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1、 2022年高中物理選修（3-3）《熱和內(nèi)能》word教案1 　　熱是什么？自古以來就有不同的看法．十六世紀以后，熱的本質(zhì)的問題又引起了科學家和研究人員的注意． 　　“熱”是一種運動？？ 　　培根從摩擦生熱等現(xiàn)象中得出“熱是一種膨脹的、被約束的而在其斗爭中作用于物體的較小粒子之上的運動”，這種看法影響了許多科學家． 　　波義耳看到鐵釘被捶擊后會生熱，想到鐵釘內(nèi)部產(chǎn)生了強烈的運動，所以認為熱是“物體各部分發(fā)生強烈而雜亂的運動”；笛卡爾把熱看作是物質(zhì)粒子的一種旋轉(zhuǎn)運動．胡克用顯微鏡觀察了火花，認為熱“并不是什么其他的東西，而是一個物體的各個部分的非常活躍和極其猛烈的運動．”牛頓也指出物體

2、的粒子“因運動而發(fā)熱”．洛克甚至還認識到“極度的冷是不可覺察的粒子的運動的停止”． 　　俄國學者羅蒙諾索夫在十八世紀四十年代提出了兩篇關(guān)于物理學的論文，第一篇是關(guān)于熱力學基礎(chǔ)的，題為《關(guān)于熱和冷的原因的思索》（1746）；第二篇是關(guān)于分子運動論的，題為《試論空氣的彈力》（1748）．在這兩篇論文中，羅蒙諾索夫提出了如下的見解：“熱的充分根源在于運動”，即熱是物質(zhì)的運動，運動著的是物體內(nèi)那些為肉眼所看不見的細小微粒；微粒本身是球狀的，因為只有這樣，固體變熱時才能保持它的外形；熱量從高溫物體傳給低溫物體的原因，是由于高溫物體中的微粒把運動傳給低溫物體中的微粒造成的，而且給出的運動的量與接受的運動

3、量相等，一物體使另一物體變熱時，它自身便會變冷，這就肯定了運動守恒在熱現(xiàn)象中的正確性；氣體分子的運動呈現(xiàn)一種“混亂交錯”的狀態(tài)，是雜亂無規(guī)則的． 　　“熱”是一種物質(zhì)？？ 　　但總的說來，熱是運動的觀點尚缺乏足夠的實驗根據(jù)，所以還不能形成為科學理論．隨著古希臘原子論思想的復(fù)興，熱是某種特殊的物質(zhì)實體的觀點也得到流傳．法國科學家和哲學家伽桑狄認為，運動著的原子是構(gòu)成萬物的最原始的、不可再分的世界要素，同樣，熱和冷也都是由特殊的“熱原子”和“冷原子”引起的．它們非常細致，有球的形狀，非常活潑，因而能滲透到一切物體之中．這個觀念，把人們引向“熱質(zhì)說”． 　　波義耳也動搖于熱的運動說和熱質(zhì)說之間

4、．在考察放在真空容器中的一塊熾熱的鐵可以使器壁感受到熱的現(xiàn)象時，他認為這似乎只能用“熱”自己傳過來加以解釋．波爾哈夫認為，熱的本源是鉆在物體細孔中的、具有高度可產(chǎn)塑性和貫穿性的物質(zhì)粒子，它們沒有重量，彼此間有排斥性，而且彌漫于全宇宙．1789年，拉瓦錫還將“熱質(zhì)”和“光”列入無機界二十三種“元素”之中． 　　布萊克是熱質(zhì)說的一個重要倡導(dǎo)者．他雖然相信最終會發(fā)生現(xiàn)熱“將不是化學的，而是力學的”，但他又很難否定熱質(zhì)說．他覺得熱是運動的學說還有不少困難．例如，如果說熱是物質(zhì)內(nèi)部粒子的運動，那么密度大的物質(zhì)由于其內(nèi)部粒子吸引力強而不易振動，比熱就應(yīng)越大，但為何水銀的比熱反而比水的比熱小呢？對于“潛熱

5、”，用粒子的機械運動更難作出解釋．所以布萊克宣稱他“不能形成這種內(nèi)部振動的概念”，而采取了熱是某種特殊物質(zhì)的觀點． 　　熱質(zhì)說簡易地解釋了當時發(fā)現(xiàn)的大部分熱學現(xiàn)象：物體溫度的變化是吸收或放出熱質(zhì)引起的；熱傳導(dǎo)是熱質(zhì)的流動，對流是載有熱質(zhì)的物體的流動，輻射是熱質(zhì)的傳播；物體受熱膨脹是因為熱質(zhì)粒子間的相互排斥；物質(zhì)狀態(tài)變化時的“潛熱”是物持粒子與熱質(zhì)發(fā)生“準化學反應(yīng)”的結(jié)果；摩擦或碰撞的生熱現(xiàn)象，是同上于“潛熱”被擠壓出來以及物質(zhì)的比熱變小的結(jié)果；等等．由于熱質(zhì)的物質(zhì)性，所以它也遵從物質(zhì)守恒定律，這是混合量熱法的理論根據(jù)． 　　在熱質(zhì)說觀點的指導(dǎo)下，熱學研究所取得的主要進展有：布萊克發(fā)現(xiàn)了比熱

6、和“潛熱”；瓦特從理論上分析了舊蒸汽機的主要缺陷而引導(dǎo)他改進了蒸汽機；傅立葉依據(jù)這一物理圖象建立了熱傳導(dǎo)理論；卡諾從熱質(zhì)傳遞的觀點出發(fā)于十九世紀初提出了消耗從熱源取得熱量而得到功的理論． 　　熱質(zhì)說的成功，使人們相信它是一個正確的學說，從而壓倒了熱是運動的看法而在十八世紀到十九世紀初居于統(tǒng)治地位． 　　“熱”還是一種運動？？ 　　但是，到了十八世紀末，熱質(zhì)說受到了嚴重的挑戰(zhàn)．1798年，出生于美國，后來加入英國國籍的物理學家本杰明·湯普遜即倫福德伯爵向英國皇家學會提出了一個報告，說他在慕尼黑監(jiān)督炮筒鉆孔工作時，注意到炮筒溫度升高，鉆削下的金屬屑溫度更高的現(xiàn)象，他提出了大量的熱是從哪里來的

7、這個問題．他在盡量作到絕熱的條件下進行了一系列鉆孔實驗，比較了鉆孔前后金屬和碎屑的比熱，發(fā)現(xiàn)鉆磨不會改變金屬的比熱．他還用很鈍的鉆頭鉆炮筒，半小時后炮筒從60度F升溫到130度F，金屬碎屑只有五十多克，相當于炮筒質(zhì)量的九百四十八分之一，這一小部分碎屑能夠放出這么大的“潛熱”嗎？他在筆記中寫道：“看來在這些實驗中，由摩擦產(chǎn)生熱的源泉是不可窮盡的．不待說，任何與外界隔絕的物體或物體系，能夠無限制地提供出來的東西，決不可能是具體的物質(zhì)實體；在我看來，在這些實驗中被激發(fā)出來的熱，除了把它看作是‘運動’以外，似乎很難把它看作為其他任何東西．” 　　六年以后，熱質(zhì)論者還在辯解說倫福德實驗中的熱是從周圍的

8、“熱質(zhì)海洋”中吸收來的．1799年，英國化學家戴維進行了這樣的實驗：在一個同周圍環(huán)境隔離開來的真空容器里，利用鐘表機件使里面的29度F的兩塊冰互相摩擦而熔解為水．在這個實驗中，“熱質(zhì)海洋”被外面的冰壁隔絕，而摩擦的冰塊只能吸收“潛熱”熔解為水，是不可能擠出“潛熱”的；冰在熔解后又變成了比熱更大的水．因此，在這里，“熱質(zhì)守恒”的關(guān)系不再成立了．戴維由此斷言“熱質(zhì)是不存在的”．在對粒子振動的思想猶豫了一段時間之后，1812年他終于明確提出：“熱現(xiàn)象的直接原因是運動，它的轉(zhuǎn)化定律和運動轉(zhuǎn)化定律一樣，同樣是正確的．” 倫福德和戴維的實驗都支持了熱是運動的看法，但這并沒有結(jié)束熱質(zhì)說的歷史．只有托馬斯·

9、楊在他1807年的那本書中對熱質(zhì)說進行了駁斥．但依然有很多其他人堅持著熱持說．直到1848年，W·湯姆遜還從熱質(zhì)說的觀點對焦耳的研究結(jié)果提出過質(zhì)疑．熱傳遞與熱傳導(dǎo) ??? 有許多人在學習物理、解答物理習題時，常把熱傳遞與熱傳導(dǎo)混為一談，認為熱傳遞與熱傳導(dǎo)描述的是同一物理過程，殊不知它們是兩個不同的概念。 ??? 由內(nèi)能與熱能一節(jié)以及熱、熱運動與熱現(xiàn)象的闡述可知，物體的內(nèi)能就是組成物體全部分子、原子的動能、勢能和內(nèi)部電子能等總和，物體內(nèi)能的改變可以通過分子、原子有規(guī)則運動的能量交換來達成，也可以通過分子、原子的無規(guī)則運動的能量交換來達成（或者是兩者兼有）。前者能量交換的方式就是作宏觀機械功的

10、方式，后者能量交換的方式就是所謂的熱傳遞。更確切地講，所謂熱傳遞就是沒有作宏觀機械功而使內(nèi)能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分的過程。它通過熱傳導(dǎo)、對流和熱輻射三種方式來實現(xiàn)。實際熱傳遞過程中，這三種方式常常是相伴進行的，重要的是看哪一種方式占主要地位。在熱力學中，把除了熱傳遞以外的其他一切能量轉(zhuǎn)移方式都歸于作功。所以，熱傳遞和作功是能量轉(zhuǎn)移的兩種方式，除此之外沒有其他方式。 ??? 由以上論述可知，熱傳遞是能量傳遞的一種方式，它具體又包括熱傳導(dǎo)、對流和熱輻射三種形式。為了幫助大家能把熱傳遞與熱傳導(dǎo)更好地加以區(qū)別，下面我們有必要對熱傳導(dǎo)、對流和總輻射分別作論述。

11、??? 熱傳導(dǎo)指的是物質(zhì)系統(tǒng)（氣體、液體或固體），由于內(nèi)部各處溫度不均勻而引起的熱能（內(nèi)能）從溫度較高處向溫度較低處輸運的現(xiàn)象。 ??? 熱傳導(dǎo)的實質(zhì)是由大量分子、原子或電子的相互碰撞，而使熱能（內(nèi)能）從物體溫度較高部分傳到溫度較低部分的過程。熱傳導(dǎo)是固體中熱傳遞的主要方式，在氣體、液體中它往往與對流同時發(fā)生。各種物質(zhì)的熱傳導(dǎo)性能不同，熱傳導(dǎo)過程的基本定律是博里葉定律。 ??? 對流作為熱傳遞的一種途徑，是流體（氣體、液體）中熱傳遞的主要方式。它是指流體中較熱部分和較冷部分在流體本身的有序的循環(huán)流動下的相互攙和，使溫度趨于均勻從而達到熱能（內(nèi)能）傳遞的過程。 ??? 對流往往自發(fā)產(chǎn)生，這

12、是由于溫度不均勻性所引起的壓力或密度差異的結(jié)果。 ??? 至于熱輻射，它是指受熱物體以電磁輻射的形式向外界發(fā)射并傳送能量的過程。物體溫度越高，輻射越強。與熱傳導(dǎo)、對流不同，熱輻射能把熱能以光的速度穿過真空，從一個物體傳給另一個物體。任何物體只要溫度高于絕對零度，就能輻射電磁波，波長 為0．4～40微米范圍內(nèi)的電磁波（即可見光與紅外線）能被物體吸收而變成熱能，故稱為熱射線。因電磁波的傳播不需要任何媒質(zhì)，所以熱輻射是真空中唯一的熱傳遞方式。例如，太陽傳給地球的熱能就是以熱輻射的方式經(jīng)過宇宙空間而來的。 ??? 由此可見，熱傳導(dǎo)與熱傳遞是兩個從屬關(guān)系概念，熱傳遞概念的外延明顯寬于熱傳導(dǎo)概念的外延

13、，故熱傳遞是一個屬概念，而熱傳導(dǎo)是一個種概念。 推動世界的蒸汽 　　近代蒸汽動力技術(shù)的產(chǎn)生,主要源于當時的社會生產(chǎn)的直接推動和當時的實驗科學的長期孕育．英國資產(chǎn)階級革命為資本主義的發(fā)展掃清了道路，在工廠手工業(yè)的迅速發(fā)展中，社會需要促使了早期蒸汽機的問世．在十六世紀末和十七世紀初，包爾塔進行了蒸汽壓力實驗，托里拆利和巴斯噶等進行了大氣壓力實驗，那末格里凱進行了真空作用實驗．這三大實驗基礎(chǔ)的相繼形成，使人們得以從實驗上開始認識蒸汽、大氣和真空的相互作用．而這些重大的實驗成果也就為早期蒸汽動力技術(shù)的產(chǎn)生奠定了牢固的實驗科學基礎(chǔ)． 　　最先把蒸汽動力技術(shù)的設(shè)想付諸實施的，是法國著名物

14、理學家、工程師巴本（Denis Papin 1647-1712）．從1674年開始，巴本即致力于蒸汽泵的實驗設(shè)計．經(jīng)過一段時間的實驗研究與理論探索，他從歐洲當時的煉鐵場廣泛使用的那種活塞式風箱中受到啟發(fā)，認為有可能把風箱變?yōu)槠?，而把風箱中的活塞變?yōu)槠字械幕钊趯嶒灂r，他先將汽缸的底部注入少量的水，再把汽缸放到火上加熱．當汽缸內(nèi)的水沸騰后，蒸汽即推動活塞慢慢上升；然后，又把火從汽缸下抽掉，汽缸內(nèi)的蒸汽即慢慢冷凝．由于蒸汽的冷凝，汽缸內(nèi)產(chǎn)生真空，在大氣壓力的推動之下，活塞又慢慢下降．通過這一實驗，使巴本認識到，利用蒸汽壓力、大氣壓力、真空作用的交互作用，完全可以推動汽缸內(nèi)的活塞及其活塞桿作往

15、返的直線運動．而這種運動所產(chǎn)生的機械動力可以帶動其他機械的運動．在發(fā)明帶有活塞的蒸汽泵之后，考慮到蒸汽壓力大可能會使汽缸爆炸，巴本又在1680年發(fā)明了安全閥．這樣，第一臺可以把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的實驗型的蒸汽泵，就于1680年在英國試驗成功了． 　　繼巴本之后，在近代蒸汽動力技術(shù)的發(fā)展中做出重要貢獻的是英國機械工程師賽維利（T.Savery 1650-1715）．賽維利的蒸汽泵的設(shè)計原理源于包爾塔的蒸汽力原理．他的蒸汽泵的主要構(gòu)件，是汽缸與鍋爐．賽維利的汽缸與巴本的汽缸很不相同．賽維利的汽缸未采用活塞，只是在其中接有吸水管、排水管和進汽管．當蒸汽從鍋爐經(jīng)過汽管進入汽缸后即使這部分蒸汽冷卻，而冷

16、卻后造成的真空就把礦井中的水從吸水管中吸進來，此時再將蒸汽注入汽缸，這部分進入汽缸的蒸汽所產(chǎn)生的壓力就把水從排水管中排放出來．后來，賽維利研究了巴本的蒸汽泵，在他的蒸汽泵中也采用了安全閥．1695年，賽維利制造出了幾臺這樣的蒸汽泵．這是近代蒸汽動力技術(shù)的第二次突破． 　　后來，紐可門研究了賽維利蒸汽泵，他認為賽維利蒸汽泵有兩大缺點．一大缺點是熱效率太低．紐可門在設(shè)計上作了重要革新：他不讓冷卻水直接進入汽缸，而是把冷卻水通過一個細小的龍頭向汽缸內(nèi)進行噴濺．另一大缺點是賽維利蒸汽泵基本上還是一種水泵，而不是典型的動力機．針對這一點，他在賽維利蒸汽泵中引入了巴本的活塞裝置，這樣蒸汽壓力、大氣壓力和

17、真空即可在交互作用下推動活塞裝置，蒸汽壓力、大氣壓力和真空即可在交互作用下推動活塞作往復(fù)式的機械運動．而這種機械運動一旦傳遞出去蒸汽泵也就成為了蒸汽機． 　　由于進行了上述三次研究和革新，一臺近代蒸汽機的完整藍圖基本上設(shè)計出來了．1705年，紐可門、考利和賽維利一道，終于試制出了第一臺真正算得上是動力機的蒸汽機． 　　從巴本蒸汽泵到紐可門蒸汽機的早期蒸汽動力技術(shù)的發(fā)展，已最初向人類社會預(yù)告了即將興起的第一次工業(yè)革命的信息，特別是預(yù)告了蒸汽時代的即將到來． 　　在工業(yè)革命中，大量的發(fā)動機被應(yīng)用，這促使作為機械員的瓦特對改進蒸汽機產(chǎn)生了興趣．瓦特自1764年開始改進紐可門蒸汽機的工作．他回憶

18、說："當年格拉斯哥大學把修理一臺紐可門蒸汽機的任務(wù)交給我．在修理的過程中，我深感它的不足，所以決心動手研制一種性能較好的蒸汽機．" 瓦特當時告訴記者，紐可門蒸汽機有兩大缺點：燃料耗量大而效率低，另外就是它只能作往返的直線動作．因此，除了用于礦井抽水之外，紐可門蒸汽機沒有其他用途了，而它浪費的蒸汽可達八成以上． 　　經(jīng)過一番努力，瓦特發(fā)現(xiàn)了紐可門蒸汽機效率低的原因與解決方法：既然蒸汽具有彈性，只要把汽缸和另一個容器相連接，讓蒸汽接入其中，就不需一再冷卻汽缸，浪費了許多熱量了． 　　瓦特緊接著設(shè)計了一個與汽缸分離的冷凝器，并在汽缸外面加了絕熱套，使汽缸保持在高溫工作狀態(tài)．一臺運作正常的蒸汽機終

19、于"出爐"了！ 　　在缺乏資金的情況下，瓦特當時向一名工廠老板貸款，但由于機件陳舊不合標準，冷凝器因蒸汽機不斷從活塞旁漏汽而無法正常操作，使得工廠老板停止對他的資助． 　　幸好瓦特得到著名鐵商博爾頓的賞識，出資與他成立了博爾頓-瓦特公司，讓他在無后顧之憂的情況下，專心從事蒸汽機的實驗和生產(chǎn)． 　　瓦特在新設(shè)計的蒸汽機上安裝曲軸、連桿等器件，使它更為自動化．這些重大的改進，使工廠和交通運輸?shù)确矫娑寄苁褂谜羝麢C．因此蒸汽動力的巨大潛能被逐漸的發(fā)掘了出來． 　　紐可門蒸汽機問世以后，就被廣泛的應(yīng)用于社會生產(chǎn)的各個行業(yè)．但是在世界上引起重大變革的是瓦特蒸汽機． 　　當然，瓦特蒸汽機的歷史影

20、響是在它問世后半個多世紀內(nèi)逐漸發(fā)生的．然而，它的歷史影響正是以它的發(fā)明問世為歷史起點的．從八十年代初開始，以蒸汽機為主要標志的第一次工業(yè)革命，首先在英國，然后在西方各國迅猛發(fā)展起來．在生產(chǎn)方式上，瓦特蒸汽機的發(fā)明，為最終實現(xiàn)由工場手工業(yè)向機器大工業(yè)的變革提供了強大的杠桿．自此之后，首行在英國，其后在法國、德國、荷蘭、瑞典等國家，都先后實現(xiàn)了由工場手工業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C器大工業(yè)的這場生產(chǎn)方式的大變革．由于生產(chǎn)方式的變革，整個社會生產(chǎn)面貌也為之一新．當瓦特蒸汽機革新成功以后，英國當時正急切需要動力的第一次工業(yè)革命得到了適用廣泛的強大的動力機，從此，第一次工業(yè)革命以更加迅猛的聲勢向前發(fā)展． 　　采礦業(yè)，

21、紡織業(yè)和冶金業(yè)是當時的工業(yè)革命的主要行業(yè)．在采礦業(yè)中，1783年，英國著名的康沃爾采礦中心的所有紐可門蒸汽機幾乎全部為瓦特蒸汽機的取代．隨后，在其他金屬礦區(qū)、在煤礦，原有的紐可門蒸汽機也相繼被瓦特蒸汽機所取代． 　　在紡織業(yè)中，1785年，諾定昂郡建立了英國的第一座蒸汽紡織廠．由于采用瓦特蒸汽機作為原動機，使紡織廠打破了必須建在河谷地區(qū)的地理條件的限制，使紡織業(yè)的發(fā)展進入了一個新的時期． 　　在冶金業(yè)中，從1790年開始，許多煉鐵廠相繼采用蒸汽機來開動更大的鼓風機，來為更大的高爐提供更大的風力．在此之前，煉鐵工人達比已在1780年發(fā)明焦炭煉鐵法．新的燃料加上新的動力，使高爐越建越大，產(chǎn)量

22、越來越高．1788年，英國的生鐵產(chǎn)量為61300噸，而在各煉鐵廠相繼采用蒸汽機后，到了1796年，英國的生鐵產(chǎn)量即猛增到125000噸． 　　由于社會生產(chǎn)對瓦特蒸汽機制需求量越來越大，這也使以蒸汽機的制造為主體的機器制造業(yè)也隨之發(fā)展起來．自此之后，車床、刨床、鉆床、磨床等各種機床制造工業(yè)以及紡織，采礦、冶金、運輸?shù)雀鞣N工種工作機的制造業(yè)也相應(yīng)地發(fā)展起來．以農(nóng)業(yè)機械為例，在十八世紀末和十九世紀初，在英國的許多大農(nóng)場就相繼出現(xiàn)了播種機、收割機、打谷機、割草機等多種農(nóng)業(yè)機械．盡管這些最農(nóng)業(yè)機械都是以人力或畜力為動力的，但它們卻是瓦特蒸汽機在推動第一次工業(yè)革命的深入發(fā)展中結(jié)出的技術(shù)果實．這說明，第

23、一次工業(yè)革命的風暴不但在工業(yè)領(lǐng)域迅速發(fā)展，而且迅速地波及到工業(yè)以外的其他領(lǐng)域． 　　另外，在科學技術(shù)上，在生產(chǎn)關(guān)系上，瓦特蒸汽機的發(fā)明也起到了重要作用．瓦特蒸汽機的發(fā)明，第一次大規(guī)模地把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，這就直接推動了科學、熱力學和能量轉(zhuǎn)化方面的基礎(chǔ)理論的研究，同時了直接推動了紡織、采礦、冶金、機械等各類技術(shù)科學的發(fā)展． 　　瓦特蒸汽機的發(fā)明，也為生產(chǎn)關(guān)系的革命提供了有力的杠桿．自此之后，由于機械大工業(yè)的迅速發(fā)展，社會日益分成兩大明顯對立的階段：無產(chǎn)階級和資產(chǎn)階級．機器大工業(yè)反無產(chǎn)階級一次又一次拋向街頭，無產(chǎn)階級革命也就一次又一次發(fā)生，從而把西歐一些主要資本主義國有推向了一個新的社會發(fā)展階段．