熱學教學札記

朱建廉

(江蘇省南京市金陵中學，江蘇　南京　210005)

熱學教學札記

朱建廉

(江蘇省南京市金陵中學，江蘇南京210005)

名師簡介：朱建廉，江蘇省物理特級教師、首批教授級高級教師、“333工程”培養(yǎng)對象，南京市學科帶頭人、有突出貢獻的中青年專家，任中國教育學會物理教學專業(yè)委員會理事、江蘇省物理學會理事、南京物理學會副理事長、《物理之友》編委，主要研究中學物理教學、教材和教師專業(yè)發(fā)展.

摘要：熱學研究熱現(xiàn)象的規(guī)律，熱現(xiàn)象是與溫度相關的現(xiàn)象，溫度概念的理解則又與微觀分子的無規(guī)則運動相關.本文將對與熱現(xiàn)象有關的概念、規(guī)律進行剖析.

關鍵詞：高中物理；熱學；教學

關于熱學的教學，基于現(xiàn)行課程結構的安排，已將其納入了“選修3-3”模塊作為選學內容.本文以“札記”的形式所羅列與呈現(xiàn)的，是筆者于教學實踐中基于熱現(xiàn)象與熱過程的一些認識，與讀者分享.

1熱學研究對象的三個基本特征

熱學研究的是熱現(xiàn)象，熱現(xiàn)象是與溫度相關的，溫度的物理含意應該從如下三個層次來理解：物體的冷熱程度的描述、物體分子熱運動劇烈程度的反映、物體分子熱運動平均動能的標志.由于熱現(xiàn)象的微觀本質是分子的運動，所以，我們在探索宏觀物體的熱現(xiàn)象的物理本質時，所取的研究對象不是宏觀物體本身，而是構成宏觀物體的大量微觀分子.

作為熱學的研究對象，構成宏觀物體的微觀分子有如下三個基本特征：分子的數(shù)量是如此之“多”(其數(shù)量級為1023mol-1)、分子的尺度是如此之“小”(其數(shù)量級為10-10m)、分子的運動是如此之“亂”(永不停、無規(guī)則).

由于作為熱學研究對象的分子其數(shù)量之“多”、尺度之“小”、運動之“亂”，所以熱學的相關規(guī)律通常是統(tǒng)計規(guī)律.

關于分子的上述三個特征，人類是通過如下途徑分別了解的：借助于實驗(如“油膜法”實驗)手段了解分子的尺度之“小”；借助于阿伏迦德羅常量這一聯(lián)系宏觀世界與微觀世界的“橋梁”，通過分子的尺度之“小”而表述分子的數(shù)量之“多”；借助于布朗運動了解分子的運動之“亂”.

2布朗運動與分子熱運動

構成宏觀物體的微觀分子是在做“永不停、無規(guī)則”的熱運動，這一客觀事實的最直接的實驗證據(jù)就是布朗運動.關于懸浮在液體中的微粒所做的布朗運動與液體分子的熱運動之間的關系，應該明確的是如下幾點：

(1)布朗運動并不是分子的運動.

(2)布朗運動形成的原因是由于液體分子對懸浮微粒撞擊不平衡所致，所以布朗運動能反映分子運動的特征.

(3)布朗運動“永不停息”，表明分子運動“永不停息”.

(4)布朗運動的“無規(guī)則”表明分子運動的“無規(guī)則”.

(5)布朗運動的劇烈程度隨溫度的升高而加劇，表明分子運動的劇烈程度隨溫度的升高而加劇.

(6)布朗運動的明顯程度隨微粒的增大而減弱，則從統(tǒng)計的角度再次表明分子運動的“無規(guī)則”特性.

應該指出的是：除了布朗運動外，擴散現(xiàn)象也能夠證實分子在運動著，只是擴散現(xiàn)象不能夠像布朗運動那樣揭示出分子運動的“無規(guī)則”的特征.

3關于分子力的知識要點

布朗運動表明：構成宏觀物體的微觀分子的運動是如此之“亂”(永不停、無規(guī)則)，究其動力學原因是由于分子間存在著復雜的相互作用力所致.關于分子間的相互作用力，應該把握的知識則可以根據(jù)如圖1所示的相應規(guī)律而概括出如下各個要點．

圖1

(1)分子間同時存在著相互作用的引力和斥力，分子力指的是分子間引力與斥力的合力.

(2)分子間引力和斥力均隨著分子間距離的增大而單調減小.

(3)在0

(4)當r=r0時，分子力為零，這是因為分子間引力和斥力大小相等而達到平衡.

(5)在r0

(6)當r=rm時，表現(xiàn)為引力的分子力取得極大值，這一方面是因為此時分子間引力大于斥力，另一方面還因為此時分子間引力和分子間斥力隨著分子間距離的增大而減小得一樣快.

(7)在rm

(8)當分子間距離r超過10r0時，分子間引力和斥力均接近于零，分子力可以忽略.

4關于物體的內能

物體的內能指的是：物體所有分子熱運動的動能與所有分子與分子力相關的分子勢能之總和.由于溫度標志著分子熱運動平均動能，所以分子動能與物體的溫度有關；由于分子間距變化時分子力做功將改變分子勢能，所以分子勢能與物體的體積有關.一般情況下，物體的內能與物體的溫度和體積均有關.對于理想氣體來說，由于不計分子力，所以不必考慮與分子力相關的分子勢能，理想氣體的內能只與其溫度相關.

具體來說，如果分別以E、Ek、Ep表示某確定物體的內能、分子動能和分子勢能，而分別以T、V表示該物體的熱力學溫度和體積，則應該分別有：Ek=f(T)，Ep=f(V)，E=f(T，V).

5關于宏觀熱過程的方向性

自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性，這里有一個重要的前提：“涉及熱現(xiàn)象”.不妨結合如下實例來理解：某同學先從A點走到B點，然后沿同一路線再從B點返回A點.僅就該同學的位置變化而言，他所經歷的只是一個機械運動過程，這個機械運動過程完全可以不引起其他變化而可逆.但若同時考慮到該同學在經歷上述位置變化過程時與外界的熱交換，上述過程便是不可逆的，因為該同學不能在從B點返回A點時，把他從A點走到B點的過程中散發(fā)出的熱量收回而不引起其他變化.

6熱力學定律對宏觀熱過程的制約

一個自然過程是否能夠發(fā)生、發(fā)展，進而順利地從初狀態(tài)變化到末狀態(tài)，一般情況下取決于兩個因素：“量”和“序”.這就好像一個人要從樓下到樓上時，他所需要邁出的步數(shù)(過程的量)以及他邁步時的次序(過程的序)等，無疑都將影響著他是否能夠順利地上樓.熱力學的兩個定律實質上就是從這兩個方面制約著宏觀熱過程的基本規(guī)律.熱力學第一定律是從“量”的側面制約著宏觀熱過程的：外界對物體所做的功與物體從外界吸收的熱量之和恰等于物體內能增量.這表明宏觀熱過程具有與其他自然過程

7永動循環(huán)可逆

第一類永動機因為違背了“能量守恒定律”而不能制成，這是很容易理解的.但是，第二類永動機并不違背“能量守恒定律”，為什么也不能制成呢？先來分析一個自然現(xiàn)象：雨天水從天上落到地上，晴天水(水蒸汽)從地上升到天上.僅就水的“流向”而言，這是兩個互逆過程.而把這兩個互逆過程連接起來，就構建起一個封閉的循環(huán)過程，正是由于這個循環(huán)過程，才保證了下雨的現(xiàn)象永存(永動).這就是說：“永動”以“循環(huán)”為前提，“循環(huán)”又以“可逆”為基礎.由于涉及到熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性，都不“可逆”，都不能構建在單純的“循環(huán)”過程中而不引起其他影響，所以，不斷地從單一熱源吸收熱量并全部用來做功而不引起其他變化的第二類永動機是不可能制成的.

8“能量守恒”與“物質不滅”

因為能量是量化運動狀態(tài)的參量，而運動則又是物質存在的形式，所以應有：“物質不滅”必將表現(xiàn)為“運動不滅”，而“運動不滅”則又必將要求“能量守恒”.

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