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第二章热力学第一定律及应用

2.1人们是怎样认识热的本质的?

【答】“热是能量的一种形式。”这就是热的本质。回顾过去，人们为了认识热的本质

曾走过了一段很长的弯路。这里，我们不想过多地叙述物理学史中诸如“热质说”等人们认

识热的本质时所走过的歧路。但人们是怎样抛弃了热是物质的假说而承认热是能量的一种形

式呢?我们认为这与当时著名的物理学家焦耳的辛勤工作分不开，重温这一历程对于我们认

识热的本质也是很有益处的。

焦耳做过的最有名的实验如今已收集在教科书中，他把一个金属奖状搅拌器装到一个盛

水的大铁罐中，当搅拌器被一个向下运动的重物驱动时，它就搅拌大铁罐中的水而产生热，

产生热量的多少可以根据测量温度上升的多少及大铁罐中水的质量而计算出来。而消耗的机

械能量可以从重物下落的距离和重物的重量计算出来。

这个实验看起来很简单，但是，为了防止热量从实验装置上损失是很不容易的，焦耳采

取了许多巧妙的措施才比较好地解决了这一问题。为了使实验更令人信服，焦耳还曾把大铁

罐中的水，换成水银、油等重做这个实验，其结果与水完全一样。

焦耳通过上述实验发现，一定数量的机械能总是产生柑同数量的热量。也就是说，机械

能和热量之间的转换率是一定的。：焦耳根据自己的实验正确地指出’，热是机械能的另一

种形式，从而道出了热的本质。

实际上，在焦耳之前，有一些物理学家，象牛顿和玻意耳等人就已经认识到热与动能有

关，并且推测到热可能是运动的一种形式。现在人们认为热是分子的无规则运动，换句话说，

热是物体分子运动的动能。例如，当物体的机械能转变成热能时，用分子运动论的观点，我

们可以用下述的物理图象来理解。假定一个下落的物体，当它与地面碰撞时不反弹起来。在

物体下落的过程中，它损失了势能获得了动能。这时物体中所有的分子都具有向下的运动，

平均说来，它们是向一个方向运动，也就是说，运动是定向有规则的。当物体到达地面而停

止运动时，分子的定向有规则运动变成了杂乱的无规则的运动。即分子的无规则热运动代替

了有规则的定向运动。换句话说，热能代替了动能。

综合上面的讨论，我们看出，热能与动能的不同仅仅是分子的无规则运动还是有规则的

运动而已。因此说，热不是什么物质，“热质说”是不符合实际的。热是能量的一种形式，

它与动能、势能、电能、化学能等各种形式的能量一样，它们之间可以互相转化并遵守能量

守恒定律，这就是热的本质。

2.2怎样理解内能的概念?它与功和热量有什么区别?有什么联系?

【答】根据分子运动论的观点，热力学系统的内能是系统内分子运动的动能(包括平动

动能、转动动能和振动动能)与分子之间相互作用的势能之和。无数的实验事实证明，系统

内能的改变量只决定于系统初、末两个状态，与它所经历的过程无关。也就是说，内能是系

统状态的单值函数。换句话说，当系统处在一定的状态下，内能有确定的值与之相对应。例

如，一定质量的气体，当它的压强P、体积V和温度T一定时，内能就有确定的值与之相对

应。当热力学系统的状态发生变化时，系统的内能也就发生了变化。例如，一定质量的气体，

p,V,Tp,V,TUU

当它由,变为时，系统的内能也就由，变为。

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在力学的学习中，我们已经知道，功等于作用在物体上的力与物体位移的数量积。这里

的系统作功，可能是外界对系统作功，也可能是系统对外界作功。无论是那一种情况，作功

都要通过物体的宏观位移来完成。从本质上说，系统作功是外界物体的有规则运动与系统内

分子无规则运动之间的转换。

热量是两个温度不同的热力学系统在相互接触时所进行的能量交换的量度，它是通过分

子之间的相互作用来完成的。从本质上说，热量是外界物体内的分子的无规则运动与

热力学系统内分子无规则运动之间的转换。

从上面的叙述中我们不难看出，内能与功和热是不同的。内能是热力学系统内所有分子

运动的动能与分子之间相互作用的势能的总和。我们可以说系统含有多少内能，而不

能说系统含有多少功和含有多少热量。实际上，功和热量都是系统内能变化的一种量度，它

们都是过程量，即与系统由一种状态变为另一种状态所经历的过程有关，而内能是与过程

无关，它是系统状态的单值函数。

大量的实验表明，热力学系统状态的变化，将使系统的内能发生