高中物理人教版选修3-3教案《热和内能》2

热和内能拓展资料

“热”是什么？

热是什么？自古以来就有不同的看法.十六世纪以后，热的本质的问题又引

起了科学家和研究人员的注意.

“热”是一种运动？？

培根从摩擦生热等现象中得出“热是一种膨胀的、被约束的而在其斗争中作

用于物体的较小粒子之上的运动”，这种看法影响了许多科学家.

波义耳看到铁钉被捶击后会生热，想到铁钉内部产生了强烈的运动，所以认

为热是“物体各部分发生强烈而杂乱的运动”；笛卡尔把热看作是物质粒子的一

种旋转运动.胡克用显微镜观察了火花，认为热“并不是什么其他的东西，而是

一个物体的各个部分的非常活跃和极其猛烈的运药J.”牛顿也指出物体的粒子“因

运动而发热”.洛克甚至还认识到“极度的冷是不可觉察的粒子的运动的停止”.

俄国学者罗蒙诺索夫在十八世纪四十年代提出了两篇关于物理学的论文，第

一篇是关于热力学基础的，题为《关于热和冷的原因的思索》(1746)；第二篇

是关于分子运动论的，题为《试论空气的弹力》(1748).在这两篇论文中，罗

蒙诺索夫提出了如下的见解：“热的充分根源在于运动”，即热是物质的运动，

运动着的是物体内那些为肉眼所看不见的细小微粒；微粒本身是球状的，因为只

有这样，固体变热时才能保持它的外形；热量从高温物体传给低温物体的原因，

是由于高温物体中的微粒把运动传给低温物体中的微粒造成的，而且给出的运动

的量与接受的运动量相等，一物体使另一物体变热时，它自身便会变冷，这就肯

定了运动守恒在热现象中的正确性；气体分子的运动呈现一种“混乱交错”的状

态，是杂乱无规则的.

“热”是一种物质??

但总的说来，热是运动的观点尚缺乏足够的实验根据，所以还不能形成为科

学理论.随着古希腊原子论思想的复兴，热是某种特殊的物质实体的观点也得到

流传.法国科学家和哲学家伽桑狄认为，运动着的原子是构成万物的最原始的、

不可再分的世界要素，同样，热和冷也都是由特殊的“热原子”和“冷原子”引

起的.它们非常细致，有球的形状，非常活泼，因而能渗透到一切物体之中.这

个观念，把人们引向“热质说”.

波义耳也动摇于热的运动说和热质说之间.在考察放在真空容器中的一块炽

热的铁可以使器壁感受到热的现象时，他认为这似乎只能用“热”自己传过来加

以解释.波尔哈夫认为，热的本源是钻在物体细孔中的、具有高度可产塑性和贯

穿性的物质粒子，它们没有重量，彼此间有排斥性，而且弥漫于全宇宙.1789年,

拉瓦锡还将“热质”和“光”列入无机界二十三种“元素”之中.

布莱克是热质说的一个重要倡导者.他虽然相信最终会发生现热“将不是化

学的，而是力学的”，但他又很难否定热质说.他觉得热是运动的学说还有不少

困难.例如，如果说热是物质内部粒子的运动，那么密度大的物质由于其内部粒

子吸引力强而不易振动，比热就应越大，但为何水果的比热反而比水的比热小呢？

对于“潜热”，用粒子的机械运动更难作出解释.所以布莱克宣称他“不能形成

这种内部振动的概念”，而采取了热是某种特殊物质的观点.

热质说简易地解释了当时发现的大部分热学现象：物体温度的变化是吸收或

放出热质引起的：热传导是热质的流动.对流是载有热质的物体的流动，辐射是

热质的传播；物体受热膨胀是因为热质粒子间的相互排斥；物质状态变化时的“潜

热”是物持粒子与热质发生“准化学反应”的结果；摩擦或碰撞的生热现象，是

同上于“潜热”被挤压出来以及物质的比热变小的结果；等等.由于热质的物质

性，所以它也遵从物质守恒定律，这是混合量热法的理论根据.

在热质说观点的指导下，热学研究所取得的主要进展有：布莱克发现了比热

和“潜热”；瓦特从理论上分析了旧蒸汽机的主要缺陷而引导他改进了蒸汽机；

傅立叶依据这一物理图象建立了热传导理论；卡诺从热质传递的观点出发于十九

世纪初提出了消耗从热源取得热量而得到功的理论.

热质说的成功，使人们相信它是一个正确的学说，从而压倒了热是运动的看

法而在十八世纪到十九世纪初居于统治地位.

“热”还是一种运动？？

但是，到了十八世纪末，热质说受到了严重的挑战.1798年，出生于美国，

后来加入英国国籍的物理学家本杰明•汤普逊即伦福德伯爵向英国皇家学会提出

了一个报告，说他在慕尼黑监督炮筒钻孔工作时，注意到炮筒温度升高，钻削下

的金属屑温度更高的现象，他提出了大量的热是从哪里来的这个问题.他在尽量

作到绝热的条件下进行了一系列钻孔实验，比较了钻孔前后金属和碎屑的比热，

发现钻磨不会改变金属的比热.他还用很钝的钻头钻炮筒，半小时后炮筒从60度

F升温到130度F,金属碎屑只有五十多克，相当于炮筒质量的九百四十八分之一,

这一小部分碎屑能够放出这么大的“潜热”吗？他在笔记中写道：“看来在这些

实验中，由摩擦产生热的源泉是不可穷尽的.不待说，任何与外界隔绝的物体或

物体系，能够无限制地提供出来的东西，决不可能是具体的物质实体；在我看来,

在这些实验中被激发出来的热，除了把它看作是‘运动'以外，似乎很难把它看

作为其他任何东西.”

六年以后，热质论者还在辩解说伦福德实验中的热是从周围的“热质海洋”

中吸收来的.1799年，英国化学家戴维进行了这样的实验：在一个同周围环境隔

离开来的真空容器里，利用钟表机件使里面的29度F的两块冰互相摩擦而熔解为

水.在这个实验中，“热质海洋”被外面的冰壁隔绝，而摩擦的冰块只能吸收“潜

热”熔解为水，是不可能挤出“潜热”的；冰在熔解后又变成了比热更大的水.因

此，在这里，“热质守恒”的关系不再成立了.戴维由此断言“热质是不存在的”.在

对粒子振动的思想犹豫了一段时间之后，1812年他终于明确提出：“热现象的直

接原因是运动，它的转化定律和运动转化定律一样，同样是正确的.”

伦福德和戴维的实验都支持了热是运动的看法，但这并没有结束热质说的历史.只

有托马斯・杨在他1807年的那本书中对热质说进行了驳斥.但依然有很多其他人

坚持着热持说.直到1848年，W•汤姆逊还从热质说的观点对焦耳的研究结果提

出过质疑.热传递与热传导

有许多人在学习物理、解答物理习题时，常把热传递与热传导混为一谈，认为热

传递与热传导描述的是同一物理过程，殊不知它们是两个不同的概念。

由内能与热能一节以及热、热运动与热现象的阐述可知，物体的内能就是组成物

体全部分子、原子的动能、势能和内部电子能等总和，物体内能的改变可以通过

分子、原子有规则运动为能量交换来达成，也可以通过分子、原子的无规则运动

的能量交换来达成（或者是两者兼有）。前者能量交换的方式就是作宏观机械功

的方式，后者能量交换的方式就是所谓的热传递。更确切地讲，所谓热传递就是

没有作宏观机械功而使内能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分

转移到另一部分的过程，它通过热传导、对流和热辐射三种方式来实现。实际热

传递过程中，这三种方式常常是相伴进行的，重要的是看哪一种方式占主要地位。

在热力学中，把除了热传递以外的其他一切能量转移方式都归于作功。所以，热

传递和作功是能量转移的两种方式，除此之外没有其他方式。

由以上论述可知，热传递是能量传递的一种方式，它具体又包括热传导、对流和

热辐射三种形式。为了帮助大家能把热传递与热传导更好地加以区别，下面我们

有必要对热传导、对流和总辐射分别作论述。

热传导指的是物质系统（气体、液体或固体），由于内部各处温度不均匀而引起

的热能（内能）从温度较高处向温度较低处输运的现象。

热传导的实质是由大量分子、原子或电子的相互碰撞，而使热能（内能）从物体

温度较高部分传到温度较低部分的过程。热传导是固体中热传递的主要方式，在

气体、液体中它往往与对流同时发生。各种物质的热传导性能不同，热传导过程

的基本定律是博里叶定律。

对流作为热传递的一种途径，是流体（气体、液体）中热传递的主要方式。它是

指流体中较热部分和较冷部分在流体本身的有序的循环流动下的相互搀和，使温

度趋于均匀从而达到热能（内能）传递的过程。

对流往往自发产生，这是由于温度不均匀性所引起的压力或密度差异的结果，

至于热辐射，它是指受热物体以电磁辐射的形式向外界发射并传送能量的过程。

物体温度越高，辐射越强。与热传导、对流不同，热辐射能把热能以光的速度穿

过真空，从一个物体传给另一个物体。任何物体只要温度高于绝对零度，就能辐

射电磁波，波长久为0.4〜40微米范围内的电磁波（即可见光与红外线）能被物

体吸收而变成热能，故称为热射线。因电磁波的传播不需要任何媒质，所以热辐

射是真空中唯一的热传递方式。例如，太阳传给地球的热能就是以热辐射的方式

经过宇宙空间而来的。

由于进行了上述三次研究和革新，一台近代蒸汽机的完整蓝图基本上设计出

来了.1705年，纽可门、考利和赛维利一道，终于试制出了第一台真正算得上是

动力机的蒸汽机.

从巴本蒸汽泵到纽可门蒸汽机的早期蒸汽动力技术的发展，己最初向人类社

会预告了即将兴起的第一次工业革命的信息，特别是预告了蒸汽时代的即将到来.

在工业革命中，大量的发动机被应用，这促使作为机械员的瓦特对改进蒸汽

机产生了兴趣.瓦特自1764年开始改进纽可门蒸汽机的工作.他回忆说：〃当年

格拉斯哥大学把修理一台纽可门蒸汽机的任务交给我.在修理的过程中，我深感

它的不足，所以决心动手研制一种性能较好的蒸汽机.〃瓦特当时告诉记者，纽

可门蒸汽机有两大缺点：燃料耗量大而效率低，另外就是它只能作往返的直线动

作.因此，除了用于矿井抽水之外，纽可门蒸汽机没有其他用途了，而它浪费的

蒸汽可达八成以上.

经过一番努力，瓦特发现了纽可门蒸汽机效率低的原因与解决方法：既然蒸

汽具有弹性，只要把汽缸和另一个容器相连接，让蒸汽接入其中，就不需一再冷

却汽缸，浪错了许多热量了.

瓦特紧接着设计了一个与汽缸分离的冷凝器，并在汽缸外面加了绝热套，使

汽缸保持在高温工作状态.一台运作正常的蒸汽机终于〃出炉〃了！

在缺乏资金的情况下，瓦特当时向一名工厂老板贷款，但由于机件陈旧不合

标准，冷凝器因蒸汽机不断从活塞旁漏汽而无法正常操作，使得工厂老板停止对

他的资助.

幸好瓦特得到著名铁商博尔顿的赏识，出资与他成立了博尔顿-瓦特公司，让

他在无后顾之忧的情况下，专心从事蒸汽机的实验和生产.

瓦特在新设计的蒸汽机上安装曲轴、连杆等器件，使它更为自动化.这些重

大的改进，使工厂和交通运输等方面都能使用蒸汽机.因此蒸汽动力的巨大潜能

被逐渐的发掘了出来.

纽可门蒸汽机问世以后，就被广泛的应用于社会生产的各个行业.但是在世

界上引起重大变革的是瓦特蒸汽机.

当然，瓦特蒸汽机的历史影响是在它问世后半个多世纪内逐渐发生的.然而,

它的历史影响正是以它的发明问世为历史起点的.从八十年代初开始，以蒸汽机

为主要标志的第一次工业革命，首先在英国，然后在西方各国迅猛发展起来.在

生产方式上，瓦特蒸汽机的发明，为最终实现由工场手工业向机器大工业的变革

提供了强大的杠杆.自此之后，首行在英国，其后在法国、德国、荷兰、瑞典等

国家，都先后实现了由工场手工业转变为机器大工业的这场生产方式的大变革.由

于生产方式的变革，整个社会生产面貌也为之一新.当瓦特蒸汽机革新成功以后,

英国当时正急切需要动力的第一次工业革命得到了适用广泛的强大的动力机，从

此，第一次工业革命以更加迅猛的声势向前发展.

采矿业，纺织业和冶金业是当时的工业革命的主要行业.在采矿业中，1783

年，英国著名的康沃尔采矿中心的所有纽可门蒸汽机几乎全部为瓦特蒸汽机的取

代.随后，在其他金属矿区、在煤矿，原有的纽可门蒸汽机也相继被瓦特蒸汽机

所取代.

在纺织业中，1785年，诺定昂郡建立了英国的第一座蒸汽纺织厂.由于采用

瓦特蒸汽机作为原动机，使纺织厂打破了必须建在河谷地区的地理条件的限制，

使纺织业的发展进入了一个新的时期.

在冶金业中，从1790年开始，许多炼铁厂相继采用蒸汽机来开动更大的鼓风

机，来为更大的高炉提供更大的风力.在此之前，炼铁工人达比已在1780年发明

焦炭炼铁法.新的燃料加上新的动力，使高炉越建越大，产量越来越高.