物理热学几道趣题.doc

先用一道简单趣题来热热身（大家应该都见过）一只可爱的小熊，掉进一个洞里面，洞深20米，小熊从洞顶掉到洞底用了2秒。问：这只熊是什么颜色？答：熊是白色的。解析：根据运动学公式可以推算出这只熊所处位置的重力加速度大小为，再根据地理知识可知这只熊所处位置为南极或北极，又因为南极没有熊，所以这是一只在北极的北极熊，所以它是白色的。 好吧你们都错了！熊其实是红色的！因为熊掉到20米深的洞里一定会流血啊！（呃好吧其实就是没水平地搞笑一下）下面来真的了啊。首先介绍一下热力学三大定律。热力学第一定律自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能量的总和不变。（所以，热可以转变为功，功也可以转变为热；消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。）热力学第二定律不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化。或者可以表述为：不可能从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其它变化。热力学第三定律绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为零。或者可以表述为：绝对零度（T=0K）不可达到。接下来就都是些热学的“趣题”了。初出茅庐（其实还是热身级别的）：假如我手边有一杯热牛奶和冷红茶，想要自制一杯凉的奶茶。怎样才能让做出来的奶茶凉得快一些？是先把奶和茶混合起来再等5分钟？还是先等5分钟再把奶和茶混合起来？答案：先等5分钟再把它们混合起来凉得更快。 解析：在一定时间内，物体与周围煤质的温差越大，向周围空间散发的热量就越多（此乃常理，钻牛角尖者请自行尝试用傅里叶定律推导）。所以冷却总是开始较快，然后逐渐变慢。因此，在所给出的情景中，还是先等5分钟，然后再将两者混合为宜。小试牛刀（难度开始加大了，但绝不坑爹）：在野外施工中，需要使质量m4.20 kg的铝合金构件升温；除了保温瓶中尚存有温度t90.0C的1.200kg的热水外，无其他热源。试提出一个操作方案，能利用这些热水使构件从温度t010.0C升温到66.0C以上(含66.0C)，并通过计算验证你的方案已知：铝合金的比热容c0.880103J(kgC)1，水的比热容c4.20103J(kgC)1，不计向周围环境散失的热量（提示：用初中学过的公式即可解决问题）（由于计算较麻烦，而时间比较有限，同学们给出大致思路即可）解析：将保温瓶中的热水分若干次倒出来。第一次先倒出一部分，与构件充分接触，并达到热平衡，构件温度已升高到，将这部分温度为的水倒掉。再从保温瓶倒出一部分热水，再次与温度为的构件充分接触，并达到热平衡，此时构件温度已升高到，再将这些温度为的水倒掉。然后再从保温瓶中倒出一部分热水来使温度为的构件升温直到最后一次，将剩余的热水全部倒出来与构件接触，达到热平衡。只要每部分水的质量足够小，最终就可使构件的温度达到所要求的值。验证计算：例如，将1.200kg热水分5次倒出来，每次倒出0.240kg，在第一次使热水与构件达到热平衡的过程中，水放热为 （1）构件吸热为 （2）由及题给的数据，可得 27.1 （3）同理，第二次倒出0.240kg热水后，可使构件升温到 40.6 （4）依次计算出的数值，分别列在下表中。倒水次数/次12345平衡温度/27.140.651.259.566.0可见66.0时，符合要求。初显峥嵘（稍稍有点难想，但绝不逆天）：有三个同样的保温瓶A、B和C。在A、B两个保温瓶中分别装有1升温度为80C和20C的水，保温瓶C是空的；另外还有一个容器D，它是以绝对导热的玻璃制成的，它的大小以能自如地放入保温瓶为宜。利用这四个容器，用A瓶热水加热B瓶冷水是毫无问题的；但能使B瓶冷水最后的温度高于A瓶热水最后的温度吗？（不允许使A瓶热水和B瓶冷水直接混合）解析：根据热力学第二定律，热总是由热的物体向温度低的物体传递，并且至多达到两个物体的温度相同为止。因此我们通常都会认为这是没办法实现的。但对这个问题我们却可以找到实现的办法。取B瓶冷水的一半（0.5升）倒入容器D中，并把它放在装有热水的保温瓶A内。如果忽略热损失，很容易计算出，A和D的温度将稳定在60C。这时把变热的冷水由容器D倒入空着的容器C中。同理，将B瓶剩余的冷水（0.5升）注入容器D，并放入容器A就能使它们的温度稳定到约47C，最后再将容器D中的水倒入容器C中混合后，就能使原先B瓶中的冷水达到约53C，而此时A瓶中的水温度只有47 C了。如果冷水不是分成两份而是分成更多份，最后的温度差就会更大；如果将冷水分成无穷多份时，几乎可以将原先热水和冷水的温度完全对换。其实在工业上使用的热交换器中，就有一种是由同心双环管组成的（见图）。冷热液体（或气体）分别沿自己的管道相对着流动，如果管道足够长，那么所发生的热交换，实际上就是完全的“温度转换”。挑战自我（其实难度不大，大家自个儿看着办吧）：众所周知，没有能源而能够自行做功的“永动机”是不可能制成的，能量守恒定律早就否定了它的可能性，人类许多世纪的经验也证明了这一点。但是能不能依据下面给出的原理来设计出“永动机”呢？将海洋表层温暖的海水抽进来，用它们来加热一些气体使气体膨胀；再将底层冰冷的海水抽进来，使气体降温压缩。气体交替膨胀和收缩就能使发电机运作并藉此发电。顺便说一下，这种设想中的机器在物理学上叫做“第二类永动机”（从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响的机器），而“第二类永动机”并不违反能量守恒。提示1：根据热力学第二定律，热量只有在存在温度差时才能传递，所以想要吸收能量就需要一个将热源中的物质降温的热交换器，也即冷凝器。提示2：解析：这种机器虽然符合热力学第一定律（也即符合