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关于热功与内能改变的因果关系—王春民

减小字体 增大字体 作者:王春民  来源:本站整理  发布时间:2011-12-13 08:24:26

关于热功与内能改变的因果关系

——兼谈热力学第一定律的应用

王春民

  一、一个有趣的话题

  有一泥球,以初动能EKO水平地与竖直刚性墙作用后粘在墙上,问:什么力做功将泥球的机械能转化为泥球的内能?

  其原因,不外乎外部和内部两个方面:

  根据质点系动能定理W+W=△EK,分析知,W=0,这既无改变机械能的外部原因,亦无改变内能的外部原因;只有W=△EK<0。根据能量守恒定律△U=-△EK,即推出W=-△U。

  又无独有偶,现行中学物理教材第二册92页第3题,也遇到了同样的问题。若设想质量为m的水从h高处自由下落到坚硬不能动的容器内最后静止,我们绝不可能得出水的机械能转化为水的内能是由水的重力或其他以外的做功原因。

  那么,关于物体内能的变化原因到底由外部对物体做功表述还是由物体内部做功表述呢?

  二、内能改变的原因是热功

  在中学物理教学中关于“外界给物体做功(及物体给外界做功)”的表述往往与力学中关于“外力对物体做功(及物体克服外力做功)”的表述相混淆。究其原因就是关于“物体”一词的理解。前者“物体”指质点系或广义分子系统,其伴随体积或形状变化(塑性形变);后者“物体”指无大小或刚性物,不伴随体积和形状的变化。因而,物理学中就出现了与内能相联系的热功和与机械能、电势能等相联系的机械功、电功等。

  热功是引起物体内能改变的原因。

  由于与内能相联系的物理情景很多亦较为复杂,就热功改变内能的观点看,有些情况可表述为外部原因,有些情况可表述为内部原因,因此我们分类分析。

  三、关于外界对物体的热功和物体内力的热功与热力学第一定律

  1、理想气体中的热功

  理想气体是(刚性)分子系统,其内力仅为内压力。既无内聚力,亦无外摩擦力和塑性力,或说可忽略不计。在这种情况下,外界对物体所做的热功表达式为:

  W外热=-Fpdv       (1)

  而内压力反抗外力做功的表达式为

  W内热Fpdv       (2)

  在这种情况下,热力学第一定律的表述形式为

  △U=W外热+Q      (3)

  △U=-W内热+Q     (4)

  从(3)、(4)两式可看出,W外热和W内热均可作为内能改变的功能关系(同一过程中功的“+”“-”都能表示能的转化方向)。换言之,两式相通的条件为内力的热功与外界热功量值相等的情况。(即|W外热|=|W内热|)

  2、刚性系统中的热功

  这种情况是中学物理常见的力热系统。象理想气体可视为刚性分子系统。但是在这里我们指宏观刚性系力热系统:由宏观刚性体构成,且若受外力,外力绝不可能对系统做热功,又且内部相互作用各物体不发生任何形变。由此可见,该系统内力若做热功当且仅当是内滑动摩擦力。例如,非完全弹性碰撞不属该类系统;例如一物块以初动能EKO在水平地面上运动,最后停止,这一过程若作为力热系统,即刚性物块和刚性地面为系统的力热过程,则这样的系统的热力学第一定律与(4)式相同。但W内热不能用(2)式计算。

  3、凝聚态孤立体中的热功

  像太阳或地面上无外力热功的系统就是这种系统。这种系统的内力十分复杂,从微观看,有核力、化学力、原子内的库仑力及分子力这样的短程力,又有内聚的保守力(引力和电力)等。但跟内能相联系的力只能是广义分子力。不包括核力、化学力、原子内的库仑力及保守力;从宏观看,有内压力、内摩擦力、内塑性力、凝聚力(不包括保守力)即仅与广义分子相联系的宏观性质的分子力。

  这种系统,W外热=0。内能可与核力相对应的核能,与化学力相对应的化学能、与原子内库仑力相对应的原子能,与保守力相对应的机电能相互转化。其热力学第一定律的表示形式与(4)式相同。其中|W内热|是多少,就表明有多少内能和其他形式的能转化多少。

  限于篇幅,综上所述,外力的热功作为内能的改变是有局限性的。若将内力的热功用于热力学第一定律,则(4)式就是普适的热力学第一定律。

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