热学教学札记

朱建廉

(江苏省南京市金陵中学，江苏　南京　210005)

热学教学札记

朱建廉

(江苏省南京市金陵中学，江苏南京210005)

名师简介：朱建廉，江苏省物理特级教师、首批教授级高级教师、“333工程”培养对象，南京市学科带头人、有突出贡献的中青年专家，任中国教育学会物理教学专业委员会理事、江苏省物理学会理事、南京物理学会副理事长、《物理之友》编委，主要研究中学物理教学、教材和教师专业发展.

摘要：热学研究热现象的规律，热现象是与温度相关的现象，温度概念的理解则又与微观分子的无规则运动相关.本文将对与热现象有关的概念、规律进行剖析.

关键词：高中物理；热学；教学

关于热学的教学，基于现行课程结构的安排，已将其纳入了“选修3-3”模块作为选学内容.本文以“札记”的形式所罗列与呈现的，是笔者于教学实践中基于热现象与热过程的一些认识，与读者分享.

1热学研究对象的三个基本特征

热学研究的是热现象，热现象是与温度相关的，温度的物理含意应该从如下三个层次来理解：物体的冷热程度的描述、物体分子热运动剧烈程度的反映、物体分子热运动平均动能的标志.由于热现象的微观本质是分子的运动，所以，我们在探索宏观物体的热现象的物理本质时，所取的研究对象不是宏观物体本身，而是构成宏观物体的大量微观分子.

作为热学的研究对象，构成宏观物体的微观分子有如下三个基本特征：分子的数量是如此之“多”(其数量级为1023mol-1)、分子的尺度是如此之“小”(其数量级为10-10m)、分子的运动是如此之“乱”(永不停、无规则).

由于作为热学研究对象的分子其数量之“多”、尺度之“小”、运动之“乱”，所以热学的相关规律通常是统计规律.

关于分子的上述三个特征，人类是通过如下途径分别了解的：借助于实验(如“油膜法”实验)手段了解分子的尺度之“小”；借助于阿伏迦德罗常量这一联系宏观世界与微观世界的“桥梁”，通过分子的尺度之“小”而表述分子的数量之“多”；借助于布朗运动了解分子的运动之“乱”.

2布朗运动与分子热运动

构成宏观物体的微观分子是在做“永不停、无规则”的热运动，这一客观事实的最直接的实验证据就是布朗运动.关于悬浮在液体中的微粒所做的布朗运动与液体分子的热运动之间的关系，应该明确的是如下几点：

(1)布朗运动并不是分子的运动.

(2)布朗运动形成的原因是由于液体分子对悬浮微粒撞击不平衡所致，所以布朗运动能反映分子运动的特征.

(3)布朗运动“永不停息”，表明分子运动“永不停息”.

(4)布朗运动的“无规则”表明分子运动的“无规则”.

(5)布朗运动的剧烈程度随温度的升高而加剧，表明分子运动的剧烈程度随温度的升高而加剧.

(6)布朗运动的明显程度随微粒的增大而减弱，则从统计的角度再次表明分子运动的“无规则”特性.

应该指出的是：除了布朗运动外，扩散现象也能够证实分子在运动着，只是扩散现象不能够像布朗运动那样揭示出分子运动的“无规则”的特征.

3关于分子力的知识要点

布朗运动表明：构成宏观物体的微观分子的运动是如此之“乱”(永不停、无规则)，究其动力学原因是由于分子间存在着复杂的相互作用力所致.关于分子间的相互作用力，应该把握的知识则可以根据如图1所示的相应规律而概括出如下各个要点．

图1

(1)分子间同时存在着相互作用的引力和斥力，分子力指的是分子间引力与斥力的合力.

(2)分子间引力和斥力均随着分子间距离的增大而单调减小.

(3)在0

(4)当r=r0时，分子力为零，这是因为分子间引力和斥力大小相等而达到平衡.

(5)在r0

(6)当r=rm时，表现为引力的分子力取得极大值，这一方面是因为此时分子间引力大于斥力，另一方面还因为此时分子间引力和分子间斥力随着分子间距离的增大而减小得一样快.

(7)在rm

(8)当分子间距离r超过10r0时，分子间引力和斥力均接近于零，分子力可以忽略.

4关于物体的内能

物体的内能指的是：物体所有分子热运动的动能与所有分子与分子力相关的分子势能之总和.由于温度标志着分子热运动平均动能，所以分子动能与物体的温度有关；由于分子间距变化时分子力做功将改变分子势能，所以分子势能与物体的体积有关.一般情况下，物体的内能与物体的温度和体积均有关.对于理想气体来说，由于不计分子力，所以不必考虑与分子力相关的分子势能，理想气体的内能只与其温度相关.

具体来说，如果分别以E、Ek、Ep表示某确定物体的内能、分子动能和分子势能，而分别以T、V表示该物体的热力学温度和体积，则应该分别有：Ek=f(T)，Ep=f(V)，E=f(T，V).

5关于宏观热过程的方向性

自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，这里有一个重要的前提：“涉及热现象”.不妨结合如下实例来理解：某同学先从A点走到B点，然后沿同一路线再从B点返回A点.仅就该同学的位置变化而言，他所经历的只是一个机械运动过程，这个机械运动过程完全可以不引起其他变化而可逆.但若同时考虑到该同学在经历上述位置变化过程时与外界的热交换，上述过程便是不可逆的，因为该同学不能在从B点返回A点时，把他从A点走到B点的过程中散发出的热量收回而不引起其他变化.

6热力学定律对宏观热过程的制约

一个自然过程是否能够发生、发展，进而顺利地从初状态变化到末状态，一般情况下取决于两个因素：“量”和“序”.这就好像一个人要从楼下到楼上时，他所需要迈出的步数(过程的量)以及他迈步时的次序(过程的序)等，无疑都将影响着他是否能够顺利地上楼.热力学的两个定律实质上就是从这两个方面制约着宏观热过程的基本规律.热力学第一定律是从“量”的侧面制约着宏观热过程的：外界对物体所做的功与物体从外界吸收的热量之和恰等于物体内能增量.这表明宏观热过程具有与其他自然过程

7永动循环可逆

第一类永动机因为违背了“能量守恒定律”而不能制成，这是很容易理解的.但是，第二类永动机并不违背“能量守恒定律”，为什么也不能制成呢？先来分析一个自然现象：雨天水从天上落到地上，晴天水(水蒸汽)从地上升到天上.仅就水的“流向”而言，这是两个互逆过程.而把这两个互逆过程连接起来，就构建起一个封闭的循环过程，正是由于这个循环过程，才保证了下雨的现象永存(永动).这就是说：“永动”以“循环”为前提，“循环”又以“可逆”为基础.由于涉及到热现象的宏观过程都具有方向性，都不“可逆”，都不能构建在单纯的“循环”过程中而不引起其他影响，所以，不断地从单一热源吸收热量并全部用来做功而不引起其他变化的第二类永动机是不可能制成的.

8“能量守恒”与“物质不灭”

因为能量是量化运动状态的参量，而运动则又是物质存在的形式，所以应有：“物质不灭”必将表现为“运动不灭”，而“运动不灭”则又必将要求“能量守恒”.

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