经典物理拾阶 7 热力学的物理基础.pdf

第七章 Page1 of6 第七章热力学的物理基础 . 本章内容在物理学中是相当独特的，也是初学者不太容易掌握的。关键在于我们研究问题的思想发生 了微妙的变化。这种变化来源于我们对于物理过程的图象的不同。前面的力学以及分子运动的力学，还有 后面的电磁学，对于物理过程的观察都是以相互作用作为基础的。也就是说，对于一个物理过程，我们总 是从其中的相互作用力开始着手的。在获得了相互作用力的规律后，再寻求与这种相互作用力相对应的能 量计算方法。因此在这种思路里，首先必须确定发生相互作用的对象，我们已经与几个这样的对象打过交 道，例如质点，粒子，刚体，分子，还有我们后面要遇到的电子，原子，电磁场等等。 但在热力学中，却不是遵循这个思路，对于一个物理过程，我们并不考虑它的这种相互作用的机制， 特别是对于涉及到物质状态的变化这种现象，其中的相互作用的机制并不是能够直接观察到的，而是往往 需要我们事先构造一定的理论模型，例如前面的理想气体的分子运动模型。因此我们也可以纯粹从可以直 接观察的反映物质状态的物理量出发，直接考虑其中的能量的变化与传递。 由于这样作并不是以物质的反映在具体结构里的相互作用力为基础的，因此有必要确定一些能量变化 与转换的基本规律，从此出发，就可以定义用来刻划物质本身属性的物理量，而要进一步追寻这些物理量 的物理根源，就需要考虑物质结构的内部相互作用了，但在热力学里，却不需要这么做，就好象我们每天 吃饭，只是考虑吃得是否足够，而不用考虑吃进去的食物产生了那些作用。 只有习惯了这种思路，我们才有可能学好热力学，因此希望同学们多加体会。 功，热量，内能。 首先我们考虑如何计量一个物理过程中的能量变化。 一个宏观系统最明显的标志能量发生了变化的过程，就是作功。一个系统对外界作功或者是外界对系 统作功，都是在系统与外界产生宏观的相互作用力时，所必然出现的情况。作功的测量与计算都是我们在 力学里已经很熟悉了的。 第二种能量变化的方式就是传热了。传热本身是不需要作功的，经验告诉我们，只要让两个温度不同 的物体接触，就会在这两个物体之间发生传热的过程，但传热有可能导致系统作功，总之使得系统的能量 发生变化。 作用力作功与热量存在一个数值关系，这就是由焦耳通过实验得到的焦耳热功当量。 那么还存在什么过程，能使得系统的能量发生变化呢？这时只要暂时不涉及其它的能量形式，我们可 以观察到，只要系统的初始状态和末状态给定后，无论中间过程是什么样的，这个期间的外界对系统所作 的功，与外界向系统传递的热量的总和，或者反过来说，系统对外界所作的功与向外界传递的热量的总 和，都是不变的。 因此在适当地规定系统与外界的作用形式的范围后，可以把系统与外界所能够发生的能 量传递方式，看成只有作功与传热这两种方式。 那么既然传热和作功都使得系统的能量发生变化的同时，也就使得系统的状态发生变化，则我们还需 要一个标志系统状态的能量的概念，这就是所谓系统的内能。 注意，从我们定义内能的方式可以看到，这个定义并不在乎究竟内能是表示什么样的运动的能量，也 就是说，我们定义内能，并不需要一一地搞清楚内能由哪些种类的能量组成，然后再加起来得到总的内 能，而是通过一种类似减法的思维方式来定义的，即系统状态发生了变化，处于末状态的系统的能量，减 去外界对系统作的功，和外界对系统的传递的热量，剩下处于初始状态的系统的能量，要表征这种系统本 身的能量状态，就自然地引入内能的概念。 热力学第一定律。 仔细的话，可以注意到，上面我们对内能的定义里隐含了一个假设，那就是系统末状态的能量减去作 用过程中外界所加入的能量，就是系统初始状态的能量。这个假设是我们能定义内能的前提，并且不能由 file://F:\00000\popular\physics_basic\7.htm5/18/2003 第七章 Page2 of6 其它的物理学原理推导出来，而只能是我们从经验与实验中归纳出来的结论。这就是热力学的第一条 定律： 外界对系统所传递的热量，一部分使得系统的内能增加，一部分使得系统对外界作功。 写出来就是 Q=E -E +A 2 1 由于能量是标量，因此我们应该注意这个表达式里的各个物理量的符