[科學發展] 熱力學發展簡史 (四)
第三個階段：十九世紀七○年末到二十世紀初
這個時期內，波茲曼（Ludwig Edward Boltzmann）結合熱力學與分子動力
學的理論，而導致統計熱力學的誕生，同時他也提出非平衡態的理論基礎，至
二十世紀初吉布斯（J. Willard Gibbs） 提出系統理論建立了統計力學。
熱力學之父──威廉‧湯姆遜（凱爾文勳爵）
有人說，上帝要給人類科學，於是「牛頓」走上了歷史的舞台；又有人說，
上帝要給人類工程，於是來了「凱爾文」，從此產生了電機工程、資訊工程與
機械工程。凱爾文又稱為「熱力學之父」，一八二四年生於北愛爾蘭，父親詹
姆士是貝爾法斯特皇家學院的數學教授。
威廉‧湯姆遜（William Thomson；授勳時改名為凱爾文Baron Kelvin）一
家在威廉八歲時遷往蘇格蘭的格拉斯哥，而詹姆士則任教格拉斯哥大學。湯姆
遜 10 歲便入格拉斯哥大學，在 14 歲開始學習大學程度的課程，15 歲時憑
一篇題為〈地球形狀〉的文章獲得大學的金獎章，文章論及的一些重要概念，
湯姆遜在往後還常常用到。湯姆遜後來到劍橋大學升學，以全級第二名的成績
畢業，畢業後到了巴黎，在勒尼奧的指導下進行了一年實驗研究。
一八四六年，湯姆遜再回到格拉斯哥大學擔任自然哲學（即現在的物理學）
教授，直到一八九九年退休為止。他在學校建立起全英國大學中第一個物理研
究實驗室，他認為物質和電動力學的理論結果，必須用實驗來證明。他帶領學
生進行各種實驗來檢定和發展新的物理理論。此外，他還利用實驗室的精密測
量結果協助擬定大西洋海底電纜的鋪設工程，使英國與美洲之間的通訊得到突
破性的發展，他可說是第一代的電訊工程師呢！
湯姆遜也是熱力學的開創者之一，他對熱力學第一及第二定律的建立做出重
大的貢獻。在十九世紀，物理學界仍然普遍相信熱是一種不生不滅的物質，湯
姆遜本來也堅信這種說法，他研究過焦耳多篇關於電流生熱的論文後，便改變
想法，並和焦耳合作研究，他們的研究結果為熱力學第一定律（即能量守恆定
律）提供有力的實驗支持；湯姆遜對熱力學第二定律的貢獻更大，幾乎與克勞
修斯同時間，凱爾文（即湯姆遜）研究卡諾循環也提出第二定律，同時更由此
訂定絕對溫標，又稱凱氏溫標 K。他利用卡諾循環建立絕對溫標 ，他重新設
定水的冰點為 273.7 度；沸點為 373.7 度，為了紀念他的貢獻，絕對溫度的
單位以凱爾文來命名。他在一八五一年發表題為〈熱動力理論〉的論文，寫出
熱力學第二定律的凱爾文表述：我們不可能從單一熱源取熱，使它完全變為有
用的功而不產生其他影響。近代物理雖然修正了很多古典物理理論的錯誤，但
是熱力學定律仍然是正確而普遍的宏觀物理定律。
凱爾文這位天才，十歲進大學，二十二歲劍橋大學就想禮聘他去當物理系主
任，絕對溫度 K 就來自於他姓氏的縮寫，熱力學第二定律是他提出的，液態
氮是他首先壓縮製出的，環球資訊的第一條電纜是他舖的，電子檢流器是他發
明的，同位素放射理論是他先想出來的。因為他的發現，世界上每一個要念工
程與理科的學生，打開課本，就會發現「能量」的觀念貫穿了每一個物理與化
學的公式，解釋了每一個熱、電、磁的運動，成為近代科技的基石。
一九○○年初，凱爾文在英國物理學界最權威的皇家學會的新年致辭中，發
表了題為〈籠罩在熱和光的動力理論上的十九世紀之雲〉的著名演講，他認為
物理世界晴空萬里，動力理論可以解釋一切物理問題；唯有兩個小問題：即以
太理論和黑體輻射理論，尚待解決。正是這兩朵小烏雲所引起的討論和研究，
發展出二十世紀物理學兩個最重要的範疇：相對論和量子力學。
第四個階段：二十世紀三○年代至今
熱力學和統計物理學進入了第四個時期，這個時期主要是由於量子力學的引
進而建立了量子統計力學，同時非平衡態理論也有更進一步的發展，形成了近
代理論與實驗物理學中最重要的一環。
----------------------------------------------------------- 完 -----------
資料來源： 《科學發展》2004年 5月，377期，6～15頁
http://nr.stic.gov.tw/ejournal/Nscm/9305/9305-01.pdf
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