熱力學(xué)第一定律教學(xué)方法,熱力學(xué)論文

熱力學(xué)第一定律教學(xué)方法,熱力學(xué)論文內(nèi)容摘要：熱力學(xué)第一定律在熱學(xué)中占有重要的地位，但內(nèi)容多而散，知識(shí)點(diǎn)高度密集。文章根據(jù)內(nèi)容之間的互相關(guān)系，對(duì)一般教學(xué)資料中的準(zhǔn)靜態(tài)經(jīng)過(guò)、熱力學(xué)第一定律、功、熱量、內(nèi)能等有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了合理的重組，中間穿插提出了一些教學(xué)心得，以期對(duì)今后的教學(xué)有一定的價(jià)值。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：熱力學(xué)第一定律；講述；Abstract:Thermodynamicsonelawsoccupyintheheatlearnimportanceofposition,butcontentsmanybutspread,knowledgepointheightintensive.Thistextaccordingtothecorrelationofcontents,thequasi-staticstateprocess,thermodynamicsintherightnessgeneralteachingmaterialonelaws,achievement,calories,insideabilityetc.relevanttheproblemcarriedonreasonableofreorganization,inthecenteraddedtoputforwardsometeachinginsight,withperiodtoaftertimeoftheteachinghavecertainofvalue.Keyword:Thermodynamics;Firstlaws;Relate;熱學(xué)是研究熱現(xiàn)象的理論，熱現(xiàn)象的理論主要由熱力學(xué)宏觀理論和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)微觀理論組成。而熱力學(xué)第一定律把握的好壞將直接影響到整個(gè)熱力學(xué)宏觀理論的學(xué)習(xí)，下面筆者按重組的順序展開討論并穿插一些教學(xué)心得。筆者講授熱力學(xué)第一定律的順序是先講準(zhǔn)靜態(tài)經(jīng)過(guò)的模型，再講熱力學(xué)第一定律，然后講內(nèi)能、功和熱量，最后講理想氣體的性質(zhì)和熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體等值經(jīng)過(guò)的應(yīng)用。那么，筆者為什么這樣布置呢？1關(guān)于建立準(zhǔn)靜態(tài)經(jīng)過(guò)的模型首先是建立一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)經(jīng)過(guò)的模型，主要是考慮到全體學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)能力，研究力學(xué)時(shí)需要建立模型，如平動(dòng)時(shí)需要建立質(zhì)點(diǎn)模型，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)要建立剛體模型；振動(dòng)時(shí)要建立彈簧振子模型；波動(dòng)時(shí)需要建立連續(xù)介質(zhì)模型。同樣，研究經(jīng)過(guò)需要建立一個(gè)經(jīng)過(guò)模型，即準(zhǔn)靜態(tài)經(jīng)過(guò)。準(zhǔn)靜態(tài)經(jīng)過(guò)從微觀的角度來(lái)講，為什么是準(zhǔn)靜態(tài)經(jīng)過(guò)呢？例如汽缸膨脹時(shí)，氣體分子碰到活塞時(shí)，反彈速度變慢，則靠近活塞部分的壓強(qiáng)小于活塞的壓強(qiáng)，反之，汽缸壓縮時(shí)，氣體分子碰到活塞時(shí)，反彈速度變快，則靠近活塞部分的壓強(qiáng)大于活塞的壓強(qiáng)，因而能夠總結(jié)：無(wú)限緩慢的經(jīng)過(guò)為準(zhǔn)靜態(tài)經(jīng)過(guò)。又如，升溫時(shí)：方式一是直接升溫；方式二是逐步加熱，即當(dāng)T趨近于零時(shí)，相當(dāng)于有無(wú)數(shù)多個(gè)熱源，總而言之，相當(dāng)于經(jīng)過(guò)非常緩慢，無(wú)限緩慢的經(jīng)過(guò)是準(zhǔn)靜態(tài)經(jīng)過(guò)。學(xué)習(xí)熱力學(xué)第一定律之前，讓學(xué)生先在頭腦中建構(gòu)物理模型即準(zhǔn)靜態(tài)經(jīng)過(guò)，這樣布置，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)熱力學(xué)第一定律的難度。文獻(xiàn)[1,2,3,4]中關(guān)于準(zhǔn)靜態(tài)經(jīng)過(guò)模型的建立部分的講述與筆者的講述有所不同。2關(guān)于熱力學(xué)第一定律的講解講解完準(zhǔn)靜態(tài)經(jīng)過(guò)之后，緊接著直接提出熱力學(xué)第一定律，這樣布置的理由是眾所周知的，熱力學(xué)第一定律的本質(zhì)就是能量轉(zhuǎn)化和守恒定律在熱現(xiàn)象中的詳細(xì)表現(xiàn)，直接引入基本沒(méi)有問(wèn)題。熱力學(xué)第一定律的一般形式為：U2-U1=Q+W,微分形式為：dU=dQ+dW,華而不實(shí)微分形式需要知道，內(nèi)能、功和熱量的詳細(xì)情況，微分形式先交代一下，以后學(xué)生會(huì)進(jìn)一步向?qū)W習(xí)，這里面有兩個(gè)細(xì)節(jié)問(wèn)題：式中d是假微分，熱量和功都是經(jīng)過(guò)量；功和熱量的正負(fù)號(hào)問(wèn)題，一般把功定義為外界對(duì)系統(tǒng)做的功，而把熱量定義為系統(tǒng)吸收的熱量。3關(guān)于內(nèi)能、功和熱量部分在講完熱力學(xué)第一定律以后，熱力學(xué)第一定律中的三個(gè)主要概念及其相關(guān)的問(wèn)題進(jìn)行講述。3.1內(nèi)能這種布置比擬合理，內(nèi)能的微觀定義：內(nèi)能從微觀的角度可看成體積和溫度的函數(shù)，原因是分子熱運(yùn)動(dòng)能決定于溫度，而分子勢(shì)能決定于體積，即內(nèi)能是分子熱運(yùn)動(dòng)能和分子勢(shì)能的總合，華而不實(shí)分子熱運(yùn)動(dòng)能應(yīng)該是平動(dòng)動(dòng)能、轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能、振動(dòng)動(dòng)能及振動(dòng)勢(shì)能，振動(dòng)中振動(dòng)動(dòng)能和振動(dòng)勢(shì)能是相伴存在的，這是一個(gè)容易被忽略的問(wèn)題。內(nèi)能的宏觀定義：U2-U1=W絕熱利用絕熱經(jīng)過(guò)和經(jīng)過(guò)無(wú)關(guān)的性質(zhì)，對(duì)一個(gè)確定的狀態(tài)1,給定一數(shù)值U1,那么對(duì)于狀態(tài)2,我們可利用性質(zhì)亦可給定一數(shù)值U2,U2-U1=W絕熱，根據(jù)這種辦法，能夠建立一個(gè)狀態(tài)與數(shù)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系就是函數(shù)，由于這個(gè)函數(shù)的自變量是狀態(tài)，應(yīng)變量是數(shù)值，這樣就建立了一個(gè)狀態(tài)函數(shù)U,U的物理意義可通過(guò)表示出式給出。由于功是能量改變的量度，而U2-U1就是能量差，那么U就是能量，外界作功改變了系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，這個(gè)功就應(yīng)該是內(nèi)能。這種分析方式方法對(duì)學(xué)習(xí)熱力學(xué)第一定律并不重要，從微觀的角度已經(jīng)對(duì)內(nèi)能有深入地了解，但是這種方式方法是熱力學(xué)第二定律的學(xué)習(xí)熵的概念的唯一途徑，由于熵的物理意義并不能先從微觀的角度直接搞清楚，我們?cè)谶@里先打個(gè)基礎(chǔ)。這里還存在兩個(gè)漏洞，一是兩個(gè)狀態(tài)并不能都從絕熱經(jīng)過(guò)聯(lián)絡(luò)起來(lái)，定義不夠完善；二是為什么能量只考慮分子這一層次呢。這兩個(gè)問(wèn)題可以下為參考文獻(xiàn)[5].3.2功關(guān)于功的表示，熱學(xué)教學(xué)資料稱為體積功，元功的表示出式為dW=-Fdx=PdV,一般表示出式為W=V2V1V1V2PdV.功是個(gè)經(jīng)過(guò)量，當(dāng)始末狀態(tài)一定時(shí)，經(jīng)過(guò)不一樣，經(jīng)過(guò)曲線下的面積不一樣，示功圖〔P-V〕圖，曲線下所圍的面積等于功的值，因而功是個(gè)經(jīng)過(guò)量。dW中的d是假微分，由于功是經(jīng)過(guò)量。3.3幾種等值的熱容量即等容經(jīng)過(guò)、等壓經(jīng)過(guò)和絕熱經(jīng)過(guò)。熱容量的定義式是C=limQTC=limQ，同速度的引入一樣，在一般的經(jīng)過(guò)中，溫度變化的一樣間隔內(nèi)，吸收的熱量不一定相等，它也是個(gè)經(jīng)過(guò)量，但直接看不出，而是通過(guò)功看出來(lái)的，因而用符號(hào)dQ表示。由于dU=dQ+dW中，狀態(tài)一定時(shí)，dW為經(jīng)過(guò)量，dQ也為經(jīng)過(guò)量。cv=〔limT0QT〕V=〔limT0dQdT〕Vcv=〔lim0Q〕V=〔lim0dQd〕V在講定壓熱容量時(shí)引入焓的概念，它是個(gè)輔助物理量，沒(méi)有明確的物理意義，即U+PV,在化學(xué)工程技術(shù)中，焓是個(gè)很重要的概念，在一般的生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中是在自然條件下〔1個(gè)大氣壓下〕進(jìn)行的，在等壓經(jīng)過(guò)中，焓的變化量就等于熱量。等溫經(jīng)過(guò)的熱容量為、絕熱經(jīng)過(guò)的熱容量為0.4關(guān)于理想氣體的性質(zhì)部分我們把理想氣體的所有性質(zhì)都?xì)w納進(jìn)去了。〔1〕理想氣體的狀態(tài)方程：PV=RT0.〔2〕焦耳實(shí)驗(yàn)，體積變化，內(nèi)能未變化，氣體與體積變化無(wú)關(guān)，內(nèi)能是溫度的單一函數(shù)，即U=U〔T〕.由于內(nèi)能是分子熱運(yùn)動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和，溫度不變意味著熱運(yùn)動(dòng)能不變，而上面的分析中整個(gè)內(nèi)能是不變的，所以分子勢(shì)能也沒(méi)變化，而我們從微觀角度來(lái)講理想氣體的定義，不考慮分子間的互相作用力，不考慮分子勢(shì)能，所以理想氣體一定沒(méi)有溫度、分子勢(shì)能的變化，或者講不考慮分子勢(shì)能的變化?！?〕公式CV=dUdTCV=dUd，這個(gè)公式在講解時(shí)不直接給出，而是通過(guò)全微分推導(dǎo)的：dU=〔？U?T〕VdT+〔？U?V〕TdvdU=〔？U?〕Vd+〔？U?V〕dv,CV=〔？U?T〕V=dUdTCV=〔？U?〕V=dUd。為何進(jìn)行這樣的推導(dǎo)，原因在于熱力學(xué)第一定律在等值經(jīng)過(guò)的應(yīng)用當(dāng)中內(nèi)能的變化量寫成dU=CVdT,這里容易發(fā)生一個(gè)錯(cuò)誤，根據(jù)這個(gè)公式的形式，學(xué)生總以為這是計(jì)算等容經(jīng)過(guò)熱容量的計(jì)算公式，實(shí)際上它合適于任何經(jīng)過(guò)的熱容量的計(jì)算，由于推導(dǎo)經(jīng)過(guò)沒(méi)有提到是哪一個(gè)經(jīng)過(guò)，因而它合適于任何經(jīng)過(guò)?！?〕邁耶關(guān)系，即H=U+RT,華而不實(shí)比熱比、CP和CV中的任何兩項(xiàng)，第三項(xiàng)就可知道?！?〕溫度變化不大，CP和CV可看作常數(shù)。5關(guān)于熱力學(xué)第一定律對(duì)理想氣體等值經(jīng)過(guò)的應(yīng)用幾本教學(xué)資料對(duì)這部分的推導(dǎo)基本一致，基本公式有四個(gè)：dU=CVdT;dQ=CdT;dW=-PdV;dU=dQ+dW.華而不實(shí)，算出兩個(gè)量后，第三個(gè)量有兩種方式方法，一個(gè)是它自個(gè)的公式或用熱力學(xué)第一定律。華而不實(shí)公式dQ=CdT是怎樣得來(lái)的呢？由定義式C=limQTC=limQ：極限并不一定是導(dǎo)數(shù)，當(dāng)因變量是狀態(tài)量時(shí)極限存在，當(dāng)因變量是經(jīng)過(guò)量時(shí)極限不存在。為了便于計(jì)算，我們還是把它寫成一個(gè)確定的公式，仍然用微分公式來(lái)表示出，但是這個(gè)微分是個(gè)假微分，華而不實(shí)的假用d來(lái)表示，即C=dQdTC=dQd。按難易順序依次推導(dǎo)等容、等溫和等壓經(jīng)過(guò)，所有的教學(xué)資料基本雷同，這里不再贅述，對(duì)華而不實(shí)的絕熱經(jīng)過(guò)講明兩點(diǎn)：其一是推導(dǎo)PV=C,即PV=RTU2?U1=APdV+VdP=RdTCVdF=?PdV?？？？CV=R？1PdV+VdPPdV=？1dPP+dVV=0PV=CV=RU2-U1=AdV+Vd=RdCVdF=-dVCV=R-1dV+VddV=-1d+dVV=0V=C推導(dǎo)它的意義是將公式PV=RT;U2-U1=A;Q=0.改成微分形式表示小經(jīng)過(guò)當(dāng)中的dV,dP,dT的關(guān)系，消去dT,剩下dV,dP,再積分，為大經(jīng)過(guò)中的V,P的關(guān)系。其二是絕熱經(jīng)過(guò)的推導(dǎo)：Q=0W=?V2V1PdV=?P1V1V2V1dVV=?P1V1?？1〔V?+12?V?+11〕=P1V1？1[〔V1V2〕？1?1]=1？1〔P2V2?P1V1〕=CV〔T2?T1〕=U2?U1W=-V1V2dV=-1V1V1V2dVV=-1V1--1〔V2-+1-V1-+1〕=1V1-1[〔V1V2〕-1-1]=1-1〔2V2-1V1〕=CV〔2-1〕=U2-U1推導(dǎo)后，表示清楚Q=0,功整好等于內(nèi)能的變化?？傊?，筆者講授順序與其它他幾種教學(xué)資料的講授順序有所不同：與文獻(xiàn)[1]的不同之處是：第一是把熱功當(dāng)量試驗(yàn)放在理想氣體性質(zhì)部分，或把它與內(nèi)能、焓、熱容量等合起來(lái)作為理想氣體性質(zhì)。第二是直接引入熱力學(xué)第一定律放到了功、內(nèi)能、熱量之前，第三是將循環(huán)經(jīng)過(guò)從第一定律中除去，放到第二定律中；與文獻(xiàn)[2,3,4]不同之處是，第一點(diǎn)是把功、內(nèi)能、焓、熱容量等合起來(lái)講。第二直接引入熱力學(xué)第一定律放到了功、內(nèi)能、熱量之前，第三將循環(huán)經(jīng)過(guò)從第一定律中除去，放到第二定律中。筆者講授順序在實(shí)踐教學(xué)中獲得了一定的成效，十分是講解熱力學(xué)第一定律之前首先建立了準(zhǔn)靜態(tài)經(jīng)過(guò)的模型，把多而零散的知識(shí)進(jìn)行了有機(jī)地整合，化解了學(xué)生知識(shí)建構(gòu)的難度，為學(xué)生很好地學(xué)習(xí)熱力學(xué)第一定律提供了切實(shí)可行的科學(xué)性、條理性的方式方法。以下為參考文獻(xiàn)[1]黃淑清，聶宜如，申先甲。熱學(xué)教程[M]〔第二版〕.北京：高等教育出版社，