關于熱力學系統作功問題的探討

王志紅　李衛平

摘要：本文詳細闡述了熱力學第一定律中關于系統的功和內能增量與參考系的關系，得出了這兩個物理量與參考系無關的結論，又推出熱力學第一定律的運用與參考系無關的結論。從而使中學生加深對功及能量守恒定律的理解。

關鍵詞：熱力學系統；功；內能增量

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148(2009)4(S)-0039-2

0 引言

力學中的力所做的功，相對不同的慣性參考系其值可能不同。所以，力學中涉及功時，一般須指明參考系。熱力學第一定律反映的是熱力學系統與外界的能量交換關系。無論是中學物理教材，還是大學物理教材，都強調熱力學系統做的功與系統所經歷的過程有關，在計算過程中，并沒有特別指明參考系。為什么對參考系的選取不加以說明?是否與參考系的選擇無關?

對熱力學系統的“內能”，高中物理教材中說的是“物體中所有分子的熱運動的動能和分子勢能的總和”。［1］仍然沒有明確說明其中分子熱運動的動能和勢能的參照系。有些大學物理教材特別指出是相對質心參考系而言的：“在討論熱學規律時，將不考慮或忽略物體的整體運動，而只是在物體，即質心參考系中來分析問題。”理由是：“熱學是在物質結構的分子層次上研究熱現象規律，它只涉及系統內分子的無規則運動，對質心參考系來說，系統內不存在任何分子集體的宏觀運動”。［2］對此，學生會產生這樣的疑惑：當熱力學系統有一個宏觀的運動時，內能是否也是對質心參考系而言的?內能增量是否也必須對質心參考系而言?

在中學物理教學中通過對上述問題的解決，可以幫助學生更深刻地理解功的內涵及外延，幫助學生進一步理解熱力學第一定律和能量守恒與轉化定律；擴展對經典分子運動論的認識，初步理解熱學中的微觀解釋方法，理解宏觀與微觀的聯系。

1 熱力學系統的功和內能增量與參考系的關系

1．1 熱力學系統的功與參考系無關

以理想氣體膨脹作功為例進行說明，如圖1所示。

設有一絕熱氣缸中裝有一定質量的理想氣體，其中氣體的壓強為p，活塞的面積為S，氣缸相對地面以速度v向右做勻速直線運動，同時，氣體膨脹作功。設活塞可以無摩擦地滑動，活塞在Δt時間內相對氣缸移動了Δs。