熱現象與人的生活關系密切,人類的文明大概就是從學會用火開始的。對熱現象的研究可以說開始很早,但真正成為一門科學還是近幾百年的事。科學的發展是與生產技術的進步、生產力的發展密切相關的,18世紀初,第一部蒸汽機問世,為1760-1840年的工業革命準備了條件。

由于蒸汽機的出現和應用,熱現象的研究受到重視,到18世紀前半期,制造出了一些供實際應用的溫度計,相繼建立了華氏、攝氏等經驗溫標,系統的計溫學初步建立,在定量研究熱現象方面邁出了重要的一步。溫度計的發明和改進,又進一步促進了量熱學的發展,熱量、熱容、比熱、潛熱等概念初步形成,量熱器開始使用,熱平衡方程建立起來,量熱學形成系統的科學。

隨著計溫學和量熱學的建立,對熱現象的研究走上了實驗科學的道路。18世紀后期,英國人瓦特對蒸汽機的改進起了關鍵性的作用,這大大促進了生產力的發展,也促進了對熱現象的更深人的研究。由于對熱本質的研究不斷深人,熱是一種物質的說法徹底破產,能量守恒定律,即熱力學第一定律在19世紀得以建立。這期間,一大批科學工作者在各個不同的領域作出了自己的貢獻,其中最著名的有邁爾、焦耳、亥姆霍茲三位。德國醫生邁爾思維敏捷、視野開闊、善于總結,最先提出能量守恒思想,認為熱是能量的一種形式,可與對機械能相互轉化。英國物理學家焦耳是一個孜孜不倦的實驗物理學家,他在長達40年的時間里,進行了大量精確的實驗,令人信服地證明了,熱量和功之間存在著確定的數量關系,為能量轉化與守恒定律的建立奠定了堅實的實驗基礎。而德國的亥姆霍茲在論述能量守恒的普遍性上起著重要的作用。

以上對熱現象的研究,都是根據對現象的觀察和實驗所總結出來的宏觀熱現象的基本規律,用嚴密的、科學的邏輯推理方法,研究和討論熱學系統的性質,稱為熱現象的宏觀理論。早在熱力學第一定律建立之前,法國工程師卡諾對熱機理論作了深入的研究,在此基礎上,德國物理學家克勞修斯和英國物理學家開爾文分別于1850年和1851年獨立地發現了熱力學第二定律,論述了熱學過程的不可逆性,找到了反映物質各種性質的相應的熱力學函數,這套理論發展到現在,稱為“熱力學”。

在熱力學理論發展的同時,人們已注意到熱現象與組成物質的大量微觀粒子的無規則運動有著密切關系,從微觀的角度研究熱現象的工作也已開始,在19世紀中葉以后得到飛躍的發展。首先是氣體動理論(以前稱為氣體分子運動論或氣體分子動理論)的提出和完善,概率統計方法的運用,使氣體動理論從定性的論述發展成為定量的理論,這就是關于熱現象研究的微觀理論。氣體動理論發展為分子物理學,再進一步發展,就是“統計物理學”。熱現象的各種宏觀性質都與微觀粒子的運動情況有關,各宏觀物理量都是相應微觀量的統計平均值,任何宏觀的平衡態都必然伴隨著永不停息的微小漲落,這就是關于熱現象的微觀理論的主要觀點。

20世紀50年代以后,關于非平衡態的熱力學和統計物理學理論得到迅速發展,已經從平衡態和近平衡態向著遠離平衡態的方向推進,這為尋找從無序到有序轉化的途徑提供了新的思想和新的概念,但相對于平衡態理論來講,非平衡態理論還顯得很不完善,這是今后繼續研究和發展的重點方向。

熱學是物理學的重要組成部分,熱運動是物質運動的一種重要形式,熱運動對應的能量棗熱力學能(內能)是一種重要的能量形式,因此,熱學部分的知識歷來是中學物理課程的重要組成部分。熱學與力學相比,研究對象、研究內容和研究方法都大不相同,力學研究的是宏觀物體(其模型是質點、質點組或剛體等),以牛頓定律為基礎,研究其機械運動規律以及機械能的轉化與轉移等等。

而熱學的研究對象是由大量微觀粒子(分子、離子、原子等)組成的熱學系統,研究與大量分子無規則運動有關的熱學現象,包括溫度及溫度的測量、熱量的傳遞與量度、物體受熱后體積的膨脹、大量分子無規則運動所對應的能量(即內能)、內能與機械能等其他能量間的轉化與守恒、內能的應用、熱機及熱機效率的提高、固體、液體、氣體的性質及物質狀態的變化,等等。研究熱現象,與研究宏觀物體的機械運動的方法完全不同,要想去追尋每一個分子,用力學的方法研究它們的運動狀態,既不可能,也無必要。熱現象的宏觀性質,是這些大量分子集體的運動的宏觀表現,研究熱現象所采用的方法是統計方法。對于中學生來說,數學基礎有限,對于什么是統計平均尚不能真正理解,很多問題還不能進人定量階段,只能進行初步的定性討論。但對于一些基本的觀點和思想,必須向學生介紹,使他們在認識能力上有所提高,在學習方法上有所適應。

初中階段對熱現象的學習,主要是了解一些與生活密切相關的、常見的熱現象,包括溫度和常用的液體溫度計、溫度測量的基本方法、熱量傳遞的初步知識、比熱容和燃料燃燒值的概念和簡單計算、內能的初步概念和對熱機的簡單介紹,也介紹了氣體動理論(分子運動論)的幾個基本觀點。對于固體、液體、氣體的性質以及物質狀態的變化,狀態變化過程中熱量的傳遞及內能的變化等占用了較大的篇幅,并從分子熱運動的角度定性解釋有關現象,促使學生初步建立分子熱運動的圖像,初步領會分子無規則運動與物質宏觀性質間有著密切的聯系。初中階段的熱現象教學以定性為主,雖然在比熱和熱量計算方面有一定的計算問題,但重點決不應放在數學計算上。但也要注意另一種傾向,即不能因為熱學部分計算量少而輕視這部分的教學。

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