趣賞《熱學》的特點

溫應春

《熱學》是一門獨立的分支，仔細品味，會發現它有如下幾個特點。

一、特殊的顯微鏡

翻開課本的扉頁，你就會發現一種特殊的顯微鏡，憑借這種顯微鏡可以觀察到原子的面目。因為原子是很小的，它的數量級只有10^-10m，用一般的光學顯微鏡根本無法觀察，所以只能用這種掃描隧道顯微鏡。

掃描隧道顯微鏡是葛·賓尼和羅雷爾于1982年研制成功的，掃描隧道顯微鏡能將微小的東西放大幾億倍，用明察秋毫去形容它已經顯得十分蒼白。

放大倍數之大反襯出原子之小，這是一個很顯著的特點。

二、特殊的方法

要直接跟蹤研究某一個水分子的運動規律，弊端有二：其一，水分子很小，其二，與背景渾然一體，某一個水分子周圍都是大量的水分子，它們的面目一樣，無法區分，無法識別，因此很難直接研究。

布朗運動的設計是極其巧妙的，通過觀察花粉顆粒的運動間接地研究水分子的運動規律，這樣做比直接觀察水分子的運動，要優越得多，其優越性主要體現在：

1、花粉顆粒與背景水分子的區別非常鮮明，是“萬綠叢中的一點紅”。

2、花粉顆粒是由成千上萬個固體分子組成的龐然大物，與水分子相比。如“鶴立雞群”。花粉顆粒大小的數量級接近于10^-6m，用光學顯微鏡觀察它，已經能夠完成使命了。

所以觀察花粉顆粒的運動進而間接地證明水分子的運動，的確是高明之舉，是一種特殊的研究方法。

三、特殊的溫度。

-273.15℃是一個很特殊的溫度，它不僅是熱力學溫標的起點，也是宇宙中低溫的極限。

熱力學溫標是英國物理學家開爾文創立的，他把-273.15℃作為新的溫標的起點，就每一度而言與攝氏溫標是相等的，這種溫標不依賴于測溫物質，故稱絕對溫標。對大量事實的分析表明，絕對零度是低溫的極限，不可達到，這個結論稱之為熱力學第三定律。熱力學溫度的單位開爾文是國際單位制中七個基本單位之一。

攝氏溫度與熱力學溫度間有簡單的換算關系，即T=t+273.15K。溫度就是物體的冷熱程度。從微觀上講，是分子平均動能的標志(εk=3/2kT)，亦或分子運動激烈程度的標志。溫度的數值表示辦法就是溫標。攝耳休斯創立了攝氏溫標，這種溫標以水銀為測溫物質，從物理特性上講，水銀的膨脹隨溫度變化是線性的。它把冰水混合物的溫度定為零攝氏度，水的沸點定為100攝氏度，在0到100之間等分為100等份，每一等份就是一攝氏度。

四、特殊的定律

熱力學第二定律有兩種完全不同而又完全等價的表述，即克勞修斯表述和開爾文表述。這個定律的特殊有三：其一都揭示了一切與熱現象有關的宏觀過程均具有單向性，其二都是經驗規律，其三都是否定之否定規律。

1850年，克勞修斯根據制冷機的經驗指出：不可能使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化。該定律是按照熱傳導的方向性來表述的。“其他變化”的具體含義是：使熱量由低溫物體傳遞到高溫物體還是可以的，但不是自發的，要付出代價才行，比如電冰箱就需要消耗電能。

1851年，開爾文根據熱機的經驗指出：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化。該定律是按照機械能與內能轉化過程的方向性來表述的。“其他變化”的具體含義是：把內能百分之百轉化為機械能是不可能的，沒有效率是百分之百的熱機，熱機至少要有兩個熱源，即高溫熱源和低溫熱源。

五、特殊的發現

能量守恒定律是19世紀自然科學的三大發現之一，是一條“偉大的運動基本定律”。

能量守恒定律、細胞學說、達爾文的生物進化論被稱為19世紀自然科學的三大發現。能量守恒定律是經過人類漫長而又艱辛地探索研究發現的，是建立在大量的事實基礎上的。說它是一條基本規律，就是因為它的適用范圍很廣，在自然科學的各個領域內都成立，是人類認識世界，改造世界的強大武器。

六、特殊的氣體

模型是源于實踐而高于實踐的抽象。高中《熱學》里，理想氣體就是一種典型的物理模型，它是一種特殊的氣體。

與實際氣體相比，理想氣體忽略了氣體分子之間的分子力(微弱的引力)，因此沒有分子勢能，只有分子動能；理想氣體是溫度的單值函數，溫度增高，內能必然增大；理想氣體有著簡單的實驗定律，這些實驗定律有著寬廣的適用范圍。

常溫常壓下不易液化的氣體，可視為理想氣體。

點評：用特殊的目光，尋求特殊所在，這是學好獨特學科的關鍵。

(責任編輯趙平)