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物理学论文投稿-热学中热量和热容量的教学

作者:未知 时间:2012-03-16 阅读:( )

热学是物理学中的一个重要分支,在物理教学中占有相当大的比重。因此,热学教学始终应该是物理教学中重要的一环。尽管随着教学过程的不断深入,存在着一个通过反复的教学实践,使学生不断深化对所学的热学概念的理解的过程,甚至有些热学概念,学生只有在对热力学有比较深入的了解后,才能完全正确掌握。但是,即使如此,仍然应该要求教师在物理教学过程中,对一些非常重要的热学概念的讲授中,尽量避免错误或偏颇,尽量让学生从一开始接触到的热学概念就正确或比较正确。这样才能更有利于学生对热学及其后续课程,分子物理学、统计物理学的学习、理解。为此,本文仅对热学中热量和热容量谈一点粗浅的看法。
热量是热学教学中继温度之后引进的一个重要的物理概量。如何引入热量?不少书上采用的方式是以
              
定义热量。严格说来,这种定义方式是不妥当的。这是因为:
1、要用这种方式定义热量 ,就必须先定义热容量 或比热 。而定义热容量,又需要先定义热量。因为热容量本身的定义是:温度升高 时,物体所吸收的热量。因此,这是个逻辑循环。
2、特别应当指出,热量和热容量都是和具体过程有关的物理量。一般来说,对于气体,等容过程热容量 和等压过程热容量 就不相同。特别对于等温过程,由于 ,热容量为无穷大, 的表示式右端成为一个0乘∞的不定式。谈不上用它来定义等温过程的热量。
3、只用这个公式定义热量,容易引起等温过程无热量交换的错误理解。实际上,比方对理想气体的等温膨胀过程,由于理想气体的内能仅是温度的函数,因此,等温膨胀过程中对外所作的功需要由气体从外界吸收热量来补偿。也就是说,理想气体的等温膨胀过程必然吸收热量。这个结果,在 图上也是显而易见的。因为除在绝对零度的情况外,等温线和绝热线不重合,二者只有一个交点。因此一般说来,对单元单相系,由于可逆等温过程不是绝热过程,因而等温过程总是有热量交换。
除此之外,也有些书采用其它方法引入热量:比如把热量定义为“吸收或放出热的多少”,甚至用 是熵变)来定义热量。严格来说,用这种方式定义热量也有缺陷。比方,前者易和热质说混淆;后者则仅适用于可逆过程,它们都不是逻辑上严谨的或普遍适用的定义。
引入热量的比较严谨的方法是喀喇氏的办法,通过热力学第一定律引入热量。实验证明:和外界只有机械的或点的直接作用,而没有其它作用的体系(通常称为绝热隔离体系),亦即和外界只通过机械功交换能量的体系,当它从一个确定的初态过渡到一个确定的末态时永远完成同样大小的功。也就是说,绝热隔离体系所作的功只与初态和末态有关,而与过程无关。因而我们总可以引入态函数内能,使绝热隔离体系对外所作的功等于内能的减少。然后再进一步把这个实验结论扩充到更一般的非绝热隔离体系。给出对于一般体系,存在有
           
这就是热力学第一定律。它告诉我们,体系吸收的热量等于体系内能的增加和体系对外所作的功之和,也就是说,可以用 之和来定义热量。有了明确的热量 定义后,在由公式 可代表体积、压强或其它热力学参量定义各种不同热力过程的热容量(或比热 )。严格说来, 公式仅仅是热容量或比热的定义。
对于热量,应该指出:
1、热量是个与具体的热力学过程有关的物理量。我们只能说,在某个热力学过程中,体系吸收或放出了多少热量;而不能说,体系在某个状态里有多少热量。热量既非态参量,也非态函数。它和功一样,都与具体过程有关。
2、从数学上看,所谓热量和功都是与过程有关,是说 都不是全微分。对单元单相系,只能有两个独立变量,比方理想气体,可将此两参量选为 。注意到 只含热学参量 而不含力学参量;对准静态过程, 又只含力学参量而不含热学参量,因而它们都不是全微分。只有它们之差 构成一个全微分,定义一个态函数内能
3、热量和功一样,都是一种交换或传递能量的方式。从这种意义上说,热力学第一定律是包含热交换在内的比力学中的能量守恒更为广义的能量守恒定律。
4、必须指出,不要认为由 定义的热容量只能是常数。一般说来,热容量可与体积或其它参量有关,只有对那些状态方程中 (或 )成线性关系的体系,其 (或 )才与压强(或体积)无关。
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