趣赏《热学》的特点

来源 :中学生数理化·高二版 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kinghuang1982
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  《热学》是一门独立的分支,仔细品味,会发现它有如下几个特点。
  
  一、特殊的显微镜
  
  翻开课本的扉页,你就会发现一种特殊的显微镜,凭借这种显微镜可以观察到原子的面目。因为原子是很小的,它的数量级只有10-10m,用一般的光学显微镜根本无法观察,所以只能用这种扫描隧道显微镜。
  扫描隧道显微镜是葛·宾尼和罗雷尔于1982年研制成功的,扫描隧道显微镜能将微小的东西放大几亿倍,用明察秋毫去形容它已经显得十分苍白。
  放大倍数之大反衬出原子之小,这是一个很显著的特点。
  
  二、特殊的方法
  
  要直接跟踪研究某一个水分子的运动规律,弊端有二:其一,水分子很小,其二,与背景浑然一体,某一个水分子周围都是大量的水分子,它们的面目一样,无法区分,无法识别,因此很难直接研究。
  布朗运动的设计是极其巧妙的,通过观察花粉颗粒的运动间接地研究水分子的运动规律,这样做比直接观察水分子的运动,要优越得多,其优越性主要体现在:
  1、花粉颗粒与背景水分子的区别非常鲜明,是“万绿丛中的一点红”。
  2、花粉颗粒是由成千上万个固体分子组成的庞然大物,与水分子相比。如“鹤立鸡群”。花粉颗粒大小的数量级接近于10-6m,用光学显微镜观察它,已经能够完成使命了。
  所以观察花粉颗粒的运动进而间接地证明水分子的运动,的确是高明之举,是一种特殊的研究方法。
  
  三、特殊的温度。
  
  -273.15℃是一个很特殊的温度,它不仅是热力学温标的起点,也是宇宙中低温的极限。
  热力学温标是英国物理学家开尔文创立的,他把-273.15℃作为新的温标的起点,就每一度而言与摄氏温标是相等的,这种温标不依赖于测温物质,故称绝对温标。对大量事实的分析表明,绝对零度是低温的极限,不可达到,这个结论称之为热力学第三定律。热力学温度的单位开尔文是国际单位制中七个基本单位之一。
  摄氏温度与热力学温度间有简单的换算关系,即T=t+273.15K。温度就是物体的冷热程度。从微观上讲,是分子平均动能的标志(εk=3/2kT),亦或分子运动激烈程度的标志。温度的数值表示办法就是温标。摄耳休斯创立了摄氏温标,这种温标以水银为测温物质,从物理特性上讲,水银的膨胀随温度变化是线性的。它把冰水混合物的温度定为零摄氏度,水的沸点定为100摄氏度,在0到100之间等分为100等份,每一等份就是一摄氏度。
  
  四、特殊的定律
  
  热力学第二定律有两种完全不同而又完全等价的表述,即克劳修斯表述和开尔文表述。这个定律的特殊有三:其一都揭示了一切与热现象有关的宏观过程均具有单向性,其二都是经验规律,其三都是否定之否定规律。
  1850年,克劳修斯根据制冷机的经验指出:不可能使热量由低温物体传递到高温物体,而不引起其他变化。该定律是按照热传导的方向性来表述的。“其他变化”的具体含义是:使热量由低温物体传递到高温物体还是可以的,但不是自发的,要付出代价才行,比如电冰箱就需要消耗电能。
  1851年,开尔文根据热机的经验指出:不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功,而不引起其他变化。该定律是按照机械能与内能转化过程的方向性来表述的。“其他变化”的具体含义是:把内能百分之百转化为机械能是不可能的,没有效率是百分之百的热机,热机至少要有两个热源,即高温热源和低温热源。
  
  五、特殊的发现
  
  能量守恒定律是19世纪自然科学的三大发现之一,是一条“伟大的运动基本定律”。
  能量守恒定律、细胞学说、达尔文的生物进化论被称为19世纪自然科学的三大发现。能量守恒定律是经过人类漫长而又艰辛地探索研究发现的,是建立在大量的事实基础上的。说它是一条基本规律,就是因为它的适用范围很广,在自然科学的各个领域内都成立,是人类认识世界,改造世界的强大武器。
  
  六、特殊的气体
  
  模型是源于实践而高于实践的抽象。高中《热学》里,理想气体就是一种典型的物理模型,它是一种特殊的气体。
  与实际气体相比,理想气体忽略了气体分子之间的分子力(微弱的引力),因此没有分子势能,只有分子动能;理想气体是温度的单值函数,温度增高,内能必然增大;理想气体有着简单的实验定律,这些实验定律有着宽广的适用范围。
  常温常压下不易液化的气体,可视为理想气体。
  点评:用特殊的目光,寻求特殊所在,这是学好独特学科的关键。
  
  (责任编辑 赵平)
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