
熵是系統的狀態函數，亦即與系統的狀態有關，而與如何到達此狀態的過程無
關，雖然在封閉系統內的某個部分的熵也許會減少，但在系統另一部分的熵永
遠會增加相同的量或更多，因此整個系統的總熵絕不減少，只會往最大的亂度
方向進行。
熱力學第三定律 ─ 完美晶體在絕對零度時，其熵為零。
熱力學的萌芽
人類很早就對熱有所認識，並加以應用，例如在相當早的年代，就知道加熱
岩石，再潑冷水讓它爆裂，從而製造出石頭工具。但是將熱力學當成一門科學
且定量地研究，則是由十七世紀末開始，也就是在溫度計製造技術成熟，並知
道如何精密地測量溫度以後，才真正開啟了熱力學的研究。
十七世紀時伽利略曾利用氣體膨脹的性質製造氣體溫度計，波義耳（Robert
Boyle）在一六六二年發現在定溫下，定量氣體的壓力與體積成反比；十八世
紀，經由準確的實驗建立了攝氏及華氏溫標，其標準目前我們仍在使用；一七
八一年查理發現了在定壓下氣體體積會隨著溫度改變的現象，但對於熱本質的
了解則要等到十九世紀以後。
焦耳自一八四三年起經過一連串的實驗，證實了熱是能量的另一種形式，並
定出了熱能與功兩種單位換算的比值，此一能量守恆定律被稱為熱力學第一定
律，自此人類對於熱的本質才算了解。一八五○年凱爾文（William Thompson
Baron Kelvin）及克勞修斯（Rudolf Julius Emmanuel Clausius）說明熱機
輸出的功一定少於輸入的熱能，稱為熱力學第二定律。這兩條定律再加上能士
特（Hermann Walter Nernst）在一九○六年所提出的熱力學第三定律：即在
有限次數的操縱下無法達到絕對零度，構成了熱力學的基本架構。熱學在十九
世紀的另外一個發展方向是一八五○年前後，由焦耳及克勞修斯所推廣的氣體
動力論，這個理論把熱學的微觀基礎建立了起來。
< 待續 >
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