【物理】2020届一轮复习人教版热和内能教案 7页

‎2020届一轮复习人教版 热和内能 教案 www.ks5u.com ‎　　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动．”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，但为何水银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、原子有规则运动的能量交换来达成，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 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。‎ ‎    由此可见，热传导与热传递是两个从属关系概念，热传递概念的外延明显宽于热传导概念的外延，故热传递是一个属概念，而热传导是一个种概念。‎ 推动世界的蒸汽 ‎　　近代蒸汽动力技术的产生,主要源于当时的社会生产的直接推动和当时的实验科学的长期孕育．英国资产阶级革命为资本主义的发展扫清了道路，在工厂手工业的迅速发展中，社会需要促使了早期蒸汽机的问世．在十六世纪末和十七世纪初，包尔塔进行了蒸汽压力实验，托里拆利和巴斯噶等进行了大气压力实验，那末格里凯进行了真空作用实验．这三大实验基础的相继形成，使人们得以从实验上开始认识蒸汽、大气和真空的相互作用．而这些重大的实验成果也就为早期蒸汽动力技术的产生奠定了牢固的实验科学基础．‎ ‎　　最先把蒸汽动力技术的设想付诸实施的，是法国著名物理学家、工程师巴本（Denis Papin 1647-1712）．从1674年开始，巴本即致力于蒸汽泵的实验设计．经过一段时间的实验研究与理论探索，他从欧洲当时的炼铁场广泛使用的那种活塞式风箱中受到启发，认为有可能把风箱变为汽缸，而把风箱中的活塞变为汽缸中的活塞．在实验时，他先将汽缸的底部注入少量的水，再把汽缸放到火上加热．当汽缸内的水沸腾后，蒸汽即推动活塞慢慢上升；然后，又把火从汽缸下抽掉，汽缸内的蒸汽即慢慢冷凝．由于蒸汽的冷凝，汽缸内产生真空，在大气压力的推动之下，活塞又慢慢下降．通过这一实验，使巴本认识到，利用蒸汽压力、大气压力、真空作用的交互作用，完全可以推动汽缸内的活塞及其活塞杆作往返的直线运动．而这种运动所产生的机械动力可以带动其他机械的运动．在发明带有活塞的蒸汽泵之后，考虑到蒸汽压力大可能会使汽缸爆炸，巴本又在1680年发明了安全阀．这样，第一台可以把热能转变为机械能的实验型的蒸汽泵，就于1680年在英国试验成功了．‎ ‎　　继巴本之后，在近代蒸汽动力技术的发展中做出重要贡献的是英国机械工程师赛维利（T.Savery 1650-1715）．赛维利的蒸汽泵的设计原理源于包尔塔的蒸汽力原理．他的蒸汽泵的主要构件，是汽缸与锅炉．赛维利的汽缸与巴本的汽缸很不相同．赛维利的汽缸未采用活塞，只是在其中接有吸水管、排水管和进汽管．当蒸汽从锅炉经过汽管进入汽缸后即使这部分蒸汽冷却，而冷却后造成的真空就把矿井中的水从吸水管中吸进来，此时再将蒸汽注入汽缸，这部分进入汽缸的蒸汽所产生的压力就把水从排水管中排放出来．后来，赛维利研究了巴本的蒸汽泵，在他的蒸汽泵中也采用了安全阀．1695年，赛维利制造出了几台这样的蒸汽泵．这是近代蒸汽动力技术的第二次突破．‎ ‎　　后来，纽可门研究了赛维利蒸汽泵，他认为赛维利蒸汽泵有两大缺点．一大缺点是热效率太低．纽可门在设计上作了重要革新：他不让冷却水直接进入汽缸，而是把冷却水通过一个细小的龙头向汽缸内进行喷溅．另一大缺点是赛维利蒸汽泵基本上还是一种水泵，而不是典型的动力机．针对这一点，他在赛维利蒸汽泵中引入了巴本的活塞装置，这样蒸汽压力、大气压力和真空即可在交互作用下推动活塞装置，蒸汽压力、大气压力和真空即可在交互作用下推动活塞作往复式的机械运动．而这种机械运动一旦传递出去蒸汽泵也就成为了蒸汽机．‎ ‎　　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，已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，浪费了许多热量了．‎ ‎　　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．1788年，英国的生铁产量为61300吨，而在各炼铁厂相继采用蒸汽机后，到了1796年，英国的生铁产量即猛增到125000吨． ‎ ‎　　由于社会生产对瓦特蒸汽机制需求量越来越大，这也使以蒸汽机的制造为主体的机器制造业也随之发展起来．自此之后，车床、刨床、钻床、磨床等各种机床制造工业以及纺织，采矿、冶金、运输等各种工种工作机的制造业也相应地发展起来．以农业机械为例，在十八世纪末和十九世纪初，在英国的许多大农场就相继出现了播种机、收割机、打谷机、割草机等多种农业机械．尽管这些最农业机械都是以人力或畜力为动力的，但它们却是瓦特蒸汽机在推动第一次工业革命的深入发展中结出的技术果实．这说明，第一次工业革命的风暴不但在工业领域迅速发展，而且迅速地波及到工业以外的其他领域． ‎ ‎　　另外，在科学技术上，在生产关系上，瓦特蒸汽机的发明也起到了重要作用．瓦特蒸汽机的发明，第一次大规模地把热能转变为机械能，这就直接推动了科学、热力学和能量转化方面的基础理论的研究，同时了直接推动了纺织、采矿、冶金、机械等各类技术科学的发展． ‎ ‎　　瓦特蒸汽机的发明，也为生产关系的革命提供了有力的杠杆．自此之后，由于机械大工业的迅速发展，社会日益分成两大明显对立的阶段：无产阶级和资产阶级．机器大工业反无产阶级一次又一次抛向街头，无产阶级革命也就一次又一次发生，从而把西欧一些主要资本主义国有推向了一个新的社会发展阶段．‎