第六节 热力学第一定律 能量守恒定律　　

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热、热运动与热现象

　　“热”是物体内部物质运动的一种形式。请不要小看这么一句简单的话，物理学上对“热”下这么一个科学定义，经历了几代人的探索和研究，这里包括同18世纪初出现的认为热是一种特殊物质——热质这种热质论的斗争。直到1744年罗蒙诺索夫在研究了摩擦生热等现象以后，在他的论文“论热与冷的原因”中才提出了热是运动的新的理论。他写道：“大家都知道，热是由运动激发的：两手由于互相摩擦而暖和，燧石擦钢飞出火星，铁在频频用力打击时变成灼热……。由此我们得出结论，不必把物体的热当作是某种为了解释热现象而特别规定的微妙的物质的聚集，而应当把热作为是物体内部物质的运动。”罗蒙诺索夫的这段话既深刻又精辟。翻开热学史，可以清楚地看出第一次给热下科学定义的就是这一段话，不愧为是一伟大的创举。到19世纪中，费厄和焦耳用许多论据和实验证明了热是运动形式这个观点。从此，热是物体内部物质的一种运动形式这种说法也就具有了科学的地位，并一直被后人接受和承认。
　　所谓热运动就是宏观物体内部大量微观粒子（如分子、原子、电子等）的一种连续的混乱的无规则运动，是物质的一种特殊运动形式，它比机械运动要更高级、更复杂。物体的冷热程度完全由大量微观粒子的这种无规则运动的强度所决定。所谓的无规则运动只是指大量微粒中各个单个微粒的运动的径迹表现得杂乱而没有规律。但这并不说明微粒的运动完全没有规律性，事实上，只要微粒数量足够大，这大量微粒无规则运动的总和总是能表现出新的现象和新的规律性，这些规律当然是不能从力学定律导出，而只能用统计方法导出。譬如，就大量分子微粒来说，大量分子热运动的平均平动动能就是一个统计规律，它是表征分子无规则热运动强度最适当的物理量。平均平动动能越高，分子无规则热运动就越剧烈，物体也就越热，温度也就越高。
　　至于热现象乃指一切与温度有关的物体性质的变化。例如膨胀、收缩、熔解、凝固、蒸发、凝结、扩散等等。
　　应当指出，一个物体总是由大量微粒（分子）组成的，物体所表现出来的种种热现象应是大量分子热运动共同起作用的结果。只有一个微粒（分子）时，像膨胀、熔解等热现象根本没有意义。因此，单个分子无规则运动决不会产生热现象。
　　另外，大量分子有规则运动也不能产生热现象。如把物体放在汽车上跟着汽车一起运动，这时每个分子除了无规则的运动外，还获得了和汽车相同的整体运动速度。全体分子的这种整体宏观机械运动并不引起像膨胀、溶解一类的物体性质的任何变化，并没有热现象产生，也就是说物体分子的这种运动并不导致物体温度的改变。但话得说回，分子整体的宏观机械运动倒可以转变成为分子的无规则热运动。例如，把两块冰进行摩擦，由于冰块并不是绝对平滑的，冰块的表面分子之间可以发生各种形式的碰撞，碰撞的结果使许多分子获得了另外方向的混乱的速度，因而把向着摩擦方向的整体运动转变为无规则热运动。运动形式的这种转变就引起冰块变热，逐渐熔解。把分子有规则的运动转变为分子无规则热运动来进行加热的方式是多种多样的，除了摩擦生热以外，通电流也可以使导线发热。在金属导体内的电流是电子在沿着电场反方向整体运动所引起的。但电子不时地碰撞在平衡位置附近振动的原子，把自己的一部分能量传给了原子（实为离子），于是就引起了原子无规则热运动的加强，使得导线发热。燃烧使温度升高，则是因为氧原子与碳原子在结合过程中，把原来一部分分子内部的化学能转化成了 分子之间无规则热运动的动能。无规则运动的加强，就引起了温度的升高．
　　以上，我们用了一定的篇幅，对热、热运动和热现象分别作了阐述。可以看出，它们三者之间既有区别又有联系，是三个不同的热学概念。但作为本节的结束，我们还不得不对“热”的概念作一补充说明。在日常生活中，“热”其实是一个具有多种含义的字，即使在物理学中的不同场合下，它也有不同的含义。所以，我们要特别注意从概念上加以区别。以下几种情况下的“热”字就代表了不同的含义。
　　（1）摩擦生热——表示机械能转换成为内能，这里的“热”字指的是内能。
　　（2）电烙铁通电以后，很快就热起来了——这里的“热”字表示冷热程度，即表示温度升高的意思。
　　（3）热功当量——这里的“热”字指的是热量，表示热量与功在改变物体内能数量上具有相当关系。
　　（4）热与工农业生产、日常生活有密切关系——这里的“热”字表示的是物质的一切热现象。
　　除以上四句例子外，生活中还能找到很多例子，这里不再一一列举。希望读者能结合碰到的问题，自行判断“热”字的含义。

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