1、热五、参考资料热 热是组成物质的大量分子、原子无规则的运动。热与能紧密相关。其他形式的能可以转变为热能，热能也能转变成其他形式的能。 历史上对热的认识，出现过两种对立的观点。18世纪出现过热质说，把热看成是一种不生不灭的流质，一个物体含有的热质多，就具有较高的温度。与此相对立的是把热看成物质的一种运动形式的观点，俄国科学家罗蒙诺索夫就指出热是分子运动的表现。 针对热质说不能解释摩擦生热的困难，许多科学家进行了各种摩擦生热的实验，特别是朗福德的实验，他用钝钻头钻炮筒，因钻头与炮筒内壁摩擦，在几乎没产生碎屑的情况下使水沸腾;1840年以后，焦耳做了一系列的实验，证明热是同大量分子的无规则运动相联系
2、的。焦耳的实验以精确的数据证实了迈尔热功当量概念的正确性，使人们摒弃了热质说，并为能量守恒定律奠定了实验基础。与此同时，热学的两类实验技术一测温术和量热术也得到了发展。 热学理论有两个方面，一是宏观理论，即热力学;一是微观理论，即统计物理学。这两个方面相辅相成，构成了热学的理论基础。热运动 热运动是指构成物质的大量分子、原子等所进行的不规则运动。证明液体、气体分子做杂乱无章运动的最著名的实验，是英国植物学家布朗发现的布朗运动。1827年，布朗把藤黄粉放人水中，然后取出一滴这种悬浮液放在显微镜下观察，他奇怪地发现，藤黄的小颗粒在水中像着了魔似的不停运动，而且每个颗粒的运动方向和速度大小都改变得很
3、快，好像在跳一种乱七八糟的舞蹈。就是把藤黄粉的悬浮液密闭起来，不管白天黑夜，夏天冬天，随时都可以看到布朗运动，无论观察多长时间，这种运动也不会停止。在空气中同样可以观察到布朗运动，悬浮在空气里的微粒(如尘埃)，也在跳着一种杂乱无章的舞蹈。发生布朗运动的原因是组成液体或者气体的分子本性好动。比如在常温常压下，空气分子运动的平均速度是500米/秒，在1秒钟里，每个分子要和其他分子相撞500亿次。好动又毫无规律的分子从四面八方撞击着悬浮的小颗粒，综合起来，有时这个方向撞击力大些，有时那个方向撞击力大些，结果小颗粒就被迫做起忽前忽后、时左时右的无规则运动来了。 分子热运动的典型现象是分子扩散。气体扩散
4、的现象是最明显的了:比如生活中香味的扩散，茉莉花一旦开了花，全家甚至邻居都可以闻到扑鼻香气;鱼、肉腐烂了，会弄得周围臭气熏天。组成液体的分子也很好动:比如，在一杯清水里滴人一滴墨水，墨水就会慢慢散开，和水完全混合。这表明一种液体的分子进人到另一种液体里去了，或者说液体分子在不停地运动。固体分子，同样也不很安分守己:比如把表面非常光滑洁净的铅板紧紧压在金板上面，几个月以后就可以发现，铅分子跑到了金板里，金分子也跑到了铅板里，有些地方甚至进人1毫米深处。如果放置5年以上，金和铅就会连在一起，它们的分子互相进人大约1厘米。再比如长期存放煤的墙角和地面，有相当厚的一层都变成了黑色，就是煤分子进人的结果
5、。热量 热量是由于物体间或者物体各个部分存在温度差别而在它们之间转移的能量。温度较高的物体放出能量，温度较低的物体吸收能量。热量总是从高温物体传到低温物体，或者由同一物体的高温部分传到低温部分。热量的单位是焦耳热传递 热传递又称“传热”，是指热量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。热传递通过热传导、对流和热辐射三种方式实现。在实际的传递过程中，这三种方式往往是伴随着进行的。热传导 热传导又称“传导”，是固体中热传递的主要方式。是指在没有物质迁移的情况下，热量从物体的一部分传递给另一部分，或者从一个物体传递到另一个物体的过程。物体温度较高部分的分子具有较大的平均动
6、能，这些分子由于碰撞而把本身的一部分动能传递给了温度较低部分的分子，使后者的平均动能增加而变热。 各种物体的导热性能不同。固体中金属导热性能最好，常用作传热的材料。羊毛、棉花、石棉、软木等物质不容易导热，常用作热绝缘材料。液体除了水银和熔化的金属外，导热性能很差。气体的热传导性能更差。热对流 热对流是指依靠液体或者气体本身的流动而传热的过程，是热传递的一种方式。烧水时，水壶底部的水受热体积膨胀，密度变小而上升;上部冷水密度大而下降，引起水的上下循环流动。大气因下层受热而引起气流上下循环流动。这些因温度不均匀引起密度或压强的差别而自然产生的对流，称为“自然对流”。依靠外力推动气体或者液体内作相对
7、循环运动而产生的对流，称为“压强对流”。例如，在某些发动机中，冷却装置里的水就是水泵来强迫它作循环流动的。热辐射 热辐射是指物体以电磁波形式向外发射能量的过程，热传递的方式之一。物体所辐射的电磁波波长随温度而变，温度较低时，主要是不可见的红外辐射;在500 0C以上，则逐渐发射较强的可见光，直至紫外辐射。此外，物体温度越高辐射越强;表面越黑暗、粗糙，辐射也就越强。 由于热辐射既不是靠液体或气体的流动，也不是靠分子之间的碰撞，因此在真空中也可以进行。热膨胀及其应用 在压力不变的情况下，物体因温度升高而增加其体积的现象，称为热膨胀。 一般物体在受热时，温度升高、体积膨胀，遇冷时，温度降低，体积收缩
8、，称之为热胀冷缩。 物体热胀冷缩的原理，被人们广泛应用在日常生活和生产中。乒乓球被踩瘪了，浸人开水里烫一下，球内的空气受热膨胀，压力变大，就会让乒乓球重新鼓起来;烧开水里，壶里的水不能装得太满，防止水受热膨胀溢出来;铺设铁轨时，铁轨之间留下一定的空隙，使铁轨在夏天受热时有膨胀的余地;夏季安装高压输电线时，电线不能拉得太紧，让电线有伸缩的余地，否则天一冷电线收缩，就会绷断，造成事故。 在相同的温度变化下，固体、液体、气体的热胀冷缩程度是不同的，一般固体膨胀最小，液体较大，气体最大。 也有一些事物，它们的热膨胀有它的特殊性，比如水在4 0C以上是热胀冷缩，但在0 0C到4 0C之间却是热缩冷胀，这
9、是水的反常膨胀。这样，水在4 0C时体积是最小的，密度是最大的。水冷胀热缩的原理 物质的密度由物质内分子的平均间距决定。对水来说，由于水中存在大量单个水分子，也存在多个水分子组合在一起的缔合水分子，而水分子缔合后形成的缔合水分子的分子平均间距变大，所以水的密度由水中缔合水分子的数量、缔合水分子中单个水分子个数决定。 具体地说，水的密度由水分子的缔合作用、水分子的热运动两个因素决定。 当温度升高时，水分子的热运动加快、缔合作用减弱;当温度降低时，水分子的热运动减慢、缔合作用加强。综合考虑两个因素的影响，便可得知水的密度变化规律。 水凝固成冰、雪、霜时，水分子的排列比较“松散”，雪、冰的密度比较小
10、。将冰熔化成水，缔合水分子中的一些氢键断裂，冰的晶体消失。0 0C的水与0 0C的冰相比，缔合水分子中的单个水分子数日减少，分子的间距变小、空隙减少，所以0 0C的水比0 0C的冰密度大。 在水温由0 0C升至4 0C的过程中，由缔合水分子氢键断裂引起水密度增大的作用，比由分子热运动速度加快引起水密度减小的作用更大，所以在这个过程中，水的密度随温度的增高而加大，为反常膨胀。水温超过4 0C时，由于水中缔合数大的缔合水分子数日比较小，氢键断裂所造成水密度增加的影响较小，水密度的变化主要受分子热运动速度加快的影响，所以在水温由4 0C继续升高的过程中，水的密度随温度升高而减小，即呈现热胀冷缩现象。
11、在4 0C时，水中双分子缔合水分子的比例最大，水分子的间距最小，水的密度最大，水的体积最小。膨胀衔接处 固体膨胀产生的力量很大。建筑物中的钢筋受热时，如果没有足够的空间让它们伸展，那么膨胀所产生的力量足以使墙壁裂开，甚至倒塌。因此，建筑物各个组成部分之间应留有足够的空隙。这些空隙称为膨胀衔接处，可以让结合在一起的组件在温度变化时，有自由伸缩的空间。长度变化很小的钟摆 钟摆的长度和摆动周期有关，会影响时钟的快慢，要保持时钟的准确性，就必须克服钟摆因温度高低变化所造成的长度变化。 克服的办法，是利用膨胀系数很小的木材，或利用三根直向的细钢条及两根稍粗的锌条做钟摆中段的材料。当钢条受热使钟摆伸长时，
12、锌条的膨胀却反向伸长而使钟摆缩短。 在英国，当瓦特蒸汽机掀起了第一次工业革命的风暴以后，科学家和技术人员对热机的研究达到了空前的狂热。但是，一般的热学家和力学家都比较重视应用技术的研究。加之像瓦特、戴维这样一些对热力学做过开拓工作的人大都是在自学道路上成长起来的，不太擅长于运用数学和物理学的数理抽象方法进行研究，因此，热力学的真正的理论基础建立者并不是他们，而是兼有理论科学才能与实验科学才能的法国工程师萨迪卡诺。 卡诺于1796年6月1日出生在巴黎。他的父亲拉查雷卡诺在数学、物理方面也有很高的造诣，卡诺自幼受父萨油.卡诺(1796-1832 )亲的熏陶，进步非常快。 当时，法国的蒸汽机已增加到
13、65台。这个数字虽然并不大，但这使卡诺有可能对蒸汽机进行深人的研究。卡诺发现，从外国进口的蒸汽机尤其是英国制造的蒸汽机在性能方面远远超过法国产的蒸汽机。在研究瓦特蒸汽机的过程中，卡诺最关心的当然是蒸汽机的热效率问题，即热能与机械能之间的转化问题。他发现，蒸汽机在将热能转化为机械能的过程中，除热能转化为机械能这一主要过程之外，还有许多辅助过程。而正是这些辅助过程阻碍了人们对能量转化进行深人研究。于是，卡诺决定舍弃这些辅助过程，采用一种抽象的数理分析方法，着重探讨热能与机械能的转化。运用这种科学方法，卡诺提出了一种理想热机理论，并以这种理想热机理论为基础，设想出一种理想热机。 1924年，28岁的
14、卡诺发表了关于火的动力及产生这种动力的机器一文，阐述了他的理想热机理论。文章一开始他就谈到了在地球上观察到的许多现象都与热有关。在这篇论文中，卡诺明确指出，热机只能在具有温差的两个热源之间工作。当热从高温热源像瀑布那样流向低温热源时，热机才能做功。热机的效率与工作介质无关而主要取决于两个热源之间的温差。 他说:“我们可以恰当地把热的动力和一个瀑布的动力相比，瀑布的动力依赖于它的高度和水量，热的动力则依赖于所用热素和我们可以称之为热素的下落速度，即交换热素的物体之间的温度差。”卡诺在1824年所论述的这些理论成果，实际上已包括了人们后来所总结出来的热力学第二定律:热只能在从高温热源转向低温热源的
15、过程中做功。只是由于卡诺当时还相信热质说，因此对他所发现的这一定律作了错误的理论解释。 在关于热动力以及热动力机的看法一书中，卡诺还指出，最好的热机工作物质是在一定的温度范围内膨胀程度最大的物质。也就是说，作为热机工作物质，气体比固体和液体更有前途，具有更大的优点。他看到了气体作为热机工作物质的潜在优点，这就预示后来乃至今天普遍使用的内燃机的发展。 在初步提出热机理论之后，卡诺又继续进行了一些理论探索工作。此后，他逐渐放弃了热质说，而相信了热动说。这就使他对热能与机械能之间的转化有了新的认识。1830年，卡诺在一篇论文草稿中已明确地采用了热动说。此后，他还在热动说的基础上，根据他对热能与机械能
16、之间的转化所作的研究，最先提出了热功当量的概念。与此同时，他还初步对热功当量进行了测定。虽然他所测得的热功当量的数据并不精确，但这是人们对热功当量的最早的测定。正是在1830年所写的这篇论文草稿中，卡诺明确指出:“热不是别的东西，而是动力(能量)，或者可以说是改变了形态运动，它是一种运动。”又说:“动力(能量)是自然界的一个不变量。准确地说，它既不能产生，也不能消灭。实际上它只改变它的形式，也就是说，它有时引起一种运动，有时则引起另一种运动，但决不消灭。”卡诺的这些论述说明，他已接近发现热力学第一定律，并在这以前实际上已发现了热力学第二定律，并以这些发现为基础，提出了理想热机的热力循环理论以及一种高压缩型的自然热机的设想，他正式奠定了热力学的理论基础。而他的热力学成就也就为能量守恒和转化定律的发现直接铺平了理论道路。
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