浅谈热学及教学

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1、浅谈热学及教学内容摘要：热学是研究大量分子的集体所表现出来的现象和规 律。学习热学可以使我们对物质的结构，物质的特性和物 质的运动有更深一步的认识。同时,热学与国民经济的关 系也极为密切，日常生活，工农业生产的很多方面都与热 现象有关，从古老的蒸汽机到近代的火箭、现代的火车 都属于热学的研究和应用范畴。但是，热学涉及了物质深一层的结构，微观粒子的运 动物态相变，系统内能的改变等相当复杂，将深入细致的 研究需要有更高的数学基础和理论知识。但目前来说，对 于热的基本概念和理解、简单热量的计算，理想气体状态 方程必须要了解并运用到现实生活中，这是非常重要的。关键词:温度 内能 热量理想气体高等教育成

2、人考试函授教育毕业论文浅谈热学及教学专业物理教育班级2006物理本科姓名陈玉福学号指导老师李银轮 联系电话13997015873完稿日期2008年7月10 01.从“热”字看热学的几个基本概念：在日常生活中，“热”是一个具有多种含义的字。即 使在物理学中的不同场合下，它也有不同的含义。女口：在 下面几句话中包含一个“热”字；电烙铁通电以后， 很快就热起来了”。“热机的应用是很广泛的”。“热和功有 相当性”。“热与日常生活有密切关系，如布朗运动，湿衣 服在通风向阳处容易变干”。以上几句话中的“热”字各 表示什么意思呢？第一句话里的“热”字表示冷热程度， 即表示温度升高的意思；第二句话里的“热”字

3、，是利用 燃烧的热能（内能）转化为机械能的机器，因此，这里的 “热”字实际上表示内能的意思；第三句话里的“热”字 表示热量，即热量和功具有相当性；第四句话里的“热” 字表示的是物质运动的一种形式，是大量分子不停地运动 所表现出来的热现象。温度、内能、热量、热现象、都是与大量分子运动有 关的，虽然有一定的联系，但它们的含义是各不相同的， 绝不能混淆。温度是物体的冷热程度，其本质是物体内部的分子运 动的剧烈程度。温度越高，分子运动的越激烈，分子运动 速度就越大，从而它们的平均动能也越大。可见，用来表 示冷热程度的温度，实质上是物体内分子平均动能的一种 量度。由于温度的高低最直接反映物体内分子的热运

4、动的 情况，所以把温度当作描写物体热运动状态的一个最基本 的参量，整个热学都跟温度这个物理量有关。内能是物质内所有分子所具有的动能、势能的总和。 而分子的动能与温度有关，分子的势能与分子间的距离有 关，在温度与体积一定的条件下，分子数越多，内能越大。热量(能量)是物体内能的变化的一种程度。众所周 知，能量”是研究物理学过程中引入的基本概念。在高 中，其引入方法的具体例子是在学习力学中的功能原理 (|mv22) -(lmV12)=w时学到的。并且，学习了动能是物 体的状态量，功是非状态量。而且，以后凡是做“XX能 量”时都可以定义为状态量。由于学生对这些热学基本要领往往搞不清楚，似是而 非，因此

5、在教学过程中可以围绕这些要领提出一系列思考 问题。例如：一个物体温度升高，内能是否一定大呢？有 的学生可能认为存在这种关系，但实际上并不一定。物体 的温度只反映物体的冷热程度，而内能的大小还决定于物 体所含分子数的多少和所占有的体积。对于一个确定的物 体，一般来说，温度升高时，一方面分子的动能在增加， 另一方面由于温度的升高体积膨胀，从而分子间距离增 大，分子势能增加，因此，温度升高时，物体内能也随着 增加。如果两个物体温度相同，由分子数多的物体具有的 内能大。某一物体虽然温度较低，但由于分子数多，内能 也可以比较大；而某一物体虽然温度较高，但由于分子数 少，内能也不见得大。一根点燃又熄灭的火

6、柴，火柴棍发 红颜色的地方温度高达500C度以上，但内能并不大。因 此，对不同的物体，不能简单地用温度的高低来判断内能 的大小。又如，物体内能大，传递的热量是否一定多呢？ 这也要具体分析，热量所反映的不是内能的绝对大小， 而是物体内能的改变，在单纯热传递的过程中，内能改变 的多，传递的热量就多。至于热现象，是指凡与温度有关的物体一系列性质的 变化，统称为热现象。如物体的热胀冷缩、物体的热传 递、物体状态的变化、物体的热电效应、电磁学性质的改 变以及热机中工作物质在工作过程中所表现的现象等等。 2.教法研究要注重实验，唤起学生已有的感性认识，观察、分析 实验现象和实验结果，从而建立概念，得出结论

7、。例如：关于温度的概念和温度的测量，我们可以从最 简单实验入手。取一盆冷水在下面加热，让学生在加热的 不同阶段把手伸入小中，于是学生从感觉上认识到从冷到 微温，温和，热以至最后烫手。那么，凭感觉可以准确的 判断温度的高低吗？我们取一杯2030C的水，让一个 学生第一次先把手放在冰块上摸一会儿，放入水中，他会 觉得摄氏二十多度的水是热的；第二次让这个学生先把手 放入6070C的水中呆一会儿再让放入试验水中，他又 会觉得二十多度的水是凉的，这是由于相对温差在感觉上 造成的错觉。于是我们引导学生，要想准确的测量温度， 必须借助物质由于冷热变化而引起的某种性质变化来度 量，例如，利用物质的热胀冷缩性质

8、，制成温度计。2.1关于分子运动论的学习，同样由于内容的抽象性, 因而不宜从理论内容入手，可以采取讲小故事的方法。如 古希腊著名哲学家德谟克利特非常善于观察，他每看到一 个现象，都要琢磨原因，例如他看到，鱼在水中游动，就 考虑，水为什么那么坚实，以致可以任鱼游来游去？又如 他考虑，为什么冰就容易被打碎，难道冰块也不坚实吗？ 为什么人可以在距离鲜花很远的地方闻到香味？为什么 湿衣服凉在室外水份容易跑掉？等等。最后，他总结也一 条道理，物质都是由最小的粒子构成的，这些粒子在不停 的运动。经过许多科学家工作者的努力，终于从大量的实 验现象中归纳出分子运动之要素。（1） 一切物体都是由分 子组成的；（

9、2）分子是不连续的，之间具有一定的间隙， 并具有斥力或引力。（3）分子处在不停的运动中。进而按 这个基本内容展开，定性地讲述分子及其大小，分子的运 动和分子间的作用力，以至物体的分子结构。2.2关于热量：热量是一个容易被误解而混同于温度的概念。学生往 往认为，某物体摸着很热，它的热量就大。为了避免这种 混淆，最好从热传递说起。两个温度不同的物体互相接触 后，会发生热传递现象，热传递的本质是能量的传递，温 度高的物体把能量传递给温度低的物体，直到两者的温度 相等时，就是热平衡状态，而热量则是在热传递过程中能 量改变的一种量度，物体的能量增加体现为吸热，物体能 量减小体现为放热。为了定量地描定物体

10、内能的改变，必 须计算热量。为了找到一个计算标准，于是引入比热的概 念：1千克物质，温度改变（升高或降低）1摄氏度需要 吸收或放出的热量叫比热（千卡/ （千克C）。显然比 热是只与物质本身性质有关的物理量，不同的物质比热不 同。计算了 m克某物质、温度改变AT所吸收或放出的 热量（Q）为d Q=cmdt从公式可以看出，当质量一定，温 度的改变量一定时，吸收或放出的热量dQ只与物质的比 热有关。2.3关于理想气体的状态方程：首先要明确，所谓理想气体，是指能严格遵守几个气 体定律的气体，这在实际上是不存在的。但是，在温度不 太低，压强不太高的情况下，一般气体可以近似为理想气 体，这是理想气体的宏观

11、模型。从微观角度来看，分子没 有大小，分子间没有作用力，把分子看作为弹性质点的 气体，叫做理想气体，这是理想气体的微观模型。一般的 真实气体，在温度比较高，压强不太大的情况下，气体的 体积是比较大的，这时，分子本身的大小是可以忽略不计 的，从而可以视为理想气体，于是理想气体的两种模型便 可以统一起来，研究理想气体也才具有一定的现实意义。 然而，说明描写气体平衡状态的主要参量；压强（P）是 从力学的角度来描写的气体平衡状态；体积（V）气体分 子所活动的空间，是以几何学的角度来描写气体的平衡状 态；温度（T）是表示分子运动激励程度的，即从热学的 角度来描写气体平衡状态；而M/U是以摩尔数表示的物

12、质之量。各个状态参量从不同的角度来描写理想气体的平 衡态，它们之间必然有一定的联系，这个联系方程式，就 叫做理想气体状态方程式，即，叫RT .为了利用理想气体状态方程有关物理问题，首先，仍 然是根据问题的要求和计算方便，确定研究对象；然后， 描写研究对象所处的平衡状态；最后，根据过程的特点， 列出方程，求解。例：一容器装有lOOKg某种气体，温度为47C ；因 容器漏气，经若干时间后，压强降到原来的5/8,温度降 到27 C,问漏了多少气体？首先，选择容器内的气体为研究对象，并视为理想气 体。第二步，进行状态描写初态P、V、T、M未态P 、V、T，、MRTfY.PV= /?TU根据理想气体状态的方程有:从（1）和（2）两式中约去体积V铲 0.100X* 窘霁 0.67(Kg)M=M -M=0.067-0. 100=-0. 033 （Kg）负号表示漏掉的气体。总之，热学与我们人类日常生活非常密切，今后许许 多多的疑难问题，有待于我们去研究，讨论、解决。参考文献：%1 新编初中物理教材第一册。%1 黄淑清、聂宜如、中光甲：热学教程；高等教育岀版社1985。%1 初级中学课本物理下册，人民教育出版社。%1 詹佑邦：热学新世纪高等师范院校教材%1 阎金铎：热学教学研究北京师范大学物理系%1 中学牧物理教师手册第三篇。%1 E、A史特劳夫：分子物理学弋等译，高等教育出版社。