关于热力学系统作功问题的探讨

王志红　李卫平

摘要：本文详细阐述了热力学第一定律中关于系统的功和内能增量与参考系的关系，得出了这两个物理量与参考系无关的结论，又推出热力学第一定律的运用与参考系无关的结论。从而使中学生加深对功及能量守恒定律的理解。

关键词：热力学系统；功；内能增量

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148(2009)4(S)-0039-2

0 引言

力学中的力所做的功，相对不同的惯性参考系其值可能不同。所以，力学中涉及功时，一般须指明参考系。热力学第一定律反映的是热力学系统与外界的能量交换关系。无论是中学物理教材，还是大学物理教材，都强调热力学系统做的功与系统所经历的过程有关，在计算过程中，并没有特别指明参考系。为什么对参考系的选取不加以说明?是否与参考系的选择无关?

对热力学系统的“内能”，高中物理教材中说的是“物体中所有分子的热运动的动能和分子势能的总和”。［1］仍然没有明确说明其中分子热运动的动能和势能的参照系。有些大学物理教材特别指出是相对质心参考系而言的：“在讨论热学规律时，将不考虑或忽略物体的整体运动，而只是在物体，即质心参考系中来分析问题。”理由是：“热学是在物质结构的分子层次上研究热现象规律，它只涉及系统内分子的无规则运动，对质心参考系来说，系统内不存在任何分子集体的宏观运动”。［2］对此，学生会产生这样的疑惑：当热力学系统有一个宏观的运动时，内能是否也是对质心参考系而言的?内能增量是否也必须对质心参考系而言?

在中学物理教学中通过对上述问题的解决，可以帮助学生更深刻地理解功的内涵及外延，帮助学生进一步理解热力学第一定律和能量守恒与转化定律；扩展对经典分子运动论的认识，初步理解热学中的微观解释方法，理解宏观与微观的联系。

1 热力学系统的功和内能增量与参考系的关系

1．1 热力学系统的功与参考系无关

以理想气体膨胀作功为例进行说明，如图1所示。

设有一绝热气缸中装有一定质量的理想气体，其中气体的压强为p，活塞的面积为S，气缸相对地面以速度v向右做匀速直线运动，同时，气体膨胀作功。设活塞可以无摩擦地滑动，活塞在Δt时间内相对气缸移动了Δs。